PIC单片机基础知识之一

PIC16中档系列单片机是精简指令集的单片机，它具有以下特性：
——内部为哈佛结构
——指令流水线操作
——文档寄存器的概念
——单指令周期
——所有指令为单字指令
——长字指令
——指令数很少
——指令实现的功能基本不重复
接下来分别介绍上面各个特性。
1）哈佛结构－介绍哈佛结构通常要和冯.纽曼结构对比来介绍。我们熟悉的8086就是一种典型的冯.纽曼结构，它的程序和数据是共用同一个存储空间，CPU也是使用同一个总线来访问它们。那么，取指令和取数据势必分时来进行，这就限制了数据的流量。和它相对应的哈佛结构，则是不同。哈佛结构的典型特点就是程序和数据是分立的空间，CPU对程序和数据的访问也是使用完全独立的两套总线。所以，相对于冯.纽曼结构，它可以同时从两个空间取指令和取数据，这就增加了数据流量。而且，因为两个总线互不相干，所以，程序总线和数据总线可以做得不一样宽。PIC单片机在设计之初选择了哈佛结构，并基于程序总线的宽度，发展出了12位，14位和16位指令宽度的单片机系列，分别对应的是PIC低档系列，PIC16中档系列，以及PIC18系列单片机。这里要说明的是，数据总线的宽度始终是8位，所以不管它的指令宽度是多少，它仍然还是8位单片机。

2）指令流水线操作－大部分的单片机，取指令和执行的过程是顺序进行的。PIC单片机在设计时引入了指令流水线的设计，使得单片机的取指和执行可以同步进行。我们来看下面的指令取指和执行过程图示。

Tcy0 Tcy1 Tcy2 Tcy3 Tcy4 ……指令周期
1.MOVLW 0x55 取指1 执行1
2.MOVWF PORTB 取指2 执行2
3.CALL SUB_1 取指3 执行3
4.BSF PORTA,3 取指4* 刷掉错误的取指4
取SUB_1标号处指令
从这个图示上，我们可以看到取指和执行是如何同步进行的，也可以理解到，指令可以在一个指令周期内执行。但是，当有程序分支时（如CALL，GOTO或直接修改PC）是例外的，需要多花一个指令周期。图示上标有*号的地方，你可以看到，在执行CALL SUB_1这条指令时，同时预取了第4条指令BSF PORTA,3，程序是要调用SUB_1子程序，那么这条指令显然是错误预取的。但是不用担心，单片机的硬件会自动在下一个指令周期里刷掉被错误预取的指令4，同时在该指令周期内预取SUB_1标号处的指令，那么接下来的Tcy5就是执行子程序的指令了。从这个过程我们就可以理解，为什么程序分支时，需要两个指令周期了。

3）单字指令，长字指令－因为程序和数据是完全独立存储的，所以指令和数据的宽度可以不一样。PIC单片机的指令宽度有12位，14位和16位几种，分别对应低中高三档的系列。以中档PIC16系列单片机为例，它的指令字长是14位的，我们把它叫做长字指令。如何个“长”法，来看一个例子
PIC单片机 指令示例： MOVLW 0x55 （解释，给W工作寄存器赋立即数55H）
指令机器码： 1100XX 0101 0101
操作码 操作数

MC68HC05 指令示例： LDAA #55H （解释，给A累加器赋立即数55H）
指令机器码：1000 0110 <-操作码
0101 0101 <-操作数
从图示上，你可以清楚的看到PIC16的一条指令是一个14位的长字，这个长字的前面部分是操作码，后半部分是操作数。和其他单片机比较来看，同样功能操作的指令，会被翻译成操作码字节和操作数字节，两个字节。所以，从这里，你可以得到一个概念，就是，PIC的一条长字指令，大约等于其他单片机的两个字节的指令。反映到程序空间上，就是PIC的1K字的程序空间，大约相当于其他单片机的2K字节的程序空间。当然，这个比例不是绝对的，不同的代码会有不一样的比例结果，但是这个1:2的近似结果有助于你在选择PIC单片机型号时作为参考。对于长字指令，还有着另一个好处，就是：程序指针PC指向的任何地方都是一个指令长字，即使PC跑飞，所指向的也是一条合法的长字指令（因为操作码的设计覆盖了所有的二进制组合），这样你就可以方便地用“陷阱”或“填充”等手段来减小PC跑飞带来的误操作。相对应地，操作码和操作数分为两个字节的单片机，一定程序上，存在PC跑飞后把操作数当成操作码来译码的风险。尽管现在的单片机设计都有一定手段来克服这种PC错位，但是它还是没有PIC单片机这种单字指令来得方便。

4）精简指令集，指令功能不重复
字节操作指令
NOP - 空操作
MOVWF f 把W内容送f
CLRW - 清除W
CLRF f 清除f
SUBWF f,d f减去W
DECF f,d f递减1
IORWF f,d W和f逻辑或
ANDWF f,d W和f逻辑与
XORWF f,d W和f逻辑