Система команд PIC16

Ядро и регистры

Ядро mid-range построено по гарвардской схеме: память программ состоит из 14-битных слов, память данных — из байтов, и шины у них раздельные. Арифметика и логика работают с аккумулятором W и одним байтом памяти данных. Регистры периферии и ОЗУ общего назначения в PIC адресуются одинаково и называются регистрами (file registers), отсюда буква f в операндах. Отдельного набора рабочих регистров, как r0–r31 у AVR, нет: в сложении участвует любой байт ОЗУ, но вторым операндом всегда служит W.

Регистры ядра, которые нужны для понимания команд, у PIC16F877A доступны из любого банка (таблица 2-1 даташита):

Регистр STATUS

После включения питания STATUS = 0001 1xxx, то есть выбран банк 0. Если STATUS сам служит приёмником команды, которая меняет флаги, запись в Z, DC и C не выполняется — их задаёт результат операции. Например, CLRF STATUS сбросит старшие биты, но установит Z. Поэтому даташит советует менять STATUS только командами BCF, BSF, SWAPF и MOVWF, которые флагов не трогают.

Форматы команд и операнды

Команды делятся на три группы: байтовые операции с регистром, битовые операции с регистром и операции с константой и управления. Поля 14-битного слова (рисунок 15-1 даташита DS39582C, номера битов сверху):

                    13          8   7   6               0
Байтовые           |  код (6)    | d |  f — адрес (7)    |
                    13      10  9      7  6              0
Битовые            | код (4)  | b — бит (3) | f — адрес (7) |
                    13          8  7                     0
С константой       |  код (6)    |  k — константа (8)     |
                    13    11  10                         0
CALL и GOTO        | код (3) |  k — адрес (11)           |

Короткий код операции у CALL и GOTO оставляет место для 11-битного адреса, длинный у байтовых команд — для двух операндов. Именно переменная длина кода у команд с операндами, от 3 до 6 бит, позволяет уложить 35 команд в 14 бит (руководство DS33023A, раздел 5.2). У команд с одним операндом или без операндов код длиннее: у CLRF и MOVWF он занимает 7 бит, у CLRW — тоже 7 (остальные биты безразличны), а у RETURN, RETFIE, SLEEP и CLRWDT кодом служит всё 14-битное слово.

Как это выглядит в машинном коде:

Таблица команд PIC16

Все 35 команд — по таблице 15-2 даташита PIC16F87XA; в даташите PIC16F628A таблица та же. В колонке «Циклы» указаны машинные циклы по 4 периода генератора; «1 (2)» означает 2 цикла, если пропуск сработал. «Приёмник» — W при d = 0 или регистр f при d = 1. Колонка «Флаги» перечисляет биты STATUS, которые команда может изменить.

Байтовые команды

Битовые команды

Команды с константой и управления

Любая команда, которая меняет счётчик команд, например addwf PCL, f, тоже выполняется за 2 цикла: второй цикл уходит на NOP (примечание 3 к таблице 15-2). Ещё два кода, OPTION (00 0000 0110 0010) и TRIS f (00 0000 0110 0fff), описаны в даташите PIC16F628A для совместимости со старыми PIC16C5X, но в таблицу 15-2 не входят: Microchip рекомендует их не использовать, а регистры OPTION_REG и TRISx записывать обычной MOVWF.

Флаги и сравнения

ADDWF, ADDLW, SUBWF и SUBLW меняют C, DC и Z; ANDWF, IORWF, XORWF, их варианты с константой, MOVF, INCF, DECF, COMF, CLRF и CLRW — только Z; RLF и RRF — только C. Команды пропуска DECFSZ и INCFSZ, пересылка MOVWF, SWAPF и битовые команды флагов не меняют.

Вычитание выполняется сложением с дополнительным кодом, поэтому флаг C после SUBWF и SUBLW означает «заёма не было»: C = 1, если результат положителен или равен нулю, и C = 0, если отрицателен (примеры к SUBLW в даташите PIC16F628A). Отдельных команд сравнения и условного перехода у PIC16 нет — сравнивают вычитанием, а ветвятся пропуском по флагу:

; if (val_a >= val_b) goto a_ge_b   -- unsigned 8-bit compare
        movf    val_b, w        ; W = val_b
        subwf   val_a, w        ; W = val_a - val_b, C = 1 when there was no borrow
        btfsc   STATUS, 0       ; C = 0 means val_a < val_b: skip the jump
        goto    a_ge_b

