微算機 Chapter 5 PIC18F Architecture and Addressing Modes

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Basic Features

• PIC18F 是使用 Harvard architecture ( program 和 data memory 是用不同的 memory space 及 兩個的 bus 是獨立的)，所以 PIC18F 可以同時 access program 和 data 。
• PIC18F 使用 flash memory 去存 program memory ；而 RAM 去存 data memory 。
• PIC18F 的 F 表示：這個晶片包含 flash memory 。
• Special Function Registers ( SFRs )，是 CPU 的 registers 和 registers of the peripheral module (外圍模塊的 register {google 翻譯})。

• Typical CPU register ：
  1. Stack Pointer
  2. STATUS register
  3. Program Counter
• Typical peripheral registers ：
  1. I/O ports
  2. Timer register
  3. ADC register
  4. CCP register

• 最大的 Program Counter ( PC ) 是 21-bit wide 。所以 PIC18F 就可以最大有 2 MB(
  $2^{21}$ )的 program memory space 。
• 最大的 Data memeory address 是 12-bit wide 。所以地址最多只有 4 KB(
  $2^{12}$ )的大小。

每一個不同家族的 PIC18F 可能會有不同的 program memory space 和 data memory space 。

• CCP module ( Capture / Compare / PWM ( pulse width modulation ) )： PIC18F 可以使用 capture module 去計算傳入訊號的週期；用 compare module 去產生週期波或 time delay 。 ( PWM 那邊我看不懂 QQ )

• 10-bit A/D converter ：可以把類比的訊號轉換成 10-bit binary 。

• 所有的 PIC18F 都使用 pipelining 去執行指令。 PIC18F 使用 main oscillators ( OSC1 )去同步內部的操作。

• 一個 machine cycle 包含4個 OSC1 的 pulse ：

  1. program counter += 2 會在 Q1 時執行，並該指到的 instruction 在 Q4 時被 fetch ，同時， previous instruction 會在 Q1 ~ Q4 被執行。
  2. instruction exection ：包含3階段， fetch, decode, exection 。 fetch 之後會被存入 Instruction Register ( IR ）然後被 decode 再 exection 。
  3. 目前的 instruction exection 會和下一個 instruction 的 fetch 同時在一個 mechine cycle 中執行 ( two-stage pipeline )。

  4.

PIC18F Register Architecture

SFRs 有包含 BSR ( Band Select Register )

WREG ( Woking register )

• WREG is 8-bit wide.
• 主要做大部份的數值運算及邏輯運算的實現。

SP ( Stack Pointer )

• 在 PIC18F 裡面被稱為 STKPTR 。
• 有 31 個 stack register。
• 有 8-bit 寬。
• push 時 +1 ， pop 時 -1 。
• Bit 5 is not implemented and is read as 0.
• bit 7 是判斷 stack overflow ， 用超過31個 resgister 要PUSH的時候會設成1。
• 這裡的 stack 有 underflow 用太多且要POP的時候也是會設成1，

PC ( Program Counter )

• 最大能到 21-bit wide 。
• 通常只向下一個要執行的 instruction 。
• 因為有 21-bit wide 所以可以最多有 2 MB 的 program memory 。
• PC 包含3個 8-bit registers ：
  1. PCL ( PC Low byte)： PC 的 0~7 。
  2. PCLATH ( PC latch High byte )： PC 的 8~15 。
  3. PCLATU ( PC latch upper 5 bits )： PC 的 16~20 (存在 PCLATU 的低5位)。

Table Pointer

• PIC18F 使用 21-bit Table Pointer register 當作互相複製 program memory 和 data memory 之間的橋樑。

BSR ( Band Select Register )

• BSR is 8-bit wide.
• 低4位為 bank address, range from 0~F.
• 高4位是0。

FSR ( File Select Register)

• 由3個 16-bit registers 所組成( FSR0, FSR1, FSR2 。
• 每個 FSR 的 upper 4 bits 皆為 0 。
• 而 low 12 bits 用來儲存 data memory address 。
• 簡單來說這些 registers 可以理解為 memory pointers 。
• 每一個 FSRx 可被分為 FSRxH 和 FSRxL 。（ high byte and low byte )
• 藉由操作 FSR 來對那12 bit 的記憶體位置操作。

PRODH / PRODL

• PRODH and PRODL registers is 8-bit wide.
• PIC18F 內建 8-bit * 8-bit unsigned multiplication instrucction ，這兩個 registers 就是用來儲存運算完的結果的。

SR ( Status Register )

• SR is 8-bit wide.
• 每一個 bit 代表著不同的 flag ：
  1. C ( Carry Flag )：當加法進位時和減法借位時， carry flag 被設為 1 。
  2. DC ( Digit Carry Flag )：當加法進位由 low 4 bits 到 high 4 bits 時；減法借位由 high 4 bits 借給 low 4 bits 時， digit carry flag 被設為 1 。
  3. Z ( Zero Flag )：當任何 instruction 的結果為 0 時， zero flag 被設為 1 。
  4. OV ( Overflow Flag )：當數值運算 overflow 時， overflow flag 被設為 1 (
     $OV=C_f\oplus C_p$ )。
  5. N ( Nagetive flag ) 如果最前面是1 ( 即負數 ) 那 N 設為 1 。 反之
  6. Bits 5 through 7 are not implement.

