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Introducción a los Microcontroladores. Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers/PWM Interfaces y Otros Periféricos.

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Presentación del tema: "Introducción a los Microcontroladores. Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers/PWM Interfaces y Otros Periféricos."— Transcripción de la presentación:

1 Introducción a los Microcontroladores

2 Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers/PWM Interfaces y Otros Periféricos

3 Introducción Uso de los microcontroladores Microondas, Lavarropas, Televisores,... Automóviles, aviones, barcos Teléfonos Automatización industrial Pequeños dispositivos ad-hoc...

4 Introducción Ejemplo. Se quiere: Leer periódicamente una temperatura Prender y apagar un calefactor Mostrar en un display la temperatura Permitir al usuario ajustar la temperatura Posibilidad de actualizar la funcionalidad con un interfase serie

5 Introducción Diseño discreto. Se requiere: Un microprocesador 20 líneas de I/O (2 chips de 16 c/u) 1 Interfaz serie (1 chip) 1 Timer (1 chip) Memoria SRAM (para variables) Memoria Flash (para programa) Memoria EEPROM (para constantes)

6 Introducción Diseño discreto.

7 Introducción Diseño Integrado. ATmega16 (atmel)

8 Oferta de Microcontroladores Estructurada por familias y subfamilias. Por ejemplo, cada familia tiene el mismo nucleo del procesador (su código será compatible): 8051,PIC,HC,ARM O son familias orientadas a la aplicación O por performance (de diferente tipo)

9 Oferta de Microcontroladores

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12 Dentro de cada familia hay mucha varidad de dispositivos Pueden estar agrupados en subfamilias Una forma de clasificación es en base a los perifericos que integran o memoria

13 Oferta de Microcontroladores MC9RS08KA Family

14 Arquitectura

15 Arquitectura: Procesador REPASO

16 Arquitectura Von Neuman vs. Hardvard CISC vs. RISC Tamaño/variedad de las instrucciones Velocidad: clock; 8/16/32 bits

17 Arquitectura de las instrucciones Por stack Por acumulador Dos direcciones Tres direcciones REPASO

18 Arquitectura Modos de direccionamiento REPASO

19 Memoria Registros (memoria de corto plazo): Pequeña (relativamente) Almacenamiento temporario p/CPU Memoria de datos Relativamente Grande Almacena datos mientras el MCU funciona Memoria de programa Relativamente Grande De preferencia, mantiene el programa incluso con el MCU apagado.

20 Memoria: Tipo físicos REPASO

21 Memoria: Atención S/DRAM: sin limite de escrituras EEPROM: ciclos de borrado Flash: ciclos de borrado

22 Memoria: Direccionamiento Separado: Cada tipo físico se direcciona por separado (por ejemplo, usando diferentes registros índices) Hay direcciones repetidas Contínuo: Se accede siempre igual y la logica interna accede a la memoria que corresponde No hay direcciones repetidas

23 Memoria: Direccionamiento Separado

24 Memoria: Direccionamiento Continuo

25 Memoria: ejercicio For (i=100;i>=0;i--) Inadvertidamente i es almacenada en EEPROM Inadvertidamente i esta implementada como unsigned Como la EEPROM es lenta, cada iteración lleva, digamos, 10 ms ¿Que pasa al conectar el MCU?: el programa se cuelga Me doy cuenta, digamos, a los 10 segundos Empiezo a debuggear el programa (pero no apago el MCU) ¿En cuanto tiempo me quedo sin microcontrolador?

26 I/O

27 Digital I/O Implementadas por pines de conexión directa al exterior: Los MCU tienen en general de 8 a 32 pines (o más). Se agrupan en ports de a 8 pines. En general, los pines se pueden configurar como entrada o salida La lógica puede ser positiva o negativa. Los pines pueden tener otras funciones alternativas.

28 Digital I/O pin 1 del port B Módulo de Interrupción 1 - entrada 5 Pin Tx de puerto serie Conversor AD canal 5

29 Digital I/O Los pines se controlan mediante 3 registros: Data Direction Register (DDR): hay uno por cada puerto y cada bit determina la dirección de un pin. Port Register (PORT): uno por cada puerto y cada bit controla el estado del puerto (si es de salida) Port Input Register (PIN): uno por cada puerto y cada bit da el estado de su respectivo pin, esté este configurado como entrada o salida.

