Ingeniería Inversa de MCU Microchip

Microchip Technology es un fabricante estadounidense de microcontroladores, memorias y semiconductores analógicos. Sus productos incluyen microcontroladores (PICmicro, dsPIC / PIC24, PIC32), dispositivos EEPROM serie, SRAM serie, dispositivos KEELOQ, dispositivos de radiofrecuencia (RF), dispositivos analógicos de gestión térmica, de potencia y de baterías, así como dispositivos lineales, de interfaz y de señal mixta. Algunos de los dispositivos de interfaz incluyen USB, ZigBee/MiWi, Controller Area Network y Ethernet.

La sede corporativa está ubicada en Chandler, Arizona, con fábricas de obleas en Tempe, Arizona y Gresham, Oregón. Las ventas para el año fiscal finalizado el 31 de marzo de 2013 fueron de $1,581,623,000.

 

 

Serie PIC de Microchip

PIC es una familia de microcontroladores con arquitectura Harvard modificada fabricados por Microchip Technology, derivados del PIC1650 desarrollado originalmente por la División de Microelectrónica de General Instrument. El nombre PIC inicialmente se refería a "Controlador de interfaz periférico" (Peripheral Interface Controller).

Los PIC son populares tanto entre desarrolladores industriales como aficionados debido a su bajo costo, amplia disponibilidad, gran base de usuarios, extensa colección de notas de aplicación, disponibilidad de herramientas de desarrollo de bajo costo o gratuitas, y capacidad de programación serie (y reprogramación con memoria flash). También se utilizan comúnmente en la enseñanza de programación, ya que a menudo vienen con el software 'pic logicator' fácil de usar.

Historia

El PIC original fue construido para usarse con la nueva CPU de 16 bits de General Instrument, la CP1600. Aunque era una CPU buena en general, la CP1600 tenía un rendimiento de E/S deficiente, y el PIC de 8 bits se desarrolló en 1975 para mejorar el rendimiento del sistema general descargando tareas de E/S de la CPU. El PIC usaba microcódigo simple almacenado en ROM para realizar sus tareas, y aunque el término no se usaba en ese momento, comparte algunas características comunes con los diseños RISC.

En 1985, General Instrument escindió su división de microelectrónica y la nueva propiedad canceló casi todo, lo que para entonces estaba en su mayoría obsoleto. Sin embargo, el PIC se actualizó con EPROM interna para producir un controlador de canal programable y hoy en día hay una gran variedad de PIC disponibles con diversos periféricos integrados (módulos de comunicación serie, UART, núcleos de control de motores, etc.) y memoria de programa desde 256 palabras hasta 64k palabras y más (una "palabra" es una instrucción en lenguaje ensamblador, que varía de 12, 14 o 16 bits según la familia específica de PIC).

PIC y PICmicro son marcas registradas de Microchip Technology. Generalmente se cree que PIC significa Controlador de Interfaz Periférico, aunque el acrónimo original de General Instruments para los primeros dispositivos PIC1640 y PIC1650 era "Controlador de Interfaz Programable". El acrónimo fue reemplazado rápidamente por "Computadora Inteligente Programable".

El Microchip 16C84 (PIC16x84), introducido en 1993, fue la primera CPU de Microchip con memoria EEPROM en el chip. Esta memoria eléctricamente borrable hizo que costara menos que las CPU que requerían una ventana de cuarzo para borrar la EPROM.

Arquitectura del núcleo

La arquitectura PIC se caracteriza por sus múltiples atributos:

Espacios de código y datos separados (arquitectura Harvard).
Un número reducido de instrucciones de longitud fija
La mayoría de las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo (2 ciclos de reloj, o 4 ciclos en modelos de 8 bits), con un ciclo de retardo en saltos y omisiones
Un acumulador (W0), cuyo uso (como operando fuente) está implícito (es decir, no se codifica en el opcode)
Todas las ubicaciones de RAM funcionan como registros, tanto como fuente como destino de operaciones matemáticas y de otro tipo.
Una pila de hardware para almacenar direcciones de retorno
Una pequeña cantidad de espacio de datos direccionable (32, 128 o 256 bytes, según la familia), ampliado mediante bancos
Los registros de CPU, puertos y periféricos están mapeados en el espacio de datos
Las banderas de estado de la ALU están mapeadas en el espacio de datos
El contador de programa también está mapeado en el espacio de datos y es escribible (esto se usa para implementar saltos indirectos).
No hay distinción entre espacio de memoria y espacio de registros porque la RAM cumple la función de ambos, y la RAM generalmente se denomina archivo de registros o simplemente registros.

 

Espacio de datos (RAM)

Los PIC tienen un conjunto de registros que funcionan como RAM de propósito general. Los registros de control especiales para los recursos de hardware en el chip también están mapeados en el espacio de datos. La direccionabilidad de la memoria varía según la serie de dispositivos, y todos los PIC tienen algún mecanismo de bancos para extender el direccionamiento a memoria adicional. Las series posteriores de dispositivos cuentan con instrucciones de movimiento que pueden cubrir todo el espacio direccionable, independientemente del banco seleccionado. En dispositivos anteriores, cualquier movimiento de registro debía realizarse a través del acumulador.

Para implementar direccionamiento indirecto, se utilizan un "registro selector de archivo" (FSR) y un "registro indirecto" (INDF). Se escribe un número de registro en el FSR, después de lo cual las lecturas o escrituras en INDF realmente se realizan en el registro apuntado por el FSR. Dispositivos posteriores extendieron este concepto con incremento y decremento previo y posterior para mayor eficiencia en el acceso a datos almacenados secuencialmente. Esto también permite tratar el FSR casi como un puntero de pila (SP).

La memoria de datos externa no es directamente direccionable excepto en algunos dispositivos PIC18 de muchos pines.

Espacio de código

El espacio de código generalmente se implementa como ROM, EPROM o flash ROM. En general, la memoria de código externa no es directamente direccionable debido a la falta de una interfaz de memoria externa. Las excepciones son los dispositivos PIC17 y algunos PIC18 de muchos pines.

