最近因为工作关系，需要开始重新捡起单片机的技能。实验室负责人比较熟悉8051系列单片机，也勉强给LPC111x系列写过程序。 而当前的目标，则是完整地了解一款PIC18系列的芯片：PIC18F46Q10。

选用这一款芯片的理由，既和工作的内容相关，也来自实验室负责人的一点期望：学习一个比51性能好一些的8比特单片机。 8051系列的设计来自于1980年代，虽然至今备受青睐而且是很多新设计的基础，但作为爱好者，如果只是停留在这个型号上，就会错失很多新的芯片的丰富功能。 而Microchip不仅仅生产繁多的8/16/32比特单片机型号，还免费提供它的IDE和编译器（MPLAB和XC8等）给用户使用，所以实验室负责人决定成为Microchip的粉丝～

自学的小目标

• 熟悉编程环境，学习语法
• 熟悉操作IO口的办法
• 学习PIC18的定时器和定时器中断两个模块

PIC18F46Q10 vs AT89S51/52

• 电压范围：PIC18可以使用1.8V-5.5V电压，以前的AT89S51只好使用5V。
• 时钟频率：PIC18可以上到64MHz，指令频率是Fosc/4=16MHz，而51单片机是Fosc/12，就算用32MHz的时钟，指令频率也不过2MHz多一点。
• ……

使用的硬件和软件

软件：MPLAB X，可以直接从microchip的网站上下载，安装免费。

——需要单独安装编译器，至少安装XC8。如果希望以后学习其他的16/32位单片机，可以安装相应的软件。

硬件：买了一个PICKIT 4的调试器，大约50欧元，支持ICSP和JTAG，除了PIC系列，也可以给其他支持JTAG标准的单片机编程，颇为值得购买。

另外，为了减少硬件上的烦劳，我买了一个OLIMEX PIC-USB-455x 的开发板，如图：

板上有一个按钮，一个LED灯。其他位置留给我们自行开发。

用MPLAB和XC8给单片机编程

XC8是C语言的编译器，结合MPLAB的开发环境，就可以很方便地编写和编译程序。PICKIT 4在Ubuntu下是即插即用的，无须安装驱动，MPLAB可以自动识别。

编程本身，其实C语言技术上还是大同小异。而重点是要仔细阅读单片机的数据手册。 很多问题的答案都在这份700多页的大部头文件里。

1. 用 MPLAB+XC8 进行基本的项目设置

在MPLAB中新建项目之后，注意选择器件型号。这样才能对相应的单片机生成正确的机器码。 作为一个弯路，我曾经试图在Protel中给PIC18F4550的虚拟器件加载PIC18F46Q10的代码，并不可行，因为不同器件内部的地址分配是不同的。（以前8051单片机相对宽松，因为遵循的老标准已经成为了传统……）

需要包含的文件

新项目需要包含的代码，至少是有main()这个函数。这一点和C语言相同。

因为不可避免地需要操作单片机的各种寄存器，需要引用xc.h这个文件。

除此之外，就是需要设定必要的配置位，让单片机运行在符合其电路设计的状态下。

单片机的配置位

配置位（Configure Bits）用于设定单片机运行的初始状态。这里面最重要的是时钟源的设置。如果设置不当，单片机将无法正确启动。

除此之外，单片机运行监控，看门狗，程序存储器和代码保护的设定，也都在配置位里。PIC18有CONFIG1到CONFIG5共5个配置位，参数繁多。为了简化各种型号单片机的配置位设定，MPLAB自带Set Configuration Bits这个工具（在Production菜单下），可以据此生成适当的代码，粘贴到程序文件中即可。

2. 控制一个IO口，点亮开发板上的LED，然后闪烁

查阅开发板的资料，我们知道，LED连接在RD3这个引脚上。当引脚为0，接受灌电流的时候，灯就会点亮。

由51单片机的经验，我想当然地认为：类似 RD3=0 这样的语法就可以了。换作XC8的语法就是：

PORTDbits.RD3 = 0;

但是，灯并没有点亮。查阅数据手册第5章，得知PIC18的IO口非常复杂，功能繁多。下图是这个单片机一个IO口的逻辑关系图：

注意到IO口的读写有4条线路：

1. 写入控制IO口的数据锁存器，LATx
2. 写入IO口本身，PORTx
3. 读取IO口PORTx
4. 读取IO口对应的数据锁存器，LATx

其中，1和2是同一条线路，实际上效果是相同的。这就是数据手册里说的，写入IO口总是写入IO口对应的数据锁存器上。 但是3和4区别在于，读取PORTx会读到IO口上的实际逻辑电位，而读取LATx读到的是之前写入的IO口上应具有的逻辑电位。

同时注意到，在输出时，锁存器要经过TRISx这个逻辑门。后者在设定为0的时候才可以启用。所以，我们需要至少设定IO口的输出驱动，TRISx寄存器，才可以让数字写入IO口：TRISD.TRISD3 = 0

而为了获取IO口上的逻辑电位，我们注意到在Read PORTx之前，还有一个受ANSELx控制的与门。因此，如果想要这个功能，也要考虑ANSELx的设定。

那么，如何翻转一个LED的状态呢？

我们希望能让LED闪烁。如果没有经验，我们可能试图使用这样的代码：

while(1){
    PORTDbits.RD3 ^= 1;
    delay();
}

但这样的代码并不能成功。可以看到IO口维持在同一个状态不动。

根据前面的分析，应该可以看出这段代码的问题。我们希望让RD3的值每次与上次不同。这涉及到一个先读后写（read-and-write）的过程。 程序需要首先读出RD3的值，然后将其翻转，写回RD3中。