INCF и DECF флаг C не трогают, поэтому перенос в старший байт 16-битного счётчика ловят по Z:

; cnt_h:cnt_l += 1
        incf    cnt_l, f        ; low byte + 1; Z = 1 when it wraps to 0x00
        btfsc   STATUS, 2       ; Z = 0: no carry, skip
        incf    cnt_h, f

Сложения с переносом у mid-range нет, и 16-битная сумма собирается из шести команд — всегда за 6 циклов, сработает пропуск или нет:

; sum_h:sum_l += add_h:add_l
        movf    add_l, w
        addwf   sum_l, f        ; low bytes, C = carry out
        btfsc   STATUS, 0       ; no carry: skip the increment
        incf    sum_h, f        ; propagate the carry
        movf    add_h, w
        addwf   sum_h, f        ; high bytes

Сумма получается верной по модулю 65 536, но флаг C в конце не всегда показывает перенос из старшего байта: если INCF превратил 0xFF в 0x00, перенос потерялся, потому что INCF флаг C не меняет.

RLF и RRF сдвигают через C, так что для умножения или деления на 2 флаг C сначала сбрасывают: bcf STATUS, 0, затем rlf x, f — и в младший бит войдёт 0.

Банки памяти данных

Память данных разбита на банки по 128 байтов: в каждом сначала идут регистры специальных функций, затем ОЗУ общего назначения. В коде команды есть только 7 младших бит адреса, а банк задают биты RP1:RP0. У PIC16F877A четыре банка и 368 байтов ОЗУ; верхние 16 байтов каждого банка, 70h–7Fh, общие для всех банков, и обращение к ним не требует переключения. Часто используемые регистры — STATUS, PCLATH, INTCON, FSR — продублированы во всех банках.

; PIC16F877A: make RB0 an output and drive it high
        bsf     STATUS, 5       ; RP0 = 1: bank 1 (RP1 is 0 after reset)
        bcf     TRISB, 0        ; TRISB = 0x86, only 0x06 goes into the opcode
        bcf     STATUS, 5       ; back to bank 0
        bsf     PORTB, 0        ; PORTB = 0x06, RB0 = 1

Ассемблер помещает в команду младшие 7 бит адреса TRISB, а то, что это банк 1, программист обеспечивает сам. Если забыть переключить банк, bcf TRISB, 0 изменит регистр с адресом 06h в банке 0 — то есть PORTB. Директива BANKSEL подставляет нужные команды выбора банка автоматически и одинаково работает в MPASM и PIC Assembler.

Для косвенной адресации адрес кладут в FSR и обращаются к INDF. Полный 9-битный адрес составляют 8 бит FSR и бит IRP регистра STATUS:

; Clear 16 bytes at 0x20-0x2F (bank 0) through FSR/INDF
        bcf     STATUS, 7       ; IRP = 0: FSR points into banks 0 and 1
        movlw   0x20
        movwf   FSR             ; first byte
clear_next:
        clrf    INDF            ; clears the byte FSR points to
        incf    FSR, f
        movlw   0x30
        xorwf   FSR, w          ; Z = 1 when FSR reaches 0x30
        btfss   STATUS, 2
        goto    clear_next

Страницы памяти программ и PCLATH

Счётчик команд PIC16F877A 13-битный и адресует 8K слов: адрес сброса 0000h, вектор прерывания 0004h. В CALL и GOTO помещается только 11 бит адреса, поэтому память программ делится на страницы по 2K слов, а два старших бита адреса берутся из PCLATH<4:3>:

У PIC16F628A с памятью 2048 слов страница одна, и страничные биты не нужны. При записи в PCL, как в табличном переходе, старшие биты счётчика берутся из PCLATH<4:0> целиком. RETURN, RETLW и RETFIE снимают со стека полный 13-битный адрес, но PCLATH не меняют: после вызова подпрограммы в другой странице следующий GOTO уйдёт не туда, если не вернуть PCLATH.

; Call a routine located in page 1 (0x0800-0x0FFF) from page 0
        bsf     PCLATH, 3       ; PCLATH<4:3> = 01: page 1
        bcf     PCLATH, 4
        call    far_routine     ; low 11 address bits come from the opcode
        bcf     PCLATH, 3       ; page 0 again before the next GOTO or CALL here

Директива PAGESEL записывает страницу метки в PCLATH сама, а в PIC Assembler есть ещё псевдокоманды fcall и ljmp, которые совмещают выбор страницы и переход (руководство DS50002973B, раздел 3.4).

