1 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Microprocesador Sistema secuencial Síncrono: Estados Infinitos Interpreta (decodifica) combinaciones de bits (órdenes) y genera señales digitales internas y/o externas para el resto de circuitos, para “ejecutar” de manera continua una secuencia de órdenes (o programa). Necesita una alimentación estable, un oscilador para sincronizar las ejecuciones y un sistema mínimo exterior. Microprocesador Intel 80486DX2.
2 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Sistema mínimo microprocesador Microprocesador DISPOSITIVOS DE ENTRADA SALIDA MEMORIA UC ALU REG UNIDAD DE CONTROL Y PROCESOS UNIDAD DE CONTROL UNIDAD ARITMETICO-LÓGICA REGISTROS
3 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Microcontrolador Integrado que incluye un microprocesador, memoria (de programa y datos) y unidades de entrada/salida (puertos paralelo, temporizadores, módulos CCP, conversores A/D, puertos serie, etc) “SISTEMAS EMPOTRADOS” (Embedded systems): Sistemas que incorporan microcontroladores (o microprocesadores) para una tarea específica pero que no son “visibles” ni “programables” directamente por el usuario (teléfono móvil, lavadora, etc)
4 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Microcontrolador VENTAJAS: Bajo Coste. Simplificación de stock, reducido tamaño placa, simplificación fabricación. Alto grado de integración/Simplificación de periféricos. Disminuye el hardware, placas menos complejas, aumenta la fiabilidad al reducirse el número de componentes. Aumento de capacidad y velocidad de ejecución. Disminución consumo. Utilización de tecnologías MOS, CMOS o HCMOS. INCONVENIENTES: Necesidad de herramientas y sistemas de desarrollo que incrementan el tiempo y el coste de diseño. Programación: necesidad de programación por máscaras en grandes series y de diferentes tipos en pequeñas series.
5 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Estructura Microcontrolador CPU. Memoria RAM de datos. Memoria ROM/UVPROM/OTPROM de programa. Memoria EEPROM de datos. Puertos de entrada-salida. Temporizadores/contadores. Sistemas de interrupción. Módulos auxiliares: Convertidores A/D. USART. Etc (Gp:) Display Drivers (Gp:) D / A (Gp:) A / D (Gp:) FLASH (Gp:) USART SPI I2C (Gp:) CAP COMP PWM (Gp:) EEPROM (Gp:) Power Drivers
6 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Aplicaciones Microcontrolador Microcontroladores se usan cuando la potencia de procesamiento no es importante. Robótica: Los sistemas basados en microprocesador y los microcontroladores se usan extensivamente en robótica. Equipos informáticos: Impresoras, copiadoras, etc. Sistemas portátiles y autónomos Debido a su pequeño tamaño y bajo consumo. El sector del automóvil: Es uno de los mayores mercados de microcontroladores. Desarrollo de microcontroladores específicos: Deben responder a condiciones extremas. Deben ser muy fiables. Sector doméstico (de 35 a 240 microcontroladores)
7 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Tipos de microcontroladores • Según el ancho de palabra: Los hay de 4, 8, 16, y 32 bits • Existen Microcontroladores/Procesadores especializados para: Comunicaciones, Manejo del teclado, Procesamiento de la seña, Proceso vídeo, Etc Elección de un microcontrolador ¿Puedo obtener ayuda cuando tenga problemas? ¿Qué herramientas de desarrollo están disponibles y cuanto cuestan? ¿Qué clase de documentación tengo disponible? (manuales de referencia, notas de aplicación, libros). ¿Tiene el fabricante disponibles para ese microcontrolador dispositivos periféricos? (conversores A/D, memoria, reguladores de tensión) ¿Disponen de microcontroladores OTM, grabables por máscara, EPROM, de esa misma familia?. Evaluar parámetros como tiempo de ciclo de instrucción y velocidad de bus, conjunto de instrucciones y modos de direccionamiento. Consumo, modo standby o sleep.
