Programmazione dei PIC - Architettura interna dei PICmicro

[V0r[T3X]]

Programmazione dei PICmicro in C

Inizio questo "corso a puntate" scritto da me e da Matro sulla programmazione dei PIC in C.

Autori: Andrea Sarro, Matteo Trombin
Revisione: 0.11
Licenza: Creative Commons Attribuzione-NonCommerciale-StessaLicenza 2.0 Italia

Indice del primo capitolo

1: Introduzione
1.1: Prefazione
1.2: Architettura Interna
1.2.1: La CPU
1.2.2: La memoria
1.2.3: Le periferiche
1.3: Panoramica sulle famiglie di PIC
1.4: Analisi: PIC 16F628A

Capitolo 1: Introduzione
1.1: Prefazione

Cosa è un PICmicro? Per chi si avvicina per la prima volta al mondo dei microcontrollori la risposta a questa domanda potrebbe non sembrare affatto scontata.
Un PICmicro è un circuito integrato, prodotto dalla Microchip, che fa parte della grande famiglia dei microcontrollori. E' importante sottolineare come sia necessaria una distinzione tra microcontrollori (MCU) e microprocessori (uP). Per comprendere questa differenza si può ricorrere ad un esempio molto comune: il Personal Computer vs CPU.
Un PC è costituito da un microprocessore (CPU), da memorie e da periferche.
L'utente interagisce con l'elaboratore tramite delle periferichè di input (tastiera, mouse, scanner, ecc.), mentre la comunicazione inversa (macchina -> utente) avviene tramite delle periferiche di output, come ad esempio monitor e stampanti.
I PICmicro sono assimilabili ad un microcomputer: in essi, proprio come nel PC, è presente una CPU (vedi 1.2.1), che ha lo scopo di elaborare i dati, della memoria (vedi 1.2.2) volatile e non volatile, in analogia alla RAM e all'Hard Disk dei PC, delle porte di input/output e altre periferiche che variano a seconda del microcontrollore scelto e che hanno come target degli specifici domini applicativi.
A differenza di un PC, che utilizza un sistema operativo per astrarre la gestione della macchina dal mondo applicativo, sui PICmicro è necessario nella stesura del codice interagire a basso livello con le periferiche disponibili e gestire coerentemente il dataflow del programma (anche se è solo parzialmente vero, in quanto esistono dei sistemi operativi realtime (RTOS) come Salvo, anche se non vengono comunemente utilizzati).
Avete letto bene: stesura del codice. Vi starete chiedendo in che linguaggio si possa programmare un PICmicro. La risposta è semplice: in assembly o in un linguaggio di programmazione di più alto livello di cui sia disponibile un compilatore per PICmicro, come C o Basic.
La scelta per questo tutorial è ricaduta sul C, in quanto molto flessibile, efficiente e riutilizzabile.
Noterete quindi la flessibilità che offre un microcontrollore: una volta applicati ai pin di I/O led, pulsanti, sensori vari e altro a seconda dell'applicazione, potrete gestire il tutto con la semplicità di programmazione che offre un PC: se si vuole cambiare il comportamento della nostra applicazione sarà sufficiente modificare il file sorgente e riprogrammare il PICmicro, senza modificare il circuito elettrico.
Ovviamente vi starete chiedendo: ma come posso programmarli? La domanda è lecita: il fine del nostro corso è proprio spiegare come programmare questi integrati al meglio!
Per comprendere come procedere e diventare buoni programmatori è necessario analizzare l'architettura interna del PICmicro.

[Continua...]

[V0r[T3X]]

