Ingeniería del Hardware embebido (página 3)

32 Tipos de microcontroladores – 1 Un número de compañías globales, líderes en producción de MP y CI como Atmel, Motorola, Fujitsu, Intel, Microchip, NEC, Silicon Motion, Ubicom, Hitachi y otros, emprendieron el desarrollo del MC. Las diferentes compañías desarrollaron diferentes enfoques: algunos de ellos (Motorola, Intel) utilizaban la arquitectura CISC similar para la producción de microprocesadores, desarrollado por ellos a una gran escala de integración, así como también un gran conjunto de instrucciones y modos de direccionamiento, lo que hace que el MC se encuentre más próximo a los MPs universals. Otras compañías como Microchip adoptaron la arquitectura RISC con un pequeño número de instrucciones, llevadas a cabo en un ciclo de máquina y unas pocas direcciones, así como la arquitectura Harvard con memorias separadas, buses de datos e instrucciones.

33 Tipos de microcontroladores– 2 Representantes típicos de Intel son MC con: Arquitecturas de 8-bits del tipo: MCS-48 (familia 8048, incluyendo 8035, 8038, 8039, 8040, 8X42, 8X49, 8050; X=0 o 7), MCS-51 (family 8051, incluyendo 8X31, 8X32, 8X52; X=0, 3, o 7) y 8XC551/552 Arquitecturas de 16-bit del tipo de MCS-96 (familia 8096, incluyendo 8061). Este tipo de MC incluye un gran número de instrucciones (111 para los de 8-bits) y caminos de direccionamiento, la mayoría de los cuales son similares a los de la arquitectura 80?86. Para la compañía Motorola los representantes típicos son los de 8-bit 68HC05, 68HC08, 68HC11 y de 16-bit 68HC12 y 68HC16. Por otro lado, son similares en cuanto a la arquitectura y tipos de instrucciones con respecto a los procesadores de propósito general. Las compañías Intel y Motorola también ofrecen microcontroladores de 32-bits.

34 Intel y Motorola basicamente utilizan arquitectura Von Neumann con memoria común, bus de datos e instrucciones (Tipo de arquitectura Princeton). Familias PIC ?C de Microchip – RISC ?C con arquitectura Harvard Familia PIC12CXXX/PIC12FXXX 8-pin instrucciones 12/14-bit Familia PIC16C5X instrucciones de12-bit Familia PIC16CXXX/PIC16FXXX instrucciones de 14-bit Familia PIC17CXXX instrucciones de 16-bit Familia PIC18CXXX/PIC18FXXX modelo avanzado, instrucciones de 16-bit Familia PIC32MX3xx 32-bit ?C con velocidades de reloj más altas y la memoria y muchos otros dispositivos embebidos. Tipos de microcontroladores– 3

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Ejemplo: Microcontrolador PIC16F8X Diagrama de bloque PIC16F84 incluye: Memoria FLASH de programación 1Kx14 RAM (archivos de registro) 68×8 EPROM memoria de datos 64×8 Temporizador – TMR0 Temporizadores adicionales (watch-dog etc.) Puertos E/S (I/O) : RA – 5 terminales RB – 8 terminales Reloj – externo/interno Arquitectura Harvard – RISC Instructiones – 35

36 Microcontroladores megaAVR — series ATmega (1) Ofrecen la más extensa selección de dispositivos y opciones periféricas y son adecuados para una gran variedad de aplicaciones. Contienen dispositivos con interfaces para LCD USB, CAN y LIN además de las interfaces standards SPI, UART y I2C. Son desarrollados para aplicaciones, requieren un gran código de programación y ofrecen una memoria para grandes programas y volúmenes de datos. Cuando el proyecto require algo más poderoso, la solución es un MegaAVR. El rendimiento aquí es de 1MIPS por 1MHz. Universalidad: El ?C de la familia megaAVR se utiliza para dispositivos de uso general, así como para los dispositivos periféricos especializados, tales como los controladores USB o LCD, CAN, LIN y controladores Power Stage, etc.

37 Microcontroladores megaAVR — series ATmega(2) Bajo consumo: El consumo de corriente es inferior a 200 uA a 1.8V y 1MHz y aproximadamente 100 nA en modo power-down. Alta integración: Los ?Cs megaAVR ofrecen volúmenes diferentes de memoria flash para los programas, SRAM, embebido EEPROM para datos, un comparador analógico, un multicanal de 10-bit de ADC, la elección de un generador de señal de reloj precisa interno o externo y común de puertos de E/S. Los puertos de E/S con funciones alternativas funcionan como entradas para el ADC o salidas para PWM. Contienen un temporizador de guarda incorporado y detector Brown Out. Los MCs megaAVR contienen también dispositivos analógicos adicionales embebidos tales como un medidor de temperature, comparador analógico rápido y amplificador analógico programmable. Un sensor de temperature interno permite la calibración fiable de los parámetros del Sistema. Los microcontroladores ATmega difieren principalmente en la cantidad de la memoria de programa y otros tipos de memoria, y el volumen de la memoria de programa pueden ser definidos por los números después de ATmega. Hay ciertas, aunque no grandes, diferencias en los módulos periféricos también.