然而，读取RD3是有条件的，必须让ANSELx=0。否则，读取到的不是对应引脚的实际逻辑电平。但另一方面，我们也无需读取实际引脚的逻辑电平，只要翻转IO口上的锁存器，也可以达到一样的效果。 所以，我们可以用如下代码：

TRISDbits.TRISD3 = 0; // 无论哪种方案，都必须设定引脚的输出功能。

// 方案1
LATDbits.LATD3 ^= 1; // 读写IO口锁存器

// 方案2
ANSELDbits.ANSELD3 = 0; // RD3引脚关闭模拟输入。启用施密特触发器或者TTL电平输入。
PORTDbits.RD3 ^= 1;

3. 定时器和中断

在前面的热身练习完成后，我们尝试学习一点复杂而重要的东西：PIC18的中断系统。

作为一个小目标，我们希望利用定时器——而不是基于循环的延时功能——实现灯的闪烁。

阅读数据手册

认识中断系统最重要的“地图”，就是数据手册上的中断逻辑图，如下：

PIC18的中断系统有很多特点，比较重要的是：

PIC18的中断可以配置为具有高低优先级的工作模式，或者兼容低端单片机的模式。 在启用优先级的时候，高优先级的中断一旦出现，会屏蔽低优先级的中断。 这是因为在图的右侧，高优先级的中断输出，同时经过一个非门，输入给了低优先级的中断路径上的一个与门。 只有当高优先级的中断执行完毕，才有可能执行低优先级的中断。

所有的中断源，比如定时器、外部中断、各种片上设备产生的中断，都可以被分配到两个优先级。 这是因为在图的左边，各种中断源都有对应一个IPR控制位（Interrupt Priority Register），分配中断源的优先级归属。 一个中断源会否产生中断，由3个控制位共同决定：中断优先级，中断启用（PIE）和中断请求（PIR）。然而，产生中断的逻辑实际上分为两路，互为镜像，分别是(PIE and PIR) and IPR和(PIE and PIR) and !IPR， 所以实际上一个中断的产生，并不受中断优先级控制，只和中断启用与中断请求相关。

特别是注意到，在IPEN（中断优先级启用控制）位为0的时候，所有的中断源都能产生中断并向右发送。 中断优先级的作用只是控制中断信号的路径，但IPEN=0时所有路径都是开放的。只有IPEN=1时，路径才会根据优先级不同经过复杂的控制逻辑输出。

PIR0与其他中断不同。 我们注意到PIR0一路的中断，绕过了PEIE的控制，只受到GIE（中断全局开关）的控制。只要GIE=1，PIR0上的中断源都可以产生中断。 PEIE可以理解成为内部中断，其不包括PIR0中的5个中断源：定时器0，引脚电平变化(Interrupt on Change, IOC)和3个外部输入中断。 相比之下，为了启用片上其他功能的中断，比如EUSART（串行口）、其他的定时器等， 不仅要设定对应中断源的PIE，还可能需要启用PEIE这个开关（内部中断启用）——但只是在IPEN=0，即没有启用中断优先级的时候，才需要做这一点。

方案：定时器0中断实现灯的闪烁

定时器0是一个8位或者16位的定时器/计数器，可以从多个输入源获得计数脉冲。可能的输入有：

1. CLC1（可配置的逻辑模块）的输出
2. 多种内部振荡器的脉冲
3. 芯片时钟/4
4. 根据T0CKIPPS的设定所决定的外部引脚

我们这里只考虑使用芯片时钟作为计数脉冲，并使用定时器的16位模式。在这种模式下，定时器0会不停的从0x0000计数到0xFFFF，然后重新开始。在溢出的时候可以产生一个中断。为此，配置

T0CON1bits.T0CS = 2; // Fosc/4
T0CON0bits.T016BIT = 1;

因为时钟的速度比较快，比如我们本例中使用32MHz的振荡器（内部64MHz振荡器经过分频2:1），脉冲频率=振荡器频率/4=8MHz，即使计数到0xFFFF=65535也只需要0.008秒。 为了让效果明显一点，我们使用时钟脉冲的预分频器

T0CON1bits.T0CKPS = 0xA; // Prescalar 1:1024

让计数器溢出的频率变为8秒。

最后，使用

T0CON0bits.T0EN = 1;

即可启用时钟。

中断：启用中断，编写服务程序

仅仅启用时钟，并不能实现我们的目标。为了让时钟产生中断，并在中断中更改LED的状态，首先要编写中断服务程序。

中断服务程序(Interrupt Service Routine)是一个特殊的函数，我们这里命名为isr，其声明的格式和内容如下：

void __interrupt(high_priority) isr (void){
    if(PIR0bits.TMR0IF){
        LATDbits.LATD3 ^= 1;
        PIR0bits.TMR0IF = 0;
    }   
}

在这个程序中，我们需要用if首先判断是谁引起了中断。和一些高档的单片机可能不同，PIC18的中断优先级只有2个。所以，每个级别上的中断都可能由多个中断源引发。 这样，我们的函数就必须是一个“多面手”，可以应对所有可能的情况。

其次，注意到在if判断的结尾，我们重新将PIR0bits.TMR0IF清零。 这一步是非常重要的！一个中断请求产生后，必须手动消除这个中断请求。否则，下一个中断将还是由它引发。

p.s. 我们知道GIE是全局中断开关。实际上这个开关在中断发生后也有变化：它会自动清零。 但是，我们需不需要在ISR中重新启用GIE呢？这一点数据手册上说得很明白：在退出ISR之后，GIE会重新置1。 这也提示我们有一些操作不能在ISR中完成：比如关闭中断全局开关！

最后一步，就是启用中断了。根据前面的分析，我们需要注意如下几个控制位：

PIE0bits.TMR0IE = 1;
INTCONbits.IPEN = 0;        // traditional mode, no priority
INTCONbits.GIE_GIEH = 1;