1.2: Architettura interna
1.2.1: La CPU

Il cuore del microcontrollore PICmicro è la CPU (Central Processing Unit, detta comunemente processore).
Una CPU è costituita dalle seguenti unità funzionali:
-Registri, speciali locazioni di memoria interne alla CPU e per questo molto veloci.
-ALU, unità aritmetico-logica, che viene utilizzata per effettuare le operazioni aritmetiche e logiche.
-Unità di controllo, che ha il compito di valorizzare correttamente le linee di controllo della CPU in modo tale che venga effettivamente eseguita l'istruzione corretta.
La CPU ha il compito di effettuare il fetch (caricamento dalla memoria), decode (decodifica dal codice binario) e l'execute (esecuzione) delle istruzioni.
Ogni istruzione è identificata da un opcode di dimensioni variabili a seconda della sua tipologia.
La CPU del PICmicro è di tipo RISC, acronimo di Reduced Instruction Set Computer.
I processori RISC prediligono la semplicità dell'architettura (e di conseguenza dell'untà di controllo) rendendo così disponibile più spazio per i registri interni general purpose. Inoltre consentono l'esecuzione della maggior parte delle istruzioni in un unico ciclo di clock.
Per questo motivo l'instruction set è molto piccolo e nel caso del PICmicro è di sole 35 istruzioni.
Una caratteristica molto importante è costituita dall'utilizzo dell'architettura Harvard e non della ben più comune von Neumann.
La sostanziale differenza tra le due architetture consiste nel fatto che la prima prevede una data memory (memoria dati) distinta dalla program memory (memoria programma), mentre la seconda (utilizzata ad esempio negli x86) ha un'unica memoria in cui lo spazio degli indirizzi è condiviso.
Ciò si riflette anche nella presenza di due bus separati (8 e 14 bit rispettivamente) per dati e programma, che collegano la CPU alle memorie.



L'Harvard Architecture permette l'introduzione più semplice e pulita della pipeline, riducendo i conflitti (hazard) ad essa connessa.
Nei PICmicro la pipeline è di lunghezza due (two-stage) e permette l'esecuzione della fase di fetch in parallelo con quella di execute (che include anche quella di decode) di un'altra istruzione.
Per questo motivo le istruzioni vengono eseguite tutte in un ciclo di clock, ad eccezione delle branch (salti), nelle quali viene variato il PC (Program Counter, uno speciale registro che contiene l'indirizzo della successiva istruzione che deve essere caricata).
Quando si verifica questo hazard è necessario effettuare il flush (svuotamento) della pipeline.



Nell'esempio in figura si può notare come al ciclo Tcy3 viene eseguita la CALL e parallelamente caricata la BSF (che segue immediatamente la CALL). Al ciclo Tcy4 viene effettuato il flush della pipeline perchè la CALL ha modificato il program counter e l'istruzione che deve essere eseguita non è più la BSF, ma l'istruzione all'indirizzo rappresentato dall'etichetta SUB_1.

Un'ultima ma importante caratteristica della CPU PICmicro è il modo in cui viene generato il ciclo di clock utilizzato durante l'esecuzione del programma (Program Cycle o ciclo macchina Tcy).
Il clock di riferimento del microcontrollore viene generalmente generato da un quarzo collegato al PIN OSC1.

Questo clock viene diviso in 4 clock distinti ed in quadratura, chiamati Q1, Q2, Q3 e Q4.
Il Program Counter viene incrementato ogni Q1. Il fetch dell'istruzione corrente e l'esecuzione dell'istruzione precedente avvengono durante il periodo Q1-Q4 (in parallelo per la presenza della pipeline).

[V0r[T3X]]

1.2.2: La memoria

Nei PICmicro coesistono diverse tipologie di memorie, che variano per procedimento costruttivo e per scopo.
Si suddividono in:
-Program Memory
-Registri (RAM e SFR)
-EEPROM

La Program Memory contiene il programma in codice macchina (binario) che viene eseguito dal microcontrollore. Essa può essere di due tipi, FLASH (particolare tipo di EEPROM, cancellabile a blocchi) e OTP, e viene programmata utilizzando un interfaccia hardware chiamata programmatore. Se la memoria è di tipo FLASH è possibile sovrascriverne il contenuto, rendendo il microcontrollore riprogrammabile. Se invece la memoria è di tipo OTP (One Time Programmable) è possibile effettuare una sola programmazione, rendendo impossibile la riutilizzazione dello stesso chip.
Lo spazio degli indirizzi della Program Memory è strutturato come in figura:



La RAM (Random Access Memory), che viene anche chiamata File Register o GPR (General Purpose RAM), è costituita da allocazioni di memoria modificabili durante l'esecuzione del programma e si distingue dagli SFR (Special Function Registers) proprio perchè è general purpose, ovvero può essere utilizzata per memorizzare in modo volatile (ovvero che non sopravvive ad un riavvio) delle variabili da 8 bit (1 Byte) indipendentemente dal loro significato.
La Memoria Dati è costituita dall'insieme dei registri GPR e SFR ed è divisa in banchi.
Pertanto per accedere in lettura o scrittura ad uno dei registri è necessario selezionare il banco che si vuole indirizzare agendo sul registro speciale STATUS.



La EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) è una memoria non volatile (pertanto il suo contenuto persiste dopo un ciclo on/off del microcontrollore), ma a differenza di una semplice ROM è cancellabile e riscrivibile. Si differenzia delle EPROM in quanto è cancellabile elettricamente e non per mezzo dei raggi UV.
E' importante sottolineare come questa tipologia di memoria abbia una vita molto limitata, che è dell'ordine dei 10 milioni di cicli di cancellazione/scrittura. Inoltre presentano dei tempi di accesso considerevoli. Pertanto quando si opera con le EEPROM è necessario limitarne l'uso all'essenziale, in quanto non sono in grado di sostituire a livello applicativo i registri della RAM. L'indirizzamento non è diretto, ma indiretto tramite il registro EEADR.

1.2.3: Le periferiche

Le principali periferiche presenti nei PICmicro sono:
-Porte di I/O
-Timer e Watchdog Timer
-A/D Converter
-USART
-CCP (Compare, Capture, PWM)
-Comparatore e Voltage Reference

Le Porte di I/O costituiscono le periferiche più semplici. Esse possono essere impostate come input o output per mezzo dei registri TRIS<x> o TRISGP, dove <x> identifica la porta (ad es. A). Il valore logico della porta invece viene impostato o letto tramite i registri PORT<x> o GPIO.
E' importante sottolineare come spesso i pin delle porte di I/O siano multiplexate con altre periferiche come i convertitori Analogico-Digitali (A/D). Pertanto sarà necessario anche impostare tramite dei registri se si intende utilizzare lo specifico pin come I/O o ingresso analogico.

I Timer sono delle particolari periferiche che svolgono la funzione di contatori e possono generare degli interrupt che interrompono temporaneamente la normale esecuzione del programma.

Il Watchdog Timer è un particolare tipo di timer che viene utilizzato per verificare un eventuale stallo della cpu. Se non viene azzerato dal programma entro un prefissato lasso di tempo causa il reset del microcontrollore.

L'A/D Converter è un convertitore analogico-digitale che trasforma un voltaggio in ingresso in un numero di <x> bit, dove <x> rappresenta la precisione del convertitore. Solitamente è a 8 o 10 bit.

L'USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) e la periferica che si occupa della comunicazione seriale sia sincrona che asincrona. Viene spesso utilizzata per interfacciare il PICmicro ad un PC via la porta seriale (COM port).

Il CCP è un modulo in grado di catturare, comparare o generare un segnale. L'utilizzo più frequente è quello in modalità PWM (Pulse Width Modulation), che consente la generazione di un onda quadra a frequenza fissa e duty cycle (Ton/T e T=Ton+Toff) variabile.

Il Comparatore viene utilizzato per comparare la tensione presente su un pin di I/O rispetto ad una tensione di riferimento, che può essere prelevata da un altro pin o generata dal modulo Voltage Reference del PICmicro.

[V0r[T3X]]

1.3: Panoramica sulle famiglie di PIC

Data la versatilità di questi microcontrollori, sono presenti diverse famiglie per gli usi più disparati. Le famiglie sono principalmente 6:

PIC10FXXX: 6 pin, program word a 12 bit
E' l'ultima famiglia nata in casa microchip, con PIC a 6 pin e piccoli package (SOT-23, ultimamente è presente anche il DIP). Il set di istruzioni ne comprende 33, con opcode a 12 bit. Lo stack è a 2 livelli. Il loro uso è pensato per applicazioni battery-powered, dato il loro bassissimo consumo (basti pensare che a 2V e 4Mhz, in standby, consumano 100nA!).