38 Microcontrolador ATmega32 AVR ATmega32 es un CMOS RISC 8-bit MC, programmable con la memoria de programación Flash, que es reprogramable hasta 1000 veces. Tiene 32 registros operacionales. Las instrucciones se ejecutan en un ciclo, lo que permite alcanzar el rendimiento de hasta 1MIPS/MHz. El paquete DIP con 40 terminales. Estos son algunos de los parámetros básicos: Arquitectura avanzada RISC y Harvard con una tasa de ciclo hasta de 16 MHz. 131 potentes instrucciones – la mayoría ejecutadas durante 1 ciclo de máquina 32 ? 8-bit registros de propósito general. Esquemas absolutamente estáticos. Rendimiento de hasta 16 MIPS a 16 MHz Multiplicación embebida para 2 ciclos Memoria: 32KB memoria FLASH, programmable en su lugar; 1KB EEPROM para datos; 2KB de SRAM embebido. Número de ciclos Escritura/Borrado: 10,000 para Flash/100,000 para EEPROM Almacenamiento de datos: 20 años a 85°C/ 100 años a 25°C Interfaz JTAG (compatible con el estándar IEEE 1149.1) para el ajuste y la programación in situ.

39 AVR – Un diagrama de bloque simplificado

40 ARM microprocesadores y microcontroladores ARM – abreviación del inglés Advanced RISC Machine (Máquina Avanzada RISC) – una de las más ampliamente utilizadas microprocesadores de 16/32-bit y microcontroladores en el mundo de los dispositivos de telefonía móvil. El desarrollo original de los núcleos ARM pertenece a la compañía Acorn Computers Ltd., pero actualmente los microprocesadores y microcontroladores basados en ARM son producidos por muchas compañías: Alcatel, Atmel, NEC, NVIDIA, NXP (anteriormente Philips), Oki, Qualcomm, Samsung, Sharp, ST Microelectronics, Symbios Logic, Texas Instruments, VLSI Technology etc. Desde 2009, los procesadores ARM representan casi el 90% de todos los procesadores RISC embebidos de 32-bit (electrónica de consumo, asistentes digitales personales – PDA, teléfonos móviles, reproductores iPod y otros medios de comunicación digitales y reproductores de audio, consolas de juegos, calculadoras, HDD, routers etc.). Familia ARM ?P incluye ARM7, ARM9, ARM11 y Cortex. Las velocidades de reloj varían ampliamente – de decenas de MHz a 1GHz. ARMs son una muy buena combinación de la lógica moderna, de alta funcionalidad, bajo consumo (en su mayoría son CMOS), de bajo coste, la arquitectura es simplificada, lo que permite una fácil integración en varios dispositivos. (http://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture).

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Ejemplo: Microcontrolador NS7520 de ARM7TDMI Diagrama de Bloque Información sobre el producto.

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Ejemplo: Microcontrolador con núcleo ARM 11

Debug Interface = Interfaz de depuración Coprocessor Controller = controlador del coprocesador Data cache = caché de datos Instruction Cache = caché de instrucciones

Memory Management = Gestión de la Memoria

TrustZone enabled = Trustzone habilitada Peripheral Port = puerto de periféricos Data Interface = Interfaz de datos Instruction Interface = Interfaz de instrucciones

43 Sistemas embebidos, que utilizan ARM Automotive: Automotor Microcontrollers: Microcontroladores

Wireless: sin cable Imaging: escaneo Storage: Almacén Networking: la creación de redes Security: seguridad Consumer: consumidor

44 Sistemas embebidos – ejemplos Máquinas y otros dispositivos de respuesta y contestación automática. Sistemas para el control automático de objetos en movimiento. Los teléfonos móviles y sistemas GPS Dispositivos de una red de ordenadores, tales como routers, hubs, firewalls etc. Impresoras para computadoras, copiadoras y dispositivos multifunción. Dispositivos de control para HDD y FDD Controladores de un motor de automóvil, sistemas de frenos, sistemas de cierre, etc Aparatos electrodomésticos tales como refrigeradores, acondicionadores de aire, sistemas de seguridad, hornos de microondas, lavadoras, TV y sistemas de DVD, etc. Equipamiento médico Los asistentes personales como computadoras portátiles, notebooks, etc. Controladores Lógicos Programables (PLC) para aplicación industrial. Dispositivos para juegos de video. Cámaras digitales y cámaras de video, etc.

45 Algunos ejemplos prácticos de sistemas Embebidos (ES)

46 Algunos ejemplos prácticos de sistemas Embebidos (ES)

47 Algunos ejemplos prácticos de sistemas Embebidos (ES)

48 Algunos ejemplos prácticos de sistemas Embebidos (ES)

49 Algunos ejemplos prácticos de sistemas Embebidos (ES) Freno Electrohidráulico de Bosch. Actuador electrohidráulico EHB-ECU Sensor de dirección WSS Unidad de operación de freno con sensor de recorrido del pedal integrado Sensor de ángulo del volante Sensor de velocidad de viraje y aceleración lateral Gestión del motor ECU.

50 Diagrama de bloque de la cámara digital Dentro de la cámara digital normalmente existen 2 procesadores: CPU central y procesador de imagen (DSP)

51 Procesadores de la Cámara digital CANON La cámara Canon EOS 5D Mark II tiene un procesador DIGIC 4 DSP. El Canon EOS 7D utiliza procedadores duales DIGIC 4, mientras que la marca nueva Power­Shot G1 X tiene un DIGIC 5, y el buque insignia Canon EOS-1D X viene con procesadores dual DIGIC 5+, siempre que exista un procesador separado DIGIC 4 para el Sistema de medición.

52 1 Análisis de los requerimientos Necesidades del Usuario 2 Especificación 3 Arquitectura del sistema 4? Diseño del hardware 5? Realización del hardware 6? Evaluando el hardware 4b Diseño del software 5b Realización del software 6b Evaluando el software 7 Integración del sistema 8 exámen del sistema 9 Un mayor desarrollo Diseño de sistemas MP

53 Cuestiones de Control ¿Cuáles son las características básicas de los sistemas embebidos (ES)? ¿Cuáles son las características típicas de la CPU y la memoria utilizada en ES? Comparar las principals características de la MCU de la serie PIC, AVR y ARM?