 

Tamaño de palabra

Todos los PIC manejan (y direccionan) datos en bloques de 8 bits. Sin embargo, la unidad de direccionabilidad del espacio de código no es generalmente la misma que la del espacio de datos. Por ejemplo, los PIC de las familias básicas (PIC12) y de gama media (PIC16) tienen una memoria de programa direccionable en el mismo tamaño de palabra que el ancho de instrucción, es decir, 12 o 14 bits respectivamente. En contraste, en la serie PIC18, la memoria de programa se direcciona en incrementos de 8 bits (bytes), que difiere del ancho de instrucción de 16 bits.

Para mayor claridad, la capacidad de la memoria de programa generalmente se indica en número de instrucciones (de una palabra), en lugar de en bytes.

Pilas

Los PIC tienen una pila de llamadas de hardware, que se usa para guardar las direcciones de retorno. La pila de hardware no es accesible por software en dispositivos anteriores, pero esto cambió con los dispositivos de la serie 18.

El soporte de hardware para una pila de parámetros de propósito general era deficiente en las primeras series, pero esto mejoró mucho en la serie 18, haciendo que la arquitectura de la serie 18 sea más amigable para los compiladores de lenguajes de alto nivel.

Conjunto de instrucciones

Las instrucciones de un PIC varían desde aproximadamente 35 instrucciones para los PIC de gama baja hasta más de 80 instrucciones para los PIC de gama alta. El conjunto de instrucciones incluye instrucciones para realizar una variedad de operaciones en registros directamente, el acumulador y una constante literal, o el acumulador y un registro, así como para ejecución condicional y bifurcaciones de programa.

Algunas operaciones, como el establecimiento y prueba de bits, se pueden realizar en cualquier registro numerado, pero las operaciones aritméticas de dos operandos siempre involucran a W (el acumulador), escribiendo el resultado en W o en el otro registro operando. Para cargar una constante, es necesario cargarla en W antes de que pueda moverse a otro registro. En los núcleos más antiguos, todos los movimientos de registro debían pasar por W, pero esto cambió en los núcleos de "gama alta".

Los núcleos PIC tienen instrucciones de omisión que se utilizan para la ejecución condicional y las bifurcaciones. Las instrucciones de omisión son 'omitir si el bit está establecido' y 'omitir si el bit no está establecido'. Debido a que los núcleos anteriores a PIC18 solo tenían instrucciones de salto incondicional, los saltos condicionales se implementan mediante una omisión condicional (con la condición opuesta) seguida de un salto incondicional. Las omisiones también son útiles para la ejecución condicional de cualquier instrucción única siguiente inmediata. Es posible omitir instrucciones de omisión. Por ejemplo, la secuencia de instrucciones "omitir si A; omitir si B; C" ejecutará C si A es verdadero o si B es falso.

La serie 18 implementó registros sombra que guardan varios registros importantes durante una interrupción, proporcionando soporte de hardware para guardar automáticamente el estado del procesador al atender interrupciones.

En general, las instrucciones PIC se dividen en 5 clases:

Operación en el registro de trabajo (WREG) con operando inmediato de 8 bits ("literal"). Ej: movlw (mover literal a WREG), andlw (AND literal con WREG). Una instrucción peculiar del PIC es retlw, cargar inmediato en WREG y retornar, que se usa con saltos calculados para crear tablas de búsqueda.
Operación con WREG y registro indexado. El resultado puede escribirse en el registro de trabajo (ej: addwf reg,w) o en el registro seleccionado (ej: addwf reg,f).
Operaciones de bits. Toman un número de registro y un número de bit, y realizan una de 4 acciones: establecer o borrar un bit, y probar y saltar si está establecido/borrado. Estos últimos se utilizan para realizar bifurcaciones condicionales. Las banderas de estado habituales de la ALU están disponibles en un registro numerado, por lo que son posibles operaciones como "saltar si el acarreo está borrado".
Transferencias de control. Además de las instrucciones de omisión mencionadas, solo hay dos: goto y call.
Algunas instrucciones misceláneas sin operandos, como retorno de subrutina y sleep para entrar en modo de bajo consumo.
Rendimiento: Las decisiones arquitectónicas están dirigidas a maximizar la relación velocidad-costo. La arquitectura PIC fue una de las primeras en ser de tipo escalar, y sigue siendo una de las más simples y económicas. La arquitectura Harvard (donde las instrucciones y los datos provienen de fuentes separadas) simplifica enormemente el temporizador y el diseño del microcircuito, lo que beneficia la velocidad de reloj, el precio y el consumo de energía.

El conjunto de instrucciones PIC es adecuado para implementar tablas de búsqueda rápidas en el espacio de programa. Dichas búsquedas toman una instrucción y dos ciclos. Muchas funciones pueden modelarse de esta manera. La optimización se facilita por el espacio de programa relativamente grande del PIC (por ejemplo, 4096 × 14 bits en el 16F690) y por el diseño del conjunto de instrucciones, que permite constantes incrustadas. Por ejemplo, el destino de una instrucción de salto puede ser indexado por W, y ejecutar un "RETLW" que hace lo que su nombre indica: retornar con el literal en W.

La latencia de interrupción es constante en tres ciclos de instrucción. Las interrupciones externas deben sincronizarse con el ciclo de instrucción de cuatro relojes, de lo contrario puede haber una fluctuación de un ciclo. Las interrupciones internas ya están sincronizadas. La latencia constante de interrupción permite a los PIC lograr secuencias de temporización de baja fluctuación controladas por interrupciones. Un ejemplo de esto es un generador de pulsos de sincronización de video. Esto ya no es cierto en los modelos PIC más nuevos, porque tienen una latencia de interrupción síncrona de tres o cuatro ciclos.