Табличный переход и RETLW

Самый простой способ хранить константы в памяти программ PIC16 — таблица из команд RETLW: подпрограмма прибавляет к PCL смещение из W и попадает на нужную RETLW, которая возвращается с константой в W. Пример — коды цифр для семисегментного индикатора с общим катодом, сегменты a–g на битах 0–6:

; In:  W = digit 0...3
; Out: W = segment pattern; the table must not cross a 256-word boundary
        movlw   high(seg_table) ; PCLATH = upper bits of the table address
        movwf   PCLATH
        movf    digit, w
        call    seg_table       ; 2 cycles
        movwf   PORTB
        ; ...
seg_table:
        addwf   PCL, f          ; PC = PCLATH:(PCL + W), 2 cycles
        retlw   0x3F            ; 0: a b c d e f
        retlw   0x06            ; 1: b c
        retlw   0x5B            ; 2: a b d e g
        retlw   0x4F            ; 3: a b c d g

PCL складывается с W как 8-битное число, перенос в PCLATH не идёт. Если таблица пересекает границу блока в 256 слов, переход с большим индексом окажется в начале того же блока — даташит отдельно предупреждает об этом в разделе о вычисляемом переходе.

Стек и прерывания

Стек PIC16F877A — 8 уровней по 13 бит. Он не входит ни в память программ, ни в память данных, указатель стека недоступен. В стек попадает адрес возврата при CALL и при входе в прерывание, снимается он командами RETURN, RETLW и RETFIE. Стек кольцевой: девятый вызов затрёт адрес первого, и никакого флага переполнения нет. Прерывание тоже занимает уровень, поэтому основная программа может вложить вызовы не глубже семи уровней, если обработчик сам никого не вызывает.

При входе в прерывание процессор сбрасывает GIE, кладёт адрес возврата в стек и переходит на 0004h, а RETFIE снова устанавливает GIE. W, STATUS и PCLATH аппаратно не сохраняются — это делает обработчик. Переменные для них удобно держать в общей области 70h–7Fh, доступной из любого банка:

; Interrupt entry at 0x0004 (PIC16F876A/877A)
w_save      equ 0x70            ; common RAM: same byte in every bank
status_save equ 0x71
pclath_save equ 0x72

isr:
        movwf   w_save          ; W first: the bank is still unknown
        swapf   STATUS, w       ; SWAPF copies STATUS without touching Z
        clrf    STATUS          ; bank 0, IRP = 0
        movwf   status_save     ; stored with nibbles swapped
        movf    PCLATH, w
        movwf   pclath_save
        clrf    PCLATH          ; page 0 for GOTO and CALL inside the handler
        ; ... handle and clear the interrupt flags ...
        movf    pclath_save, w
        movwf   PCLATH
        swapf   status_save, w  ; swap back: original STATUS, bank bits included
        movwf   STATUS
        swapf   w_save, f       ; two SWAPFs restore W
        swapf   w_save, w       ;   without changing Z
        retfie                  ; pops the return address, sets GIE

Последовательность повторяет пример 14-1 даташита DS39582C (стр. 154), комментарии наши. SWAPF здесь нужна по двум разным причинам. STATUS сохраняется командой SWAPF и потому лежит в памяти с переставленными тетрадами: при восстановлении вторая SWAPF возвращает исходный вид, а MOVWF STATUS записывает флаги и биты банка. Для W важно другое: STATUS к этому моменту уже восстановлен, и movf w_save, w испортила бы флаг Z, а две SWAPF подряд возвращают W, не меняя флагов. Флаг источника прерывания обработчик должен сбросить сам до выхода, иначе прерывание повторится сразу после RETFIE.

Общая область 70h–7Fh есть у PIC16F876A/877A и у PIC16F628A. У PIC16F873A/874A её нет: там переменную для W резервируют с одинаковым смещением в банках 0 и 1 (раздел 14.12 даташита). У PIC12F675 ОЗУ — это 20h–5Fh, и вся эта область одинаково видна из обоих банков (даташит DS41190G, раздел 2.2), так что переменные кладут туда.

