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MICROPROCESADORES y MICROCONTROLADORES UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE de INGENIERÍA QUÍMICA y TEXTIL ÁREA ACADÉMICA DE CURSOS COMPLEMENTARIOS.

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1 MICROPROCESADORES y MICROCONTROLADORES UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE de INGENIERÍA QUÍMICA y TEXTIL ÁREA ACADÉMICA DE CURSOS COMPLEMENTARIOS

2 INTRODUCCIÓN A LOS MICROPROCESADORES Y MICROCONTROLADORES

3 ÍNDICE Parte I Microprocesadores Parte II Memorias Parte III Periféricos Parte IV Integración de periféricos, memorias y microprocesadores Parte V Microcontroladores

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5 PARTE I: MICROPROCESADORES Concepto y características Arquitectura Hardware Software Ejemplo de Arquitectura Básica Programación

6 Concepto y características Un microprocesador es un dispositivo digital diseñado para manipular información Tienen 3 buses –Datos: Contiene el flujo de información –Direcciones: Controla la posición actual en memoria –Control: Regula el flujo de información para evitar conflictos Parte I Microprocesadores

7 Arquitectura La arquitectura de un procesador consiste en el conjunto de caracteristicas que lo identifican. Describe de manera resumida las capacidades y posibilidades de operación del microprocesador. Se clasifican según Hardware y Software Ejemplo de arquitectura básica Parte I Microprocesadores

8 Arquitecturas según el Hardware Von Neuman Segmentada Hardware Parte I Microprocesadores Arquitecturas según el Software CISCCISC RISCRISC CRISCCRISC

9 Máquina secuencial Ejecuta solo una operación a la vez Bus de datos y direcciones compartidos Lenta Generalmente se combina con software tipo CISC Arquitectura Von Neuman Parte I Microprocesadores

10 Arquitectura Segmentada Máquina secuencial Buses de datos y direcciones compartidos Diseño multietapa (Pipeline) –El diseño multietapa le permite ejecutar más de una operación a la vez Se encuentra combinada con software CISC y en pocas ocasiones con RISC Más rápida que Von Neuman Parte I Microprocesadores

11 Arquitectura Harvard Separa los buses de datos, direcciones y control, y los hace totalmente independientes. Lo anterior permite leer instrucciones con mayor velocidad Pueden direccionar altas cantidades de memoria Se combinan con software RISC Volver Parte I Microprocesadores

12 Arquitectura CISC C omplex I nstruction S et C omputer Set de instrucciones grande Ofrece una amplia gama de operaciones Facilita el trabajo de programación Reduce el tamaño del código de programa Incrementa el costo de aprender la programación Parte I Microprocesadores

13 Arquitectura RISC R educed I nstructio S et C omputer Pocas instrucciones Más fácil de aprender el método de programación Mayor tamaño del código de programa Parte I Microprocesadores

14 Arquitectura CRISC Combinación de CISC con RISC C omplex- R educed I nstruction S et C omputer Parte I Microprocesadores

15 Ejemplo de Arquitectura Básica Bus de Direcciones Bus de Control Bus de Datos BIU Registros de Uso General Bus Interno Unidad Aritmética Lógica Unidad de Control Registro de Banderas Parte I Microprocesadores

16 Programación El microprocesador no tiene memoria interna Se debe conectar con una memoria externa que contenga