Carry 表示進位，當運算前的位數比運算後的位數還小的時候， carry flag 才會被設為 1 。

PIC18F Memory Organization

• PIC18F 使用3種 memories ，分別為 flash memory, SRAM and EEPROM ：
  • Flash memory is used to store program. ( use as program memory )
  • 剩下兩個是用來儲存 data ，但 SRAM 是 volatile read/write memory 而 EEPROM 是 nonvolatile memory 。
  • 因為 EEPROM 的讀取速度比其他記憶體快，所以通常用來儲存重要的資料，而且多為 read-mostly memory 。
  • EEPROM 是被劃分在 Special Function Registers ( SFR ) 裡面。
• Data 可以以 immediate data 或 address of data 來被 instruction 所使用。
  • MOVLW 2 ：這個 2 是 immediate data 。
  • MOVFF 0x20, WREG ：這個會透過 0x20 這個地址去取用裡面的值 ， 0x20 就是 address data 。
• PIC18F 的 data memory 是用 static RAM 。每個 register 有 12-bit wide address ，所以共有 4096 bytes of data memory ，而這些 memory space 又被劃分成 16個 bank ，每個包含 256 bytes 。
• Program Counter ( PC )用來儲存要被 fetch and execute 的 instruction 的 address ，最大是 21-bit wide ( range from 0x000000 to 0x1FFFFF )。
• PIC18F 的 data memory 也被稱為 file register 或 data register 。
• data memory 被劃分成 16 banks ，每個 bank 有 256 bytes ，而 data memroy address 的前 4 個 bits 代表 bank number ，而後 4 個 bits 代表 BSR ，中間 4 個 bits 是 0 。
  
• The programmer can access a special bank called the Access Bank.
• Access Bank 就 Bank 0 啦。
• 使用 Access Bank 的話就不用透過 BSR ( 12-bit wide address )，這樣執行的速度可以比較快。
• Access RAM Low 包含 GPRs ( General Purpose Registers )； Access RAM High 包含 SFRs 。

• 確切位置可以參考上圖：
  1. GPRs 在 Bank 0 的 Low 。
  2. SFRs 在 Bank 15 的 High 。

• 把 memory 切成 16 份的這種技術叫做 RAM banking scheme 。
• 每個 address 可以看成 8-bit low-order address and a 4-bit Bank Pointer 或 full 12-bit address 。
• 如果要切換 Bank ，可以用 MOVLB K ( K is a 8-bit number )， K 的 low 4-bit 會被讀取成 bank number 。
• 如果忘記切換 Bank 的話可能會很危險，所以才會有 Access bank 存在。

PIC18F Addressing Modes

• 有下面幾種：

  1. Literal or Immediate Addressing Mode

     • operand 是 literal 或 constant data 。
     • constant data 不能直接放進去 file registers ( 基本上就只有 WREG 和 BSR 可以)。
     • 例如： MOVLW 0x2A 。

  2. Inherent or Implied Addressing Mode

     • 這種模式 instructions 不需要 operands ，也被稱為 no-operand instructions 。
     • 例如： DAW (有 implicit 的使用到 WREG )

  3. Direct or Absolute Addressing Mode

     • 簡單來說就是由一個 register 搬資料到另一個 register 。
     • 例如： MOVWF 0x50 。

  4. Indirect Addressing Mode

     • 如果使用到 pointer 去 assess data memory 就會被稱為這種模式。
     • 像是使用到 FSR0, FSR1 and FSR2 ( file select register )這種 register 。
     • 雖然 FSRx 有 16-bit wide 但只會用到後 12-bit 。
     • FSRx 與 INDFx 有關。
     • 舉例： LFSR 0, 0x0010 ，這是用來設定 FSR0 裡面的值為 0x0010 。而如果接下來執行 MOVWF INDF0 ，會把 WREG 裡面的內容，存到 0x0010 的地址裡面。
     • FSR 還有 INC DEC (加在地址上)這幾種東西，記得還有 POST 和 PRE 的差別，去做實驗你就會知道ㄌ。

       注意！

       1. 沒有 PREDECx 。
       2. 跟 ppt 不一樣，我執行 CLRF POSTINC0 啥都沒有被清掉。
       3. 對於 PLUSW2 ，不論是 WREG 或 FSR2 都不會被改變。

  5. Relative Addressing Mode

     • 任何有關 branch 的東西屬於這個模式。
     • 公式 ( PC + 2 + d * 2)
     • 舉例： BRA 0x50 而在 BRA 這行地址是 0x40 ，在執行到這行時的 PC 為 0x42 ，這時要 branch 到 0x50 此時的 PC 會變成 ( 0x40 + 2 + 0x50 * 2) = 0x4C。
     • 阿上面有關 STATUS register 的東西，自己看。

  6. Bit Addressing Mode

     • 對於單個 bit 的操作都是這種模式。
       ex ： BCF 0x10 , 3
       會清掉 0x10 的第三個 bit。