Ventajas

Conjunto de instrucciones pequeño para aprender
Arquitectura RISC
Oscilador incorporado con velocidades seleccionables
Fácil nivel de entrada, programación en circuito y depuración en circuito con unidades PICKit disponibles por menos de $50
Microcontroladores económicos
Amplia gama de interfaces que incluyen I²C, SPI, USB, USART, A/D, comparadores programables, PWM, LIN, CAN, PSP y Ethernet
Disponibilidad de procesadores en encapsulado DIL que los hacen fáciles de manejar para uso de hobby.
Limitaciones: Un solo acumulador
Es necesario conmutar entre bancos de registros para acceder a toda la RAM de muchos dispositivos
Las operaciones y los registros no son ortogonales; algunas instrucciones pueden direccionar RAM y/o constantes inmediatas, mientras que otras solo pueden usar el acumulador
Las siguientes limitaciones de la pila se han abordado en la serie PIC18, pero aún se aplican a los núcleos anteriores:

La pila de llamadas de hardware no es direccionable, por lo que no se puede implementar la conmutación de tareas preventiva
Las pilas implementadas por software no son eficientes, por lo que es difícil generar código reentrante y soportar variables locales
Con memoria de programa paginada, hay dos tamaños de página a considerar: uno para CALL y GOTO y otro para GOTO calculado (usado típicamente para tablas de búsqueda). Por ejemplo, en PIC16, CALL y GOTO tienen 11 bits de direccionamiento, por lo que el tamaño de página es de 2048 palabras de instrucción. Para GOTO calculado, donde se suma a PCL, el tamaño de página es de 256 palabras de instrucción. En ambos casos, los bits de dirección superiores son proporcionados por el registro PCLATH. Este registro debe cambiarse cada vez que el control se transfiere entre páginas. PCLATH también debe ser preservado por cualquier manejador de interrupciones.

 

Desarrollo de compiladores

Aunque hay varios compiladores comerciales disponibles, en 2008, Microchip lanzó sus propios compiladores C, C18 y C30, para las líneas de procesadores 18F, 24F y 30/33F.

El fácil aprendizaje del conjunto de instrucciones RISC del lenguaje ensamblador PIC puede hacer que el flujo general sea difícil de comprender. El uso juicioso de macros simples puede aumentar la legibilidad del lenguaje ensamblador PIC. Por ejemplo, el ensamblador original de Parallax PIC ("SPASM") tiene macros que ocultan W y hacen que el PIC parezca una máquina de dos direcciones. Tiene instrucciones macro como "mov b, a" (mover datos de la dirección a a la dirección b) y "add b, a" (sumar datos de la dirección a a los datos en la dirección b). También oculta las instrucciones de omisión proporcionando instrucciones macro de bifurcación de tres operandos como "cjne a, b, dest" (comparar a con b y saltar a dest si no son iguales).

 

Diferencias arquitectónicas del núcleo familiar

Los chips PICmicro tienen una arquitectura Harvard y las palabras de instrucción tienen tamaños inusuales. Originalmente, las instrucciones de 12 bits incluían 5 bits de dirección para especificar el operando de memoria y destinos de bifurcación de 9 bits. Revisiones posteriores agregaron bits de opcode, permitiendo bits de dirección adicionales.

Dispositivos de núcleo básico (12 bits): Estos dispositivos cuentan con una memoria de código de 12 bits de ancho, un archivo de registros de 32 bytes y una pila de llamadas de solo dos niveles de profundidad. Están representados por la serie PIC10, así como por algunos PIC12 y PIC16. Los dispositivos básicos están disponibles en encapsulados de 6 a 40 pines.

Generalmente, los primeros 7 a 9 bytes del archivo de registros son registros de propósito especial, y los bytes restantes son RAM de propósito general. Los punteros se implementan utilizando un par de registros: después de escribir una dirección en el FSR (registro selector de archivos), el registro INDF (registro indirecto) se convierte en un alias del registro direccionado. Si se implementa RAM con bancos, el número de banco se selecciona mediante los 3 bits superiores del FSR. Esto afecta a los números de registro 16-31; los registros 0-15 son globales y no se ven afectados por los bits de selección de banco.

Debido al espacio de registro muy limitado (5 bits), a 4 registros raramente leídos no se les asignaron direcciones, sino que se escribían mediante instrucciones especiales (OPTION y TRIS).

El espacio de direcciones ROM es de 512 palabras (12 bits cada una), que puede extenderse a 2048 palabras mediante bancos. Las instrucciones CALL y GOTO especifican los 9 bits bajos de la nueva ubicación de código; los bits de orden superior adicionales se toman del registro de estado. Tenga en cuenta que una instrucción CALL solo incluye 8 bits de dirección y solo puede especificar direcciones en la primera mitad de cada página de 512 palabras.

Las tablas de búsqueda se implementan usando un GOTO calculado (asignación al registro PCL) a una tabla de instrucciones RETLW.

El conjunto de instrucciones es el siguiente. Los números de registro se denominan "f", mientras que las constantes se denominan "k". Los números de bit (0-7) se seleccionan mediante "b". El bit "d" selecciona el destino: 0 indica W, mientras que 1 indica que el resultado se escribe de nuevo en el registro fuente f. Las banderas C y Z se pueden establecer según el resultado; de lo contrario, no se modifican. Las instrucciones de suma y resta (pero no las de rotación) que establecen C también establecen la bandera DC (acarreo digital), el acarreo del bit 3 al bit 4, que es útil para la aritmética BCD.

Mismo opcode que el PIC de 12 bits
†: Instrucción única del conjunto EM78 sin equivalente PIC

Algunos modelos admiten múltiples bancos de ROM o RAM, de manera similar a otros microcontroladores PIC.

Dispositivos de núcleo de gama media (14 bits)

Estos dispositivos cuentan con una memoria de código de 14 bits de ancho y una pila de llamadas mejorada de 8 niveles de profundidad. El conjunto de instrucciones difiere muy poco de los dispositivos básicos, pero los 2 bits de opcode adicionales permiten direccionar directamente 128 registros y 2048 palabras de código. Hay algunas instrucciones misceláneas adicionales y dos instrucciones literales de 8 bits adicionales: suma y resta. El núcleo de gama media está disponible en la mayoría de los dispositivos etiquetados como PIC12 y PIC16.

Los primeros 32 bytes del espacio de registros están asignados a registros de propósito especial; los 96 bytes restantes se utilizan para RAM de propósito general. Si se utiliza RAM con bancos, los 16 registros superiores (0x70–0x7F) son globales, al igual que algunos de los registros de propósito especial más importantes, incluido el registro de estado que contiene los bits de selección de banco de RAM. (Los otros registros globales son FSR e INDF, los 8 bits bajos del contador de programa PCL, el registro de precarga alta del PC PCLATH, y el registro de control maestro de interrupciones INTCON).