30 Digital I/O

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32 PTBDD = 0x80; // initialize PTB7 as output PTBD = 0; // initialize PTB to 0 PTBD_PTBD7 = ~PTBD_PTBD7; // invert the output Ejemplo: bit 7bit 0

33 Digital I/O PORT Register: de preferencia debe escribirse con operaciones de escritura de bit, si estan disponibles Caso contrario usar : Read-Modify-Write con cuidado.

34 Digital Input La entrada se muestrea con cada pulso (flanco ascendente normalmente) del clock, lo que ocasiona metaestabilidad:

35 Digital Input Normalmente incorporan un Schmitt- trigger. Para reducir la metaestabilidad se introducen sincronizadores

36 Digital Input Cancelación de ruidos Resistencias de pull-up/down en las entradas: puede (debe) programarse su conexión/desconexión (a veces mediante el registro PORT).

37 Digital Output Apenas el DDR setea un pin como salida, el MCU excita el pin de acuerdo al contenido del registro PORT correspondiente. Cuidado con los cortocircuitos Orden de seteo de DDR y PORT

38 Analog I/O Conversión DIGITAL a ANALOGICA: Usando un modulador de ancho de pulso

39 Conversión DIGITAL a ANALOGICA: Por redes del tipo R-2R. Para r bits sería: REPASO

40 Conversión Analógica-Digital (CAD) Comparador: determina si V1 >V2 y arroja 1, ó 0 en caso contrario.

41 Conversión Analógica-Digital (CAD) Conversion de valor REPASO

42 Conversión Analógica-Digital (CAD) La velocidad de muestreo determina la máxima frecuencia posible de muestrear (fmax

43 Conversión Analógica-Digital (CAD) Directa (flash): muy rápida (1 bit time); muy cara REPASO Este modo de conversión rápido es utilizado en algunos MCU y por lo general, no hay mas de 1 o 2 canales rápidos.

44 Conversión Analógica-Digital (CAD) Seguidor (tracking): muy lenta (2 r bit times) y variable; barata. REPASO

45 Conversión Analógica-Digital (CAD) Aproximaciones sucesivas: velocidad media y fija en r+1 REPASO Este es el modo mas utilizado

46 Conversión Analógica-Digital (CAD) Control del CAD Habilitación Tensión de Referencia Entrada Salida (registro) Conversion Complete Start Conversion

47 Conversión Analógica-Digital (CAD) Los MCU pueden tener de 4 a 16 o más entradas (canales) y un solo CAD, de 8 a 12 bits de precisión. Se multiplexan los canales (aumentan los tiempos) Autoincremento: al leer un canal, se pasa al siguiente y se efectúa un SC automáticamente. Existe el modo contínuo y de disparos sucesivos mediante el RTC Una conversión puede dispararse por eventos como un timer, una variación de una entrada digital o una señal externa.

48 CAD: Ejemplo de características en un MCU Linear successive approximation algorithm with 12 bits resolution. Up to 28 analog inputs. Output formatted in 12-, 10- or 8-bit right-justified format. Single or continuous conversion (automatic return to idle after single conversion). Configurable sample time and conversion speed/power. Conversion complete flag and interrupt. Input clock selectable from up to four sources. Operation in wait or stop3 modes for lower noise operation. Asynchronous clock source for lower noise operation. Selectable asynchronous hardware conversion trigger. Automatic compare with interrupt for less-than, or greater-than or equal-to, programmable value.

49 CAD: Ejemplo de implementación en un MCU Estado, control y configuración reloj multiplexor comparador

50 CAD: Ejemplo de un registro de configuración

51 // Configures ADC peripheral (ADC clock = 6.25MHz) // Bus clock as clock source, 12-bit conversión and divisor=4 ADCCFG = 0x44;

52 Conversión Analógica-Digital

53

54 Introducción a los Microcontroladores Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers Interfaces y Otros Periféricos

55 Interrupciones Un programa sin uso de interrupiones (polling): ¿inconvenientes?

56 Interrupciones Con interrupciones: Pueden no existir

57 Interrupciones Las interrupciones se generan cuando cuando cambia un estado. Permiten la reacción ante eventos Restricciones de tiempo real Polling vs. Interrupts Interrupt Service Routine (ISR) REPASO

58 Interrupciones Control de Interrupciones Interrupt Enable (IE): bit que se setea para habilitar al controlador que llame a la ISR cuando se produce el evento. Interrupt Flag (IF): lo setea el MCU cuando se produce el evento. Se limpia automatica o manualmente. Interrupt mode (IM): mas de un bit para indicar si la interrupcion se produce por flanco ascendente, descendente,, etc. Global Interrupt Enable.