8 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Fabricantes de microcontroladores INTEL 8048-8051-80C196-80386 MOTOROLA 6805-68HC11-68HC12 HITACHI HD64180 PHILIPS 8051 SGS-THOMSON ST-62XX NATIONAL SMC. COP400-COP800 ZILOG Z8, Z86XX TEXAS INST. TMS370 TOSHIBA 68HC11 MICROCHIP PIC
9 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES
10 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Técnicas de fabricación CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Este es el nombre de la técnica con que se fabrican la mayoría los microcontroladores. Características: Bajo consumo Pueden ser alimentados por baterías durante mucho tiempo. Modo “sleep” El reloj del sistema puede detenerse para reducir aún más su consumo. Alta inmunidad al ruido eléctrico
11 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Tipo de Arquitectura Arquitectura Von-Neuman Un único bus de datos para instrucciones y datos. Las instrucciones del programa y los datos se guardan conjuntamente en una memoria común. Cuando la CPU se dirige a la memoria principal, primero accede a la instrucción y después a los datos necesarios para ejecutarla, esto retarda el funcionamiento. Arquitectura Harvard El bus de datos y el bus de instrucción están separados Acceso en paralelo: Cuando se está leyendo una instrucción, la instrucción actual está utilizando el bus de datos. Una vez finalizada la instrucción actual, la siguiente ya está disponible en la CPU. Permite una ejecución más rápida.
12 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Arquitectura Von-Neumann El programa de instrucciones y los datos comparten la misma memoria C P U 8 = 8 Program & Data Memory Arquitectura Harvard Utiliza dos espacios de memoria distintos para las instrucciones y los datos. Esto permite utilizar distinto ancho de bus en ambos buses. Data Memory C P U 8 16 Program Memory 12 14 16 24
13 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Instrucción “Long Word” • Bus instrucción/datos separados permiten diferentes anchos de bus. • La arquitectura Harvard permite instrucciones single-word/single-cycle Ejemplo: MOVE immediate, Acc MOVLW #imm<8> 1 word / 1machine cycle #imm<8> 2 bytes / 2 fetch cycles + exec 1100 imm<8> op code imm<8> MOVE
14 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores CISC (Complex Instruction Set Computer) El conjunto de instrucciones es bastante heterogéneo: Instrucciones son muy potentes. En algunos casos equivalen a muchas instrucciones simples. Instrucciones especializadas para una tarea concreta. Facilita la programación. RISC (Reduced Instruction Set Computers) Al tener un conjunto de instrucciones reducido: – El controlador es más sencillo y el chip es más pequeño. – Es más rápido. – Tiene un consumo menor. SISC (Specific Instruction Set Computer) Incluyen instrucciones específicas para control: Instrucciones de entrada/salida eficaces y sencillas. Instrucciones específicas para operar a nivel de bit.
15 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Opciones de Memoria EEPROM (Electrically Erasable PROM) Muchos microcontroladores incorporan una pequeña memoria EEPROM dentro del chip (Contiene parámetros que pueden cambiarse si la aplicación lo necesita). Es lenta. El número de veces que se puede borrar/grabar está limitado. FLASH (EPROM) Son más rápidas que las memoria EEPROM. Permiten más ciclos de borrado/grabación.
16 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Memoria RAM Útiles para programas de gran tamaño. Más rápida que las memorias no volátiles. Número ilimitado de veces que puede grabarse. Apropiada para aplicaciones con grandes cantidades de datos que cambian contínuamente. Memoria Field programming/reprogramming Memoria no volátil. Puede reprogramase sin desconectar el microcontrolador. Permite actualizaciones remotas.
17 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Memoria OTP (One Time Programmable) Un OTP es una memoria PROM que sólo puede grabarse una vez. Se utiliza para pequeñas series. Para probar el programa; antes de fabricar grandes cantidad de microcontroladores con memorias ROM de máscara. Como los ciclos de desarrollo de productos son cada vez más cortos, es interesante para los fabricantes de microcontroladores ofrecer OTPs como una opción. ROM de máscara Son interesantes para un gran número de unidades cuando el programa va a ser el definitivo. El tiempo de entrega es de 8 a 44 semanas.
18 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Protección del software El software está protegido: Por encriptación. Protección del fusible. Es una opción en OTPs y EPROM. En microcontroladores ROM de máscara no es necesaria: Los fabricante de ROM de máscara prueban el microcontrolador para asegurarse que se programa correctamente. En modo de prueba se puede leer cualquier dispositivo: Se lee el código de la ROM y se compara con el original.
19 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Memorias externas Se pueden añadir RAM externas. Se necesita que el microprocesador posea un modo expandido o extendido (acceso al bus interno). Se utiliza el multiplexado de datos/direcciones. – Se redefinen ciertas líneas de entrada/salida paralelo como bus de datos y direcciones. – Para el demultiplexado se utiliza: • la línea AS (Address Strobe) o ALE (Address Latch Enable). • registro de 8 bits tipo 74373.