El registro PCLATH suministra bits de dirección de instrucción de orden superior cuando los 8 bits suministrados por una escritura en el registro PCL, o los 11 bits suministrados por una instrucción GOTO o CALL, no son suficientes para direccionar el espacio ROM disponible.

Dispositivos de núcleo de gama media mejorada (14 bits)

Los dispositivos de núcleo de gama media mejorada introducen una pila de hardware más profunda, métodos de reinicio adicionales, 14 instrucciones adicionales y optimizaciones para el lenguaje de programación C. En particular, hay dos registros INDF (INDF0 e INDF1) y dos pares de registros FSR correspondientes (FSRnL y FSRnH). Las instrucciones especiales utilizan los registros FSRn como registros de dirección, con una variedad de modos de direccionamiento.

Instrucciones adicionales mejoradas de 14 bits PIC

13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0	Mnemónico	¿C?	¿Z?	Descripción
0	0	0	0	0	0	0	opcode							Instrucciones misceláneas
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	RESET			Reinicio por software
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	0	CALLW			Empujar PC, luego saltar a PCLATH:W
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1	BRW			PC ← PC + W, salto relativo usando W
0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	n	0	0	MOVIW ++FSRn		Z	Incrementar FSRn, luego W ← INDFn
0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	n	0	1	MOVIW −−FSRn		Z	Decrementar FSRn, luego W ← INDFn
0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	n	1	0	MOVIW FSRn++		Z	W ← INDFn, luego incrementar FSRn
0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	n	1	1	MOVIW FSRn−−		Z	W ← INDFn, luego decrementar FSRn
0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	n	m		MOVWI usando FSRn			INDFn ← W, mismos modos que MOVIW
0	0	0	0	0	0	0	0	1	k					MOVLB k			BSR ← k, mover literal al registro de selección de banco
1	1	opcode				d	registro							Operaciones ALU: dest ← OP(f,W)
1	1	0	1	0	1	d	f							LSLF f,d	C	Z	dest ← f << 1, desplazamiento lógico a la izquierda
1	1	0	1	1	0	d	f							LSRF f,d	C	Z	dest ← f >> 1, desplazamiento lógico a la derecha
1	1	0	1	1	1	d	f							ASRF f,d	C	Z	dest ← f >> 1, desplazamiento aritmético a la derecha
1	1	1	0	1	1	d	f							SUBWFB f,d	C	Z	dest ← f + ~W + C, restar con acarreo
1	1	1	1	0	1	d	f							ADDWFC f,d	C	Z	dest ← f + W + C, sumar con acarreo
1	1	opcode				k								Operaciones con literal k
1	1	0	0	0	1	0	n	k						ADDFSR FSRn,k			FSRn ← FSRn + k, sumar desplazamiento con signo de 6 bits
1	1	0	0	0	1	1	k							MOVLP k			PCLATH ← k, mover literal de 7 bits al latch alto del PC
1	1	0	0	1	k									BRA k			PC ← PC + k, salto relativo usando desplazamiento con signo de 9 bits
1	1	1	1	1	1	0	n	k						MOVIW k[FSRn]		Z	W ← [FSRn+k], desplazamiento con signo de 6 bits
1	1	1	1	1	1	1	n	k						MOVWI k[FSRn]			[FSRn+k] ← W, desplazamiento con signo de 6 bits
13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0	Mnemónico	¿C?	¿Z?	Descripción

Dispositivos de núcleo de gama alta PIC17 (16 bits)

La serie 17 nunca fue popular y ha sido reemplazada por la arquitectura PIC18. No se recomienda para nuevos diseños y su disponibilidad puede ser limitada.

Las mejoras con respecto a los núcleos anteriores son opcodes de 16 bits de ancho (que permiten muchas instrucciones nuevas) y una pila de llamadas de 16 niveles de profundidad. Los dispositivos PIC17 se produjeron en encapsulados de 40 a 68 pines.

La serie 17 introdujo varias características nuevas importantes:

un acumulador mapeado en memoria
acceso de lectura a la memoria de código (lecturas de tabla)
movimientos directos de registro a registro (los núcleos anteriores necesitaban mover registros a través del acumulador)
una interfaz de memoria de programa externa para expandir el espacio de código
un multiplicador de hardware de 8x8 bits
un segundo par de registros indirectos
incremento/decremento automático controlado por bits en un registro de estado (ALUSTA)
Dispositivos de núcleo de gama alta PIC18 (16 bits): Microchip introdujo la arquitectura PIC18 en el año 2000. A diferencia de la serie 17, ha resultado muy popular, con una gran cantidad de variantes de dispositivos fabricados actualmente. En contraste con los dispositivos anteriores, que se programaban más frecuentemente en ensamblador, C se ha convertido en el lenguaje de desarrollo predominante.

La serie 18 hereda la mayoría de las características e instrucciones de la serie 17, al tiempo que agrega una serie de nuevas características importantes:

la pila de llamadas es de 21 bits de ancho y mucho más profunda (31 niveles de profundidad)
la pila de llamadas se puede leer y escribir (registros TOSU:TOSH:TOSL)
instrucciones de salto condicional
modo de direccionamiento indexado (PLUSW)
extensión de los registros FSR a 12 bits, lo que permite direccionar linealmente todo el espacio de direcciones de datos
la adición de otro registro FSR (elevando el número a 3)
El espacio RAM es de 12 bits, direccionado utilizando un registro de selección de banco de 4 bits y un desplazamiento de 8 bits en cada instrucción. Un bit de "acceso" adicional en cada instrucción selecciona entre el banco 0 (a=0) y el banco seleccionado por el BSR (a=1).

También hay disponible una pila de 1 nivel para los registros STATUS, WREG y BSR. Se guardan en cada interrupción y se pueden restaurar al retornar. Si las interrupciones están deshabilitadas, también se pueden usar en llamadas/retornos de subrutina estableciendo el bit s (agregando ", FAST" a la instrucción).