Пример: задержка с подсчётом циклов

При кварце 4 МГц машинный цикл длится 1 мкс, и задержку удобно считать прямо в циклах:

; PIC16F877A, PIC16F628A (common RAM at 0x70-0x7F; on PIC12F675 use 0x20-0x5F)
; Delay of W milliseconds at Fosc = 4 MHz (1 cycle = 1 us); W = 0 gives 256 ms
ms_count    equ 0x73
loop_count  equ 0x74

delay_ms:                       ; "call delay_ms": 2 cycles
        movwf   ms_count        ; 1
ms_loop:
        movlw   0xF9            ; 1   249 inner passes
        movwf   loop_count      ; 1
inner:
        nop                     ; 1
        decfsz  loop_count, f   ; 1, or 2 on the last pass
        goto    inner           ; 2
        decfsz  ms_count, f     ; 1, or 2 on the last millisecond
        goto    ms_loop         ; 2
        return                  ; 2

Проход внутреннего цикла занимает 4 цикла, последний — 3, поэтому 249 проходов дают 4 · 249 − 1 = 995 циклов. Вместе с MOVLW, MOVWF, DECFSZ и GOTO одна миллисекунда — ровно 1000 циклов, а последняя на цикл короче. С вызовом, первой MOVWF и возвратом:

При N = 10 это 10 004 мкс. Прерывания удлиняют задержку на время своих обработчиков; для точных интервалов лучше таймер.

Ядро enhanced mid-range: PIC16F1xxx

В семействах PIC12F1xxx и PIC16F1xxx — например, PIC16F1825, PIC16F1829 и PIC16F18877 — работает обновлённое ядро enhanced mid-range. Слово команды осталось 14-битным, и все 35 команд на месте, но их стало 49 — к ним добавились 14 новых, — а модель памяти заметно изменилась.

Регистры ядра — INDF0, INDF1, PCL, STATUS, FSR0L, FSR0H, FSR1L, FSR1H, BSR, WREG, PCLATH и INTCON — занимают первые 12 адресов каждого банка, так что переключать банк ради них не нужно. Через FSR память ОЗУ видна и как непрерывная область: адреса 0x2000–0x29AF указывают на 80-байтные блоки ОЗУ всех банков подряд, и буфер может быть больше одного банка. Если установлен старший бит FSRnH, младшие 15 бит FSR адресуют память программ, и через INDF читается младший байт слова — с одним дополнительным циклом.

14 новых команд

Таблица — по таблице 29-3 даташита PIC16(L)F1825/1829. Если пересчитать мнемоники в самой таблице 29-3, их окажется 51: кроме 49 команд ядра там перечислены унаследованные OPTION и TRIS, которые Microchip в число команд не включает, — 49 = 35 + 14. Поле mm в MOVIW и MOVWI задаёт режим: 00 — преинкремент, 01 — предекремент, 10 — постинкремент, 11 — постдекремент; n выбирает FSR0 или FSR1. Изменение FSR флагов не трогает. Если команда обращается к INDFn, а соответствующий FSR указывает в память программ, она занимает на один цикл больше.

Ширина MOVLB зависит от кристалла. У PIC16F1825 и PIC16F1829 в BSR 5 бит и код 00 0000 001k kkkk, у PIC16F18877 BSR 6-битный (BSR<5:0>, банки 0–63), и MOVLB кодируется как 00 0001 01kk kkkk (таблица 36-4 даташита DS40001825F). При переносе программы между кристаллами это надо учитывать.

Часть новых команд заняла коды, в которых у mid-range стояли безразличные биты x: ADDWFC — в области SUBLW (11 110x), ASRF, LSLF и LSRF — в области RETLW (11 01xx), MOVLP, ADDFSR и BRA — в области MOVLW (11 00xx), MOVIW и MOVWI с индексом k[FSRn] — в области ADDLW (11 111x). Поэтому у PIC16F1825 коды этих команд сужены: например, MOVLW — 11 0000 kkkk kkkk вместо 11 00xx kkkk kkkk; уже стали и коды CLRW и NOP. Остальные новые команды — SUBWFB, BRW, CALLW, RESET, короткие формы MOVIW и MOVWI и 5-битная MOVLB — получили коды, которые у mid-range не использовались вовсе (DS40044G: неиспользуемые коды зарезервированы); только MOVLB 0 (00 0000 0010 0000) совпадает с одним из вариантов NOP mid-range (00 0000 0xx0 0000). Ассемблер записывает безразличные биты нулями, поэтому коды MOVLW, RETLW, ADDLW, SUBLW, CLRW и NOP, собранные для mid-range, совпадают с кодами enhanced mid-range — но совместимости программ это не гарантирует: адреса регистров периферии и схема банков у двух ядер разные.