20 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Alimentación y Consumo Tecnología de integración: La cantidad de potencia que disipan es proporcional a su tamaño (Menos calor por transistor implica menos tensión: 3,3 v). Su retraso de propagación es proporcional a su tamaño. Su costo es proporcional al cuadrado de su tamaño. Si se hace un transistor más pequeño, mejora el consumo, velocidad y el costo. Características: Tipo de alimentación a baterías: Tecnología CMOS o HCMOS Modo reposo: Inhibición de funciones internas. Línea única para “despertar”.
21 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Características (cont.) Tensión disponible: CMOS o HCMOS de 3 a 6 voltios. NMOS fija de 5 voltios. Necesidad de condensadores de desacoplo. Protección Brownout: Es un circuito que protege contra sobretensiones de alimentación. Idle/Halt y Wakeup: Pasa a modo de Ocioso/Parada por software (la RAM no pierde información) y consume un 70% menos. Se sale (wakeup) mediante estímulos como interrupciones, temporizadores ex profeso.
22 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Entradas y Salidas Comunicación serie UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) Un UART es un adaptador serie para comunicaciones asíncronas. USART Un USART (Unidad Universal de Transmisión Recepción Síncrona y Asíncrona) es un adaptador serie para comunicaciones asíncronas o síncronas. Los dispositivos que usan USART suelen ser más rápidos (hasta 16 veces) que un adaptador UART. SPI (Serial Peripheral Interface) El SPI permite la comunicación serie, duplex y asícrona. Dispone de modo de bajo consumo. SCI (Serial Communicactions Interfaces) Un SCI es un UART reforzado, permite la comunicación serie asícrona full-duplex. Dispone de dos modos de bajo consumo: wait y stop.
23 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Comunicación serie (cont.) I2C bus Inter-Integrated Circuit Bus. Es un bus de 2 hilos para comunicación serie desarrollador por PHILIPS. Existen multitud de periféricos con este bus integrado. MICROWIRE/PLUS Es una interface de comunicación serie síncrona bidireccional. Desarrollada por NATIONAL, su línea de dispositivos suele tenerla integrada. CAN & J1850 CAN (Cotroller Area Network) –conocido también como BUS CAN-. Desarrollador por BOSH-INTEL. Se utiliza mayoritariamente en aplicaciones de automoción. 1-WIRE Es un interface de comunicación serie de un solo cable.
24 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Conversor Analógico Digital (A/D). Convierte la tensión analógica a su valor digital. Pueden ser externos o internos al micro. Existen, en general, tres tipos integrados: Aproximaciones sucesivas (común en micro). Delta-Sigma (común en DSP). Flash (rápido pero menos habitual). Conversores D/A. Obtienen una tensión analógica a partir de un valor digital. Conversor D/A con Modulador de ancho de Pulso (PWM). Otros Dispositivos. Contador de pulsos: cada pulso incrementa un contador. Entrada de Captura: sirve para medir intervalos de tiempo entre eventos. Comparadores analógicos.
25 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Salidas en paralelo. Son las más comunes y se suelen utilizar para controlar relés, led, displays, LCD, transistores, etc. Se caracterízan por una corriente máxima individual y una máxima común. Salidas de Potencia. Montaje Darlington. Control de relé. Control de triacs. Entradas en paralelo. Son las comunes y se utilizan para lectura de pulsadores, teclados, en general para leer el nivel lógico de la entrada. Pueden estas optoaisladas. Entradas/Salidas. Permiten cambiar la patilla como salida o entrada en cada instante.
26 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Interrupciones y Polling Transferencia de E/S por consulta (Polling) El polling es una técnica software en la que el microcontrolador pregunta constantemente al periférico si necesita ser atendido. Interrupciones Cuando los periféricos necesitan ser atendidos por el microcontrolador se lo comunican; de esta forma el micro puede atender a un programa principal (a diferencia del polling). Es una técnica más rápida en atender al periférico que el polling. El micro recibe la interrupción, identifica quién la ha provocado, ejecuta la rutina para atenderla y vuelve al programa principal. Disparo de interrupciones: Por flanco (de subida o bajada). Por nivel.