La característica de incremento/decremento automático se mejoró eliminando los bits de control y agregando cuatro nuevos registros indirectos por FSR. Dependiendo de a qué registro de archivo indirecto se acceda, es posible post-decrementar, post-incrementar o pre-incrementar FSR; o formar la dirección efectiva sumando W a FSR.

En dispositivos PIC18 más avanzados, hay disponible un "modo extendido" que hace que el direccionamiento sea aún más favorable para el código compilado:

un nuevo modo de direccionamiento con desplazamiento; algunas direcciones que eran relativas al banco de acceso ahora se interpretan como relativas al registro FSR2
la adición de varias instrucciones nuevas, especialmente para manipular los registros FSR.
Estos cambios estaban orientados principalmente a mejorar la eficiencia de la implementación de una pila de datos. Si FSR2 se usa como puntero de pila o puntero de marco, los elementos de la pila pueden indexarse fácilmente, lo que permite un código reentrante más eficiente. El compilador MPLAB C18 de Microchip elige usar FSR2 como puntero de marco.

Microcontroladores de 16 bits PIC24 y dsPIC

En 2001, Microchip introdujo la serie dsPIC, que entró en producción en masa a finales de 2004. Son los primeros microcontroladores inherentemente de 16 bits de Microchip. Los dispositivos PIC24 están diseñados como microcontroladores de propósito general. Los dispositivos dsPIC incluyen capacidades de procesamiento digital de señales (DSP) adicionales.

Aunque todavía son similares a las arquitecturas PIC anteriores, hay mejoras significativas:

Todos los registros son de 16 bits de ancho
El espacio de direcciones de datos se expande a 64 Kbytes
Los primeros 2K están reservados para registros de control periférico
No se requiere conmutación de bancos de datos a menos que la RAM supere los 62K
El direccionamiento directo "operando f" se extiende a 13 bits (8 Kbytes)
Hay 16 registros W disponibles para operaciones registro-registro.
(Pero las operaciones con operandos f siempre hacen referencia a W0.)

El contador de programa es de 22 bits (Bits 22:1; el bit 0 siempre es 0)
Las instrucciones son de 24 bits de ancho
Las instrucciones vienen en formas de byte (B=1) y palabra de 16 bits (B=0)
La pila está en RAM (con W15 como puntero de pila); no hay pila de hardware
W14 es el puntero de marco
Los datos almacenados en ROM se pueden acceder directamente ("Visibilidad del espacio de programa")
Se admiten vectores de interrupción para diferentes fuentes de interrupción.
Algunas características son:

MAC de hardware (multiplicación-acumulación)
desplazamiento de barril
inversión de bits
multiplicación de un solo ciclo de (16x16) bits y otras operaciones DSP
asistencia de división por hardware (19 ciclos para división de 16/32 bits)
soporte de hardware para indexación de bucles
Acceso directo a memoria
Los dsPIC se pueden programar en C utilizando el compilador C30 de Microchip, que es una variante de GCC.

La ROM de instrucciones es de 24 bits de ancho. El software puede acceder a la ROM en palabras de 16 bits, donde las palabras pares contienen los 16 bits menos significativos de cada instrucción, y las palabras impares contienen los 8 bits más significativos. La mitad alta de las palabras impares se lee como cero. El contador de programa es de 23 bits de ancho, pero el bit menos significativo siempre es 0, por lo que hay 22 bits modificables.

Las instrucciones vienen en 2 variedades principales. Una es como las instrucciones PIC clásicas, con una operación entre W0 y un valor en un registro f especificado (es decir, los primeros 8K de RAM), y un bit de selección de destino que selecciona cuál se actualiza con el resultado. Los registros W están mapeados en memoria, por lo que el operando f puede ser cualquier registro W,

La otra forma, nueva en el PIC24, especifica 3 operandos de registro W, 2 de los cuales permiten una especificación de modo de direccionamiento de 3 bits:

El modo de direccionamiento con desplazamiento de registro solo está disponible para instrucciones de 2 operandos. Las instrucciones de 3 operandos usan Ww como segunda fuente de operando, y usan esta codificación para una fuente inmediata sin signo de 5 bits. Tenga en cuenta que el mismo Ww puede agregarse tanto a Wd como a Ws.

Algunas instrucciones tienen 2 palabras de largo. La segunda palabra es un NOP, que incluye hasta 16 bits de operando inmediato adicional.

 

Microcontroladores de 32 bits PIC32

En noviembre de 2007, Microchip presentó la nueva familia de microcontroladores de 32 bits PIC32MX. La línea inicial de dispositivos se basa en el núcleo MIPS32 M4K estándar de la industria. El dispositivo se puede programar usando el compilador MPLAB C para PIC32 MCU de Microchip, una variante del compilador GCC. Los primeros 18 modelos actualmente en producción (PIC32MX3xx y PIC32MX4xx) son compatibles pin a pin y comparten el mismo conjunto de periféricos que la familia PIC24FxxGA0xx de dispositivos de 16 bits, lo que permite el uso de bibliotecas, software y herramientas de hardware comunes. Hoy en día, hay disponibles desde encapsulados de 28 pines en QFN pequeños hasta dispositivos de alto rendimiento con Ethernet, CAN y USB OTG, abarcando una gama completa de microcontroladores de 32 bits de gama media.

La arquitectura PIC32 aporta una serie de nuevas características a la cartera de Microchip, incluyendo:

La mayor velocidad de ejecución: 80 MIPS (120+ MIPS Dhrystone @ 80 MHz)
La memoria flash más grande: 512 kByte
Ejecución de una instrucción por ciclo de reloj
El primer procesador con caché
Permite la ejecución desde RAM
Capacidades USB Full Speed Host/Dual Role y OTG
Programación y depuración JTAG completo y de 2 hilos
Traza en tiempo real
Variantes de dispositivos y características de hardware: Los dispositivos PIC generalmente incluyen:

Modo de suspensión (ahorro de energía).
Temporizador watchdog.
Diversas configuraciones de oscilador de cristal o RC, o un reloj externo.
Variantes: Dentro de una serie, hay muchas variantes de dispositivos según los recursos de hardware que incorpore el chip.