59 Interrupciones Control de Interrupciones Inhabilitar las interrupciones no implica perder eventos. Cuidado al limpiar la IF Normal Interrupts and NMI

60 Interrupciones Interrupt Vector Table: es una tabla donde se indica para cada interrupcion en donde se encuentra la ISR que la atiende. Puede contener la dirección de la primera instrucción de la ISR respectiva o una instrucion jump (JSR) a la ISR (depende el MCU) REPASO

61 Interrupciones: IVT En el Atmega128 (Atmel):

62 MC9S08QG8 (Freescale)

63 Interrupciones Prioridades: fijas o variables Dentro de una ISR se puede establecer cuales interrupciones se permiten (sin hacerlo a mano vía los IE) Cancelación de ruidos Eventos internos

64 Interrupciones Pasos que ocurren ante una interrupción: 1. MCU setea la IF (esté o no habilitada la interrupción 2. Se termina la instrucción en curso o si el MCU está en estado sleep, se despierta. 3. Se identifica la ISR considerando los IE y la interrupcion de mas alta prioridad (si hay mas de un IF seteado). 4. Se llama a la ISR (... y ya pasó un tiempito)

65 Interrupciones KBI1P2 El controlador de interrupciones 1 (KBI1) tiene 8 entradas conectadas a determinados puertos Ejemplo:

66 Interrupciones Registros de control (ubicación en la memoria) Son 3 dirección mnemónicos de funcion de cada bit

67 Interrupciones

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69 Mapeo a variables:

70 Interrupciones Ejemplo inicialización: void InitKBI() { /*KBI1 Init*/ KBI1SC_KBIE = 0; // Mask KBI1 interrupts KBI1ES_KBEDG3 = 0; // KBI1P3 internal pull-up, falling edge/low level KBI1ES_KBEDG2 = 0; // KBI1P2 internal pull-up, falling edge/low level KBI1PE_KBIPE3 = 1; // Enable KBI1P3 interrupts KBI1PE_KBIPE2 = 1; // Enable KBI1P2 interrupts KBI1SC_KBIMOD = 0; // Detect edges only KBI1SC_KBACK = 1; // Clear possible false interrupts KBI1SC_KBIE = 1; // Enable KBI1 interrupts } //end InitKBI

71 Atención de la interrupción Interrupciones

72 Calificador: dice que la función es una subrutina de interrupción Número de vector que debe atender esta rutina Alternativa: Se le puede definir al linker (archivo.prm) que guarde la direccion de la funcion directamente: VECTOR ADDRESS 0xFFDA KBIx-ISR Y entonces la sintaxis queda: interrupt void KBIx_ISR(void) {...

73 Interrupciones En el main:

74 Interrupciones

75 Polling vs. Interrupts Siempre hay que analizar la situación puntual, pero en general, usar interrupciones cuando: Los eventos son infrecuentes Hay mucho tiempo entre eventos El cambio de estado es importante Quiero detectar impulsos cortos Hay eventos generados por hardware (no hay rebotes o picos) Hay muy poco para hacer así que conviene estar en modo sleep

76 Interrupciones Conviene polear cuando: El operador es humano No se requiere una temporización precisa El estado es mas importante que el cambio Los impulsos duran mucho Hay ruido en la señal Hay cosas para hacer en el main (pero no demasiado)

77 Introducción a los Microcontroladores Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers Interfaces y Otros Periféricos

78 Timers Son contadores que suben o bajan con cada pulso de reloj. El valor actual se lee de un registro o se setea en el mismo. Cuidado al acceder a timers con longitud de registro mayor a la palabra del MCU

79 Timers Los timers generalmente generan una interrupción cuando hacen overflow Esto sirve para generar señales o eventos peródicos (con acotada precisión) Pueden tener una señal de clock independiente del MCU. Con ella se incrementa la cuenta.