PIC12CXXX/PIC12FXXX: 8 pin, program word a 12 e 14 bit
Questa famiglia comprende microcontrollori PIC presenti con package da 8 pin, di tipo DIP o il più piccolo SOIC. Sono caratterizzati da un set di istruzioni il cui opcode varia da 12 fino a 14 bit, da bassa tensione di funzionamento, da presenza di convertitori A/D, memoria FLASH, OTP o ROM e memoria dati di tipo EEPROM.

PIC16C5X: program word da 12 bit
Questa serie di MCU presenta opcode da 12 bit, con package che vanno da 14 a 28 pin, dal DIP al SSOP. Bassa tensione di funzionamento (a partire da 2.0V per le versioni OTP), con versioni che permettono di arrivare sino a 15V per uso diretto con batterie di auto/moto.

PIC16CXXX/PIC16FXXX: program word da 14 bit
I PIC della serie 16FXXX/16CXXX sono la “via di mezzo”: non per niente sono “Midrange MCU”, e anche noi, durante tutto il nostro corso, faremo uso di microcontrollori di questa serie.
I packages sono vari, a partire dal DIP al SSOP, con numero di pin che varia da 14 a ben 68. Gli opcode sono lunghi 14 bit, con possibilità d'uso di interrupt e uno stack ad 8 livelli.
La peculiarità di questa famiglia consta principalmente nel coadiuvare costo e prestazioni, risultando adatti per un uso medio-alto in ambito hobbistico.

PIC17CXXX: program word a 16 bit
Questa serie estende l'architettura dei PICmicro con opcode lunghi 16 bit, con un aumento del set di istruzioni.

PIC18CXXX/18FXXX: program word avanzata a 16 bit
Ultima famiglia di PICmicro, ma non per questo meno importante: di questa fanno parte i microcontrollori a più elevate prestazioni. L'architettura è avanzata rispetto alle serie minori, con 32 livelli di stack e più fonti di interrupt, sia esterni che interni. I bus istruzioni e dati sono separati, con dimensione di 16 bit per il primo e 8 bit per il secondo, e l'instruction set è ridotto a 77 istruzioni.
Sono presenti speciali caratteristiche per ridurre l'uso di componenti esterni con conseguente risparmio di costi ed energia.

[V0r[T3X]]

1.4: Analisi: PIC16F628A

Ed arriviamo ora al nostro compagno di viaggio: il PICmicro 16F628A. Appartiene alla famiglia dei “Midrange MCU”, con memoria di tipo FLASH (dopo il numero della famiglia, in questo caso 16, è presente una lettera indicante il tipo di memoria utilizzato. F, sta per FLASH, C per OTP).
Ora vi starete chiedendo il perché di questa scelta, data la presenza di decine e decine di PIC appartenenti a questa famiglia: dopo un attento sguardo ai costi e alle prestazioni offerte, siamo semplicemente giunti alla conclusione che gli altri PIC non “convenivano”.
Più precisamente: il classico PIC 16F84A, molto popolare, costa più del modello in questione, offrendo prestazioni minori, mentre i PIC 16F876/7 non sono adatti ad un principiante per la presenza di molte periferiche da configurare correttamente. Con l'avanzare dei capitoli, comunque, imparerete anche ad utilizzare questi ultimi.

Diamo uno sguardo al 16F84A “dall'alto”.



In questo modello possiamo dividere principalmente i pin in 2 settori: quelli di I/O(riquadro blu) e quelli necessari per fornire l'alimentazione al PIC (riquadro rosso). Sapendo quindi che i pin sono 18 e che due riguardano l'alimentazione, possiamo concludere che sono sfruttabili ben 16 porte di I/O.
Ma cosa sono quei riquadri di color arancione e verde? Costituiscono una delle peculiarità di questa versione di PICmicro: la possibilità di omettere il reset esterno (riquadro arancio) e il generatore di clock (riquadro verde), poiché possono essere riprodotti internamente al microcontrollore.
Nella maggior parte di PIC, infatti, è necessario utilizzare un pin come “reset” del microcontrollore e usare due pin per collegare un quarzo esterno (oppure una configurazione RC, resistenza-condensatore), necessario per fornire gli impulsi di clock per il corretto funzionamento del programma (cicli di clock: vedi 1.2.1, la CPU).
Potrete capire che, generando questi segnali internamente, avremo tre pin in più utilizzabili nel nostro circuito.
L'altra faccia della medaglia è però che, per quanto riguarda l'oscillatore interno, questo è di velocità fissa a 4MHz. Oltretutto non è preciso come un quarzo esterno, che sebbene possa occupare spazio ulteriore sulla basetta, può farci arrivare a velocità di ben 20MHz.
Noi vi esporremo entrambe le modalità di funzionamento, a voi la decisione di scegliere la soluzione che meglio si adatta alla vostra applicazione.