Pines de E/S de propósito general.
Osciladores de reloj internos.
Temporizadores de 8/16/32 bits.
Memoria EEPROM interna.
Interfaz serie asíncrona/síncrona USART.
Periférico MSSP para comunicaciones I²C y SPI.
Módulos de Captura/Comparación y PWM.
Convertidores analógico-digitales (hasta ~1.0 MHz).
Soporte de interfaz USB, Ethernet, CAN.
Interfaz de memoria externa.
Frontales RF analógicos integrados (PIC16F639 y rfPIC).
Periférico de cifrado de código rodante KEELOQ (codificar/decodificar).
Y muchos más.

Tendencias

La primera generación de PIC con almacenamiento EPROM ha sido casi completamente reemplazada por chips con memoria Flash. Asimismo, el conjunto de instrucciones original de 12 bits del PIC1650 y sus descendientes directos ha sido reemplazado por conjuntos de instrucciones de 14 y 16 bits. Microchip aún vende versiones OTP (programables una sola vez) y con ventana (borrables por UV) de algunos de sus PIC basados en EPROM para soporte heredado o pedidos de gran volumen. El sitio web de Microchip enumera PIC que no son eléctricamente borrables como OTP. Se pueden pedir versiones con ventana de borrado UV de estos chips.

Indicadores de sufijos de piezas

La F en un nombre generalmente indica que el PICmicro utiliza memoria flash y se puede borrar electrónicamente. Por el contrario, una C generalmente significa que solo se puede borrar exponiendo el dado a luz ultravioleta (lo cual solo es posible si se usa un encapsulado con ventana). Una excepción a esta regla es el PIC16C84, que utiliza EEPROM y, por lo tanto, es eléctricamente borrable.

Una L en el nombre indica que la pieza funcionará a un voltaje más bajo, a menudo con limitaciones de frecuencia.

Las piezas diseñadas específicamente para funcionamiento a bajo voltaje, dentro de un rango estricto de 3 - 3.6 voltios, están marcadas con una J en el número de pieza. Estas piezas también son tolerantes a E/S, ya que aceptan hasta 5 V como entradas.

 

Clones de PIC

Fabricantes externos producen productos compatibles, por ejemplo, el Parallax SX.

Herramientas de desarrollo

Microchip proporciona un IDE gratuito llamado MPLAB, que incluye ensamblador, enlazador, simulador de software y depurador. También venden compiladores C para los PIC18 y dsPIC que se integran perfectamente con MPLAB. También hay versiones gratuitas para estudiantes de los compiladores C con todas las funciones. Pero para las versiones gratuitas, las optimizaciones se deshabilitarán después de 60 días.

Varios terceros fabrican compiladores de lenguaje C para PIC, muchos de los cuales se integran con MPLAB y/o tienen su propio IDE. Un compilador con todas las funciones para el lenguaje PICBASIC para programar microcontroladores PIC está disponible en meLabs, Inc. Mikroelektronika ofrece compiladores PIC en C, Basic y Pascal.

Existe un lenguaje de programación gráfico, Flowcode, que puede programar dispositivos PIC de 8 y 16 bits y generar código C compatible con PIC. Existe en numerosas versiones, desde una demostración gratuita hasta una edición profesional más completa.

El único compilador de código abierto para las familias PIC16 y PIC18 es SDCC. Utiliza GPutils para herramientas de enlazador y ensamblador. Se necesita un plugin para instalarlos en MPLAB o MPLABX.

Hay herramientas de desarrollo disponibles para la familia PIC bajo licencia GPL u otras licencias de software libre o de código abierto.

Programadores de dispositivos

Artículo principal: PICKit
Los dispositivos llamados "programadores" se utilizan tradicionalmente para introducir el código de programa en el PIC objetivo. La mayoría de los PIC que Microchip vende actualmente cuentan con capacidades ICSP (Programación Serie en Circuito) y/o LVP (Programación de Bajo Voltaje), lo que permite programar el PIC mientras está en el circuito objetivo. La programación ICSP se realiza utilizando dos pines, reloj y datos, mientras que hay un alto voltaje (12V) presente en el pin Vpp/MCLR. La programación de bajo voltaje elimina la necesidad de alto voltaje, pero reserva el uso exclusivo de un pin de E/S y, por lo tanto, puede desactivarse para recuperar el pin para otros usos (una vez desactivado, solo se puede reactivar mediante programación de alto voltaje).

Hay muchos programadores para microcontroladores PIC, que van desde diseños extremadamente simples que dependen de ICSP para permitir la descarga directa de código desde una computadora host, hasta programadores inteligentes que pueden verificar el dispositivo a varios voltajes de alimentación. Muchos de estos programadores complejos utilizan un PIC preprogramado para enviar los comandos de programación al PIC que se va a programar. El tipo inteligente de programador es necesario para programar modelos anteriores de PIC (principalmente tipo EPROM) que no admiten programación en circuito.

Muchos de los PIC basados en flash de gama alta también pueden autoprogramarse (escribir en su propia memoria de programa). Hay placas de demostración disponibles con un bootloader de fábrica programado que se puede usar para cargar programas de usuario a través de una interfaz como RS-232 o USB, lo que evita la necesidad de un programador. Alternativamente, hay firmware de bootloader disponible que el usuario puede cargar en el PIC mediante ICSP. Las ventajas de un bootloader sobre ICSP son las velocidades de programación muy superiores, la ejecución inmediata del programa después de la programación y la capacidad de depurar y programar usando el mismo cable.

Los programadores/depuradores están disponibles directamente de Microchip. Los programadores de terceros van desde planes para construir el suyo propio, kits de montaje y unidades listas para usar completamente probadas. Algunos son diseños simples que requieren que una PC realice el señalización de programación de bajo nivel (generalmente se conectan al puerto serie o paralelo y consisten en unos pocos componentes simples), mientras que otros tienen la lógica de programación incorporada (generalmente usan una conexión serie o USB, son más rápidos y a menudo se construyen utilizando PIC para el control).