80 Timers Prescaler Es otro contador (de 8 o 10 bits) que trabaja contra el clock y produce una salida que es la que entra al timer. Se logra una extension de tiempos a medir por la division del prescaler. Ejemplo: 8 bit timer, clock de 1 Mhz -> cuenta máxima 255 uS con una resolución de 1 uS 8 bit timer, clock de 1 Mhz, prescaler en > cuenta máxima 260 ms con una resolución de 1 ms.

81 Timers Otras fuentes de cuenta: Pulsos externos Cristal externo: generlamente de KHz que implementa otro RTC independiente en el MCU Timestamp (input capture) Puede setearse un evento para que automáticamente se copie el valor del contador en un registro de captura. Ejemplo: cuando un comparador cambia, tomar la cuenta. Disparo de salida (output compare) Se setea el timer una cuenta y cuando se alcanza, automáticamente se levanta una salida, o similar.

82 Timers Ejemplo de registros (un solo timer) Este timer es muy versátil y trabaja tambien como PWM

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84 Timers

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86 Ejemplo de uso simple: Clock=BUSclk=>8 Mhz

87 Introducción a los Microcontroladores Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers Interfaces y Otros Periféricos

88 Modulación de Ancho de Pulso (PWM) Es un timer que genera una señal periódica de salida con período y ciclo de trabajo configurables

89 Modulación de Ancho de Pulso (PWM) Además de su uso como CDA, los PWM se usan para controlar ABS en autos, niveles de iluminación en LCDs, control de motores, etc.

90 Timers y PWM

91 Otras características RTC (Real Time Counters) Watchdog Consumo: reduccion de tensión, frecuencia y modo sleep Reset, POR y BOR External, Internal (software) Reset Keyboard interrupts

92 Interfaces y Otros Periféricos SCI (UART) Provee una (o mas) interface de comunicación asincrónica serie (UART) por medio de dos hiloas (Tx y Rx) Parámetros comunes: full o half duplex, data bits, parity bits, stop bits, baud rate

93 Interfaces y Otros Periféricos SCI (UART) Generalmente los modulos generan interrupciones (fin de transmisión, recepción, etc.) De las SCI del MCU se pueden generar con componentes externos interfases físicas RS232, RS422, RS485, etc. USART (sincrónica) Agrega un hilo para sincronismo, el cual es generado por una de las partes Si se usa como UART, el pin se puede usar como I/O

94 Interfaces y Otros Periféricos SPI (Serial Peripherical Interface) Para comunicación serie mediante 4 hilos basada en master-slave: MOSI: Master Out – Slave In MISO: Master In – Slave out SCK: System Clock, generado por el master SS: Slave select. Si hay mas de una linea, con un decodificador externo se pueden atender 2 n slaves.

95 Interfaces y Otros Periféricos

96 IIC (I 2 C) Inter-IC bus, de Phillips, es un bus sincrónico que opera en modo master-slave con dos hilos SCL y SDA en modo half duplex, para distancias cortas, hasta 3.4 Mbps, mediante el intercambio de tramas. No hay límites al numero de dispositivos a conectar (capacidad total en el bus < 400pF) Cada nodo (uno debe ser master, por lo menos) tiene una dirección de 7 o 10 bits

97 Interfaces y Otros Periféricos IIC (I 2 C)

98 Interfaces y Otros Periféricos Ethernet Implementación de 10/100/1000* Ethernet MAC con PHY Para conexiones a redes de area local estándar CAN (Controller Area Network) de Bosh y Flexcan Originalmente diseñado para su uso en automoviles y ahora extendido a otras areas, permite la comunicación por bus en 1 Mbps hasta 40 m. mediante broadcast.

99 Interfaces y Otros Periféricos Módulos de criptografía Stack TCP/IP (para módulos ethernet) IEEE Test Access Port (JTAG) DMA Timers QSPI (Queued SPI) EzPort, para programar la memoria flash interna desde flash externas en forma directa LCD controllers...

100 Interfaces y Otros Periféricos

101 Arquitectura

102

103 MC9S08LC60

104 MCF52235


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