Per quanto riguarda le caratteristiche principali del microcontrollore in questione, sono da notare:
-La possibilità di mandarlo in Sleep, ossia in standby;
-Programmazione a bassa tensione
-In-Circuit Serial Programming, cioè la programmazione via soli 2 pin
-Tensioni di funzionamento a partire da 2.0V, sino a 5.5V
-Alta durata della memoria FLASH (100.000 cicli di lettura/scrittura) ed EEPROM (1.000.000 di cicli lettura/scrittura

Per quanto riguarda le periferiche, invece troviamo:
-16 pin di I/O
-Due comparatori per segnali analogici
-3 timer, di cui uno a 16 bit
-Modulo CCP: Capture, Compare, PWM
-Modulo USART, per comunicazioni seriali

In definitiva possiamo affermare che questo microcontrollore ha una dotazione abbastanza completa e che garantisce facilità di progettazione dal punto di vista circuitale, che però non grava sul numero di periferiche interne.
Forse buona parte delle periferiche elencate possono al momento essere considerate superflue, ma col proseguire dei capitoli capirete che ognuna di loro può svolgere un ruolo fondamentale durante l'elaborazione del vostro progetto.

[TheCleaner]

complimentissimi
dopo un esame appena passato di architetture e reti logiche questa guida cade a fagiuolo!!!!

[frasca]

Complimenti per questo corso... fin quì tutto chiaro

A quando la prossima puntata?

[V0r[T3X]]

Purtroppo per il momento ho problemi con l'hoster americano, quindi le immagini non sono disponibili.
Già li ho contattati per il ripristino, spero che risolvano al più presto, altrimenti trasferisco il contenuto su un mio server italiano (che però ha poca banda a disposizione).

[V0r[T3X]]

Originariamente inviato da V0r[T3X]
Purtroppo per il momento ho problemi con l'hoster americano, quindi le immagini non sono disponibili.
Già li ho contattati per il ripristino, spero che risolvano al più presto, altrimenti trasferisco il contenuto su un mio server italiano (che però ha poca banda a disposizione).

Visto che gli americani non hanno ancora risolto ho attivato il vhost sul mio server italiano e ora è di nuovo tutto UP.

[freddy]

le altre puntate a quando ?
Ora che la lettura incominciava a interessarmi.
Ciao.

[gem1978]

quì attendiamo impazienti...

[V0r[T3X]]

Ragazzi, purtroppo per problemi familiari e per impegni universitari la guida è in stand-by, come il mio progetto HWMPS.
Ma abbiate fiducia, quando avrò tempo la continuerò volentieri.

[V0r[T3X]]

Se Matro è d'accordo possiamo riprendere la stesura della guida... visto che ora dovrei avere un po' di tempo libero in più (almeno spero!).

[gem1978]

sbav sbav!! Matro dì di si che qui stiamo sbavando già

[Nask]

Vai vai, che in questo periodo ne dovrei avere proprio bisogno (spero non troppo!!!)

[Matro]

Sorry, questi ultimi giorni di scuola sono frustranti

Andrea, hai pvt

[V0r[T3X]]

Originariamente inviato da Matro
Sorry, questi ultimi giorni di scuola sono frustranti

Andrea, hai pvt

Ehm... non l'ho ricevuto!

[Rohirrim]

Ma come, proprio ora che iniziava il bello ovvero la programmazione vera e propria, vi siete fermati????!!!!! Vi prego continuateeeeeeee!!!!

[Matro]

Benvenuto in pct, Rohirrim

Ci siamo un pò fermati per via degli impegni estivi (aka lavoro ) e per le vacanze, ma quando riprenderemo i normali ritmi (tra poche settimane ) sforneremo nuovi capitoli

[cdileo]

Coraggio non teneteci sulle spine