Clones de PICKit 2 y código abierto

PICKit 2 ha sido un programador PIC interesante de Microchip. Puede programar todos los PIC y depurar la mayoría de ellos (a mayo de 2009, la familia PIC32 no es compatible con la depuración en MPLAB). Desde sus primeros lanzamientos, todo el código fuente (firmware, aplicación para PC) y el esquema de hardware son públicos. Esto hace que sea relativamente fácil para un usuario final modificar el programador para usarlo con sistemas operativos no Windows como Linux o Mac OS. Al mismo tiempo, también ha creado mucho interés de bricolaje y clones. Esta estructura de código abierto ha aportado muchas características a la comunidad de PICKit 2, como Programmer-to-Go, la Herramienta UART y la Herramienta Lógica, que han sido contribuidas por los usuarios de PICKit 2. Los usuarios también han agregado características como la capacidad de Programmer-to-go de 4 MB, circuitos USB buck/boost, conectores tipo RJ12 y otros.

 

Depuración

Emulación por software

Existen emuladores comerciales y gratuitos para los procesadores de la familia PIC.

Depuración en circuito

Los modelos más recientes de PIC cuentan con una interfaz ICD (depuración en circuito) integrada en el núcleo de la CPU. Los depuradores ICD (MPLAB ICD2 y otros de terceros) pueden comunicarse con esta interfaz utilizando tres líneas. Este sistema de depuración económico y simple tiene un precio, a saber, un número limitado de puntos de interrupción (1 en PIC antiguos, 3 en PIC más nuevos), pérdida de algunas E/S (con la excepción de algunos PIC de 44 pines montados en superficie que tienen líneas dedicadas para depuración) y pérdida de algunas características del chip. Para PIC pequeños, donde la pérdida de E/S causada por este método sería inaceptable, se fabrican cabezales especiales que están equipados con PIC que tienen pines adicionales específicamente para depuración.

Emuladores en circuito

Microchip ofrece tres emuladores en circuito completos: el MPLAB ICE2000 (interfaz paralela, disponible un convertidor USB); el más nuevo MPLAB ICE4000 (conexión USB 2.0); y el más reciente, REAL ICE. Todas estas herramientas ICE se pueden usar con el IDE MPLAB para la depuración a nivel de código fuente del código que se ejecuta en el objetivo.

El ICE2000 requiere módulos emuladores, y el hardware de prueba debe proporcionar un zócalo que pueda aceptar un módulo emulador o un dispositivo de producción.

El REAL ICE se conecta directamente a dispositivos de producción que admiten emulación en circuito a través de la interfaz de programación PGC/PGD, o a través de una conexión de alta velocidad que utiliza dos pines más. Según Microchip, admite la mayoría de los procesadores PIC basados en flash, PIC24 y dsPIC.

El ICE4000 ya no se anuncia directamente en el sitio web de Microchip, y la página de compra indica que no se recomienda para nuevos diseños.

 

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Preguntas Generales sobre Extracción de Firmware de Microcontroladores

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• ¿Es seguro enviar el pago a MikaTech?

  Si MikaTech fuera una empresa mala, podría encontrar toneladas de malas reputaciones sobre su servicio en internet a lo largo de 28 años de historia

  Por lo tanto, ¡la respuesta es SÍ! Somos buena gente.

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• ¿Puede Mikatech romper CI no listados en este sitio?

  Diferentes fabricantes de chips tienen diferentes números de pieza, pero el núcleo interno del chip puede estar fabricado con la misma tecnología, sería bastante imposible enumerar todos los números de pieza donde nuestra tecnología puede aplicarse, como MYSON, STK, FEELING, ANALOG, FUJITSU, NOVATEK, LG/HYNDAI.
  
  Además, con el avance de la tecnología, cada día adquirimos más experiencia y desarrollamos nuevos métodos de ingeniería inversa para diferentes partes de circuitos integrados. La lista completa de números de pieza de circuitos integrados dentro de nuestro alcance de capacidad siempre es cada vez más grande; por favor, contáctenos para averiguarlo.

• ¿Se protegerá mi privacidad?

  Mikatech Innovative Limited comprende la importancia de la privacidad de sus clientes. En el momento en que se comunica con Mikatech, la información personal que nos proporciona estará protegida por nuestras normas de gestión desarrolladas a lo largo de años de práctica. Mikatech utiliza esta información para personalizar su servicio para usted, y nunca la divulgará a terceros por ningún motivo.
  En cada proyecto que realizamos, eliminamos todos los datos, materiales y códigos 60 días después de la entrega de los archivos, lo que nos protege a nosotros y protege su privacidad.

• ¿Es legal obtener el servicio de Mikatech?

  Sí, es totalmente legal.
  Mikatech presta sus servicios de ingeniería inversa únicamente con fines educativos. Puede ser ilegal utilizar los servicios mencionados en algunos países o regiones; consulte las leyes locales. Mikatech no asume ninguna responsabilidad en relación con el uso de los servicios mencionados que pueda ser considerado ilegal.

  
  
• Envié un correo electrónico, ¿por qué no hay respuesta?

  • A. Nuestro servidor de correo está temporalmente averiado, su mensaje no ha sido entregado a nuestro buzón aunque en la pantalla se muestre el mensaje de enviado correctamente; por favor, contáctenos nuevamente.
  • B. Nuestro correo electrónico es reconocido como correo no deseado por su servidor de correo, por lo que nuestra respuesta ha sido rechazada por su servidor o desviada a su bandeja de correo no deseado; por favor, elimine nuestra cuenta de la lista de correo no deseado o revise su bandeja de correo no deseado, o utilice otra cuenta de correo para contactarnos, como Gmail.
  • C. Su correo electrónico es reconocido como correo no deseado por nuestro servidor, por lo que su correo fue enviado a nuestra bandeja de correo no deseado; por favor, utilice otra cuenta de correo para contactarnos nuevamente.