27 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Interrupciones (cont.) Interrupciones enmascarables Se pueden habilitar o inhibir de forma global o individual. Interrupciones No enmascarables No se pueden inhibir, son de obligada atención. Interrupciones vectorizadas Cuando se recibe una interrupción el micro debe localizar al periférico: Preguntando a cada uno (modo muy lento). Con las int. Vectorizadas donde cada uno se identifica por el bus de datos. Los micros de 4 bits no tiene interrupciones vectorizadas, los de 8, 16 y 32 tienen vectorizadas con jerarquía de prioridad.º
28 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Reset y Reloj Inicialización o reset La mayoría de los micros disponen de un sistema de inicialización cuando se conectan a alimentación. Poseen, además, de una entrada de reset sensible a nivel Reloj Todos los micros tienen integrado un oscilador y sólo necesitan un elemento externo para fijar la frecuencia dentro del margen indicado. Puede ser interno o externo con ayuda de un cristal de cuarzo, resonador cerámico o una red RC.
29 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Características de los Microcontroladores Características especiales Watchdog (Perro Guardian). Un temporización que permite la recuperación del sistema ante un bloqueo. Si el programa entra en bucle infinito o si deja de funcionar el watchdog provoca un reset tras un tiempo predeterminado. Monitor de reloj (Clock Monitor). Permite apagar el micro si la señal de reloj varia. Cargador del programa residente. Al inicializar, el micro carga automáticamente el programa a ejecutar por un puerto desde un lugar remoto (o desde el mismo micro). Programa Monitor. Un programa instalado en el micro que permite desarrollos básicos y depuración de programas. Pueden comunicarse con un PC para ser ejecutado desde el mismo.
30 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Lenguajes de Programación en Microcontroladores Lenguaje Máquina/ensamblador Lenguaje Máquina (código máquina) es la representación del programa tal como la entiende el microcontrolador. El lenguaje ensamblador es una representación alfanumérica del lenguaje máquina, lo que facilita su lectura: Cada instrucción en lenguaje ensamblador se corresponde con una instrucción en código máquina: OR P1,#4 ? 91 04 10 Un programa en lenguaje ensamblador es muy óptimo y rápido. Se requiere un buen conocimiento de la arquitectura del micro para programar en ensamblador.
31 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Lenguajes de Programación en Microcontroladores Lenguaje Máquina/ensamblador (cont.) Tipos de instrucciones: De transferencia de datos, aritméticas, lógicas, de tratamiento de bloques, de salto (condicional o incondicional), de control de interrupciones, de control de contadores, etc. Formato de las Instrucciones: Arquitectura RISC (PIC de Microchip). Arquitectura CISC (Familia 96 de Intel).
32 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Lenguajes de Programación en Microcontroladores Intérpretes Un intérprete es un traductor de un lenguaje de alto nivel (próximo al lenguaje natural) a código máquina. El intérprete está residente en el microcontrolador. Ejecuta el programa leyendo cada sentencia en alto nivel traduciéndolas y ejecutándolas. Los dos más conocidos son el BASIC y el FORTH: El BASIC es más sencillo y legible. EL FORTH es muy rápido por su proximidad al ensamblador.
33 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Lenguajes de Programación en Microcontroladores Compiladores Se encargan de traducir todo el programa de alto nivel directamente a código máquina. El código máquina se pasa a la memoria del micro. El micro ejecuta el programa sin interpretado. Los compiladores más conocidos para los microcontroladores son: C, permite el acceso a la estructura del micro (registros, bits). BASIC compilado. PL/M de Intel. ADA para micros de 16 bits o más. FORTH compilado.
34 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Lenguajes de Programación en Microcontroladores Simuladores Un simulador ejecuta el programa de un microcontrolador en un ordenador: Se puede ejecutar el programa paso a paso y ver exactamente qué pasa según el programa se ejecuta. Permiten ver y modificar el contenido de los registros, memoria, variables y ver como responde el programa. No soporta interrupciones reales. Evita el ciclo programado/borrado de la EPROM en el desarrollo de programas
35 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Lenguajes de Programación en Microcontroladores Debuggers residentes Un debugger residente corre su programa dentro del propio micro, al mismo tiempo muestra el progreso de depuración en un máquina host (un PC). Tiene las mismas características que un simulador normal con la ventaja adicional de que el programa corre en un micro real. Generadores de Código Ayudan a generar código de forma automática. Pueden generar código tanto en lenguajes de alto nivel (C) como de bajo nivel (ensamblador).