Те же задачи на новом ядре решаются короче:

; PIC16F1825
; 16-bit addition sum_h:sum_l += add_h:add_l, the final C is the 16-bit carry
        movf    add_l, w
        addwf   sum_l, f        ; low bytes, C = carry out
        movf    add_h, w
        addwfc  sum_h, f        ; high bytes plus C

; RA2 as output, set through the latch: no read-modify-write on the pin
        movlb   1               ; BSR = 1: bank 1
        bcf     TRISA, 2        ; TRISA = 0x08C
        movlb   2               ; bank 2
        bsf     LATA, 2         ; LATA = 0x10C

; Copy 16 bytes through the linear window: 0x2000 -> 0x2050
        movlw   0x20
        movwf   FSR0H
        clrf    FSR0L           ; FSR0 = 0x2000
        movwf   FSR1H
        movlw   0x50
        movwf   FSR1L           ; FSR1 = 0x2050
        movlw   0x10
        movwf   count           ; count lives in common RAM 0x70-0x7F
copy:
        moviw   FSR0++          ; W = *FSR0, then FSR0 + 1
        movwi   FSR1++          ; *FSR1 = W, then FSR1 + 1
        decfsz  count, f
        bra     copy            ; 5 cycles per byte, 4 for the last one

С ADDWFC 16-битное сложение занимает 4 команды вместо 6 у mid-range, и флаг C в конце правильно показывает перенос. Цикл копирования занимает 5 циклов на байт, последний байт — 4, всего 16 · 5 − 1 = 79 циклов. Табличный переход на новом ядре делают командой BRW: она прибавляет W ко всему 15-битному счётчику, поэтому граница блока в 256 слов ей не мешает, а PCLATH для самого перехода загружать не нужно (разд. 3.3.4 даташита DS40001440E).

Чем ассемблировать: MPASM и PIC Assembler

Набор команд от ассемблера не зависит, но синтаксис — да. Для новых проектов Microchip поставляет PIC Assembler в составе компилятора MPLAB XC8 и выпустила руководство по переносу кода с прежнего ассемблера MPASM (DS50002973B). Главные отличия:

• Основание чисел. Число без префикса в MPASM шестнадцатеричное, а в PIC Assembler — десятичное: movlw 10 загрузит 16 или 10 в зависимости от ассемблера. В перенесённом коде можно поставить директиву RADIX hex. Константы в примерах на этой странице записаны с префиксом 0x, который оба ассемблера понимают одинаково.
• Метки. В PIC Assembler после метки обязательно двоеточие, в MPASM оно необязательно.
• Банки и страницы. BANKSEL и PAGESEL работают одинаково. Если опция -Wl,--fixupoverflow не задана, лишние биты банка в адресе линкер PIC Assembler обрезает и отмечает предупреждением в листинге; маскировать адрес явно можно макросом BANKMASK() из <xc.inc>, адрес перехода — макросом PAGEMASK().
• Файлы. Исходник — .s или .S (с препроцессором) вместо .asm; объектные файлы и библиотеки MPASM PIC Assembler не читает.

Частые ошибки

1. Забытый банк. Запись в TRISB (86h), OPTION_REG (81h) или ADCON1 (9Fh) без переключения на банк 1 попадает в регистр банка 0 с теми же младшими 7 битами адреса — в PORTB, TMR0 или ADCON0.
2. Аналоговые выводы после сброса. У PIC16F877A выводы PORTA и PORTE после включения питания — аналоговые входы и читаются как 0, цифровыми их делает ADCON1 (PCFG3:PCFG0 = 011x). У PIC16F628A после сброса компараторы в режиме CM<2:0> = 000, и выводы RA0–RA3 работают как аналоговые входы — их освобождает запись 0x07 в CMCON. У PIC12F675 нужно настроить ANSEL и CMCON.
3. PCLATH после дальнего вызова или таблицы. Подпрограмма в другой странице или табличный переход оставляют в PCLATH чужие биты, и следующий GOTO уходит не туда. Таблица, пересекающая границу 256 слов, возвращает мусор.
4. Переполнение стека. Девятый уровень вложенности молча затирает самый старый адрес возврата. Рекурсия на PIC16 mid-range практически невозможна.
5. Инверсный заём. После SUBWF и SUBLW C = 1 означает «результат не отрицательный». Перепутанная проверка BTFSC или BTFSS даёт ошибку только на части значений.
6. Чтение — модификация — запись. Несколько BSF и BCF подряд на одном порту с нагруженными выводами меняют соседние биты; на mid-range выручает теневой байт в ОЗУ, который целиком копируют в порт, на PIC16F1xxx — регистры LATx.