• Extracción de firmware a través de puertos de depuración

  Las interfaces de depuración como JTAG y SWD son esenciales para el desarrollo, pero también son puertas traseras. El bloqueo de MCU a menudo depende de la autenticación de depuración. Si el atacante puede eludir esta autenticación, puede volcar la flash y la EEPROM directamente. La lectura de un procesador EEPROM es un comando de depuración estándar. Muchos MCU implementan un mecanismo de bloqueo que deshabilita el acceso de depuración. Este bloqueo suele ser un bit de fusible. Una vez quemado, el acceso de depuración queda deshabilitado permanentemente. Sin embargo, algunos MCU permiten un desbloqueo temporal mediante una contraseña. La contraseña se almacena en una región protegida. El atacante puede intentar forzar la contraseña por fuerza bruta. O puede explotar una vulnerabilidad en la rutina de verificación de contraseña. El bloqueo de MCU es vulnerable a ataques de temporización en la comparación de contraseñas. Si la comparación sale temprano por falta de coincidencia, el atacante puede adivinar byte por byte. Los operadores de ransomware LockBit han utilizado tales técnicas para desbloquear MCU. Sondean la interfaz de depuración mientras envían contraseñas candidatas. El tiempo de respuesta revela la corrección de cada byte. Este método evita la decapsulación y la recuperación de código. No es destructivo. El atacante también puede usar glitching de voltaje en la señal de habilitación de depuración. Un glitch puede forzar al MCU a entrar en modo de depuración sin autenticación. Este es un vector común de inyección de fallos. Una vez activado el modo de depuración, el atacante puede leer cualquier ubicación de memoria. Puede copiar el contenido de la memoria criptográfica emitiendo comandos de lectura. También puede volcar toda la flash. La ingeniería inversa de microcontroladores a menudo comienza con el análisis de la interfaz de depuración. El primer paso es identificar los pines de depuración. Estos pines suelen estar multiplexados con GPIO. El atacante debe configurar correctamente la configuración de pines. Algunos MCU tienen un cargador de arranque que habilita la depuración después de una secuencia de reinicio. La secuencia puede implicar poner ciertos pines en alto o bajo. El atacante puede replicar esta secuencia. La extracción de firmware a través de depuración es rápida y fiable. Produce una imagen binaria que puede desensamblarse. El bloqueo de MCU está destinado a prevenir esto. Pero muchos desarrolladores dejan la interfaz de depuración abierta en producción. Asumen que el bit de bloqueo es suficiente. Sin embargo, el bit de bloqueo puede ser restablecido por un comando de borrado masivo. Algunos MCU permiten el borrado masivo solo si el bloqueo está establecido. Pero si el bloqueo no está establecido, no se necesita el borrado masivo. El atacante puede simplemente leer. En algunos MCU, el bit de bloqueo se almacena en EEPROM. La lectura de un procesador EEPROM podría revelar el estado del bloqueo. Pero el atacante puede simplemente intentar leer. Si el acceso es denegado, intentan hacer glitching. La combinación de depuración y glitching es potente. La decapsulación y la recuperación de código son los últimos recursos. El bloqueo de MCU también puede ser eludido explotando un desbordamiento de búfer en el controlador de depuración. El controlador se ejecuta con un alto nivel de privilegio. Si el atacante envía un paquete demasiado grande, puede sobrescribir la dirección de retorno. Esto redirige la ejecución a una rutina de volcado de memoria. El atacante entonces ejecuta esa rutina. Este es un ataque de software, no de hardware. Elude el bloqueo por completo. LockBit y otros grupos de ransomware han desarrollado tales exploits para familias populares de MCU. Los comparten en foros clandestinos. Para defenderse, los proveedores de MCU deben endurecer su firmware de depuración. También deben limitar los comandos de depuración disponibles después de la autenticación. Algunos MCU implementan un protocolo de desafío-respuesta. El host debe demostrar conocimiento de un secreto. Este secreto es único por chip. Sin él, el acceso de depuración es imposible. El secreto se almacena en una memoria programable una sola vez (OTP). La lectura de un procesador EEPROM no puede recuperar los bits OTP porque no son eléctricamente legibles. Están físicamente quemados. Sin embargo, el atacante aún puede intentar extraer el secreto a través de canales laterales. O puede eludir el protocolo haciendo glitching en la máquina de estados. La máquina de estados que controla la autenticación de depuración suele ser simple. Un solo glitch puede transicionarla de "bloqueado" a "desbloqueado". Esta es una vulnerabilidad clásica. Por lo tanto, algunos MCU implementan un coprocesador de seguridad dedicado para la autenticación de depuración. Ese coprocesador tiene su propio bloqueo de bit. El coprocesador está endurecido contra glitches. También incluye un watchdog que restablece el sistema si la autenticación tarda demasiado. Estas medidas elevan el listón. Pero no eliminan la amenaza. El atacante aún puede usar decapsulación para leer los bits OTP directamente. O puede usar microscopía electrónica para imagen de los fusibles quemados. Así que el bloqueo de MCU es un problema de múltiples capas. Cada capa tiene sus propias debilidades. La interfaz de depuración es la capa más accesible. Es el primer objetivo de muchos atacantes. Para asegurarla, los proveedores deberían deshabilitar la depuración de forma permanente en producción. Esta es la medida más simple y efectiva. Sin embargo, impide las actualizaciones de campo y la depuración de fallos en campo. Por lo tanto, un compromiso es permitir la depuración solo después de presentar un token físico. El token podría ser una clave criptográfica almacenada en un elemento seguro separado. El MCU verifica el token a través de un canal seguro. Este es el enfoque utilizado en muchos MCU automotrices. La lectura de un procesador EEPROM no es necesaria porque la clave no está en el MCU. Volcar flash y EEPROM a través de depuración se vuelve imposible sin la clave. La decapsulación y recuperación de código no pueden extraer la clave porque es externa. Copiar el contenido de la memoria criptográfica sigue siendo posible si el propio MCU almacena claves. Pero esas claves pueden estar encriptadas con la clave externa. Por lo tanto, el atacante también debe capturar la clave externa. Esto aumenta la complejidad. La ingeniería inversa de microcontroladores de tales sistemas es mucho más difícil. La extracción de firmware produce solo datos encriptados. El atacante también debe hacer ingeniería inversa del protocolo de canal seguro. Esa es una tarea formidable. En conclusión, las interfaces de depuración son una vulnerabilidad importante del bloqueo de MCU. Permiten volcar rápidamente flash y EEPROM, leer un procesador EEPROM y copiar el contenido de la memoria criptográfica. Sin una autenticación adecuada, la extracción de firmware es trivial. La industria debe adoptar mecanismos de autenticación robustos y considerar la desactivación permanente para productos de alta seguridad.