36 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Lenguajes de Programación en Microcontroladores Emuladores Es la mejor opción para desarrollar un sistema, pero es cara. Un emulador en un sistema que sustituye al microcontrolador al mismo tiempo que está captando información. Sustituye al micro en el PCB (físicamente). Da total información sobre lo que está pasando en la realidad y no requiere ningún recurso de la tarjeta que se analiza. El emulador puede venir con su propio visualizador o conectado a un PC.
37 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Familias de Microcontroladores Introducción ¿Qué microcontrolador utilizo? Si se deja libertad al diseñador (a veces viene impuesto por la empresa) se debe elegir el que permita disponer de herramientas de desarrollo a un precio razonable y con una buena documentación y/o asistencia técnica. Una buena elección es el INTEL 8051, el MOTOROLA 68HC11 o el MICROCHIP PIC.
38 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Familias de Microcontroladores 8051 (Intel y otros) El 8051, pertenece a la segunda generación de microcontroladores Intel (1980), ha marcado muchas de las características que tienen los microcontroladores en la actualidad. Tiene un diseño un poco raro, pero es muy potente y sencillo de programar (una vez que se conoce) La arquitectura es Hardvard Modificada, con espacio de direcciones separadas para la memoria de programa y la memoria de datos CPU de 8 bits optimizada para control de eventos. La memoria de programa puede llegar hasta 64k. La parte baja (4k o 8k dependiendo del modelo) está dentro del chip. El 8051 puede direccionar hasta 64k de memoria de datos externa, y solo puede acceder a ella mediante direccionamiento indirecto.
39 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Familias de Microcontroladores 8051 (Intel y otros) –Cont.- El 8051 tiene 128 bytes (256 bytes para el 8052) de memoria RAM dentro del chip reservada para: – Registros con funciones especiales (SFR, Special function registers). – Mapeo de las Entrada/Salidas. El 8051 es un "procesador booleano”: – Tiene instrucciones que pueden manejar bits desde cualquier sitio (RAM, acumulador, registros de E/S, etc.). – Puede hacer operaciones lógicas a nivel de bits y ejecutar saltos relativos basados en dichos resultados. Existe infinidad de software, comercial y libre, para este micro Muchos fabricantes hacen cientos de variantes diferentes del 8051 para cualquier aplicación. Actualmente se ofrecen a 24 y 33MHz. Versiones avanzadas: 8xC251 (MCS-251) y 80c196 (MCS-96)
40 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Familias de Microcontroladores 68HC11 (Motorola y Toshiba) El popular 68HC11 es un poderoso microcontrolador de Motorola de 8 bits con las siguientes características: – Direcciones de 16 bits. – Juego de instrucciones similar a la familia 68xx: 6801, 6805, 6809. – Tiene un único espacio de memoria principal donde están las instrucciones, datos, E/S, y temporizadores. Dependiendo de las versiones pueden tener: – Memoria EEPROM o OTPROM. – Memoria RAM. – Entradas/Salidas digitales. – Temporizadores. – Generadores PWM (modulación de anchura de pulso). – Contadores. – Puerto de Comunicaciones síncronas y asíncronas.
41 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Familias de Microcontroladores PIC (MicroChip) Los microcontroladores PIC son populares desde hace más de 20 años. Fueron los primeros microcontroladores RISC: – El diseño RISC es más sencillo, lo que permite añadir más características a bajo precio. Tiene pocas instrucciones (33 instrucciones el 16C5X mientras que el Intel 8048 tiene más de 90). Características hardware: – Tiene arquitectura Harvard: Buses de instrucciones y datos separados lo que permite el acceso simultáneo a las instrucciones y a los datos, y el solapamiento de algunas operaciones para incrementar las prestaciones de proceso. Cauce segmentado. Los microcontroladores PIC están ganando popularidad debido a: El chip es pequeño, tiene pocas patillas. Muy bajo consumo. Bajo Costo. – Pueden ser usados en áreas en las que antes se pensaba que eran inapropiados.
42 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Familias de Microcontroladores PIC (MicroChip) –Cont.- Existen varias líneas : PIC10 PIC12 PIC16 (La línea 16C5X es la línea descendiente del diseño original PIC, está limitada y se ha quedado obsoleta con la línea 16CXX) PIC17 (obsoleta, sustituida por la PIC18) PIC18
43 INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Familias de Microcontroladores PIC (MicroChip) –Cont.- La línea PIC18 es la más extendida actualmente. Los databook de Microchip para microcontroladores PIC tienen una documentación completa de la manera de programarlos que otros fabricantes solo suministran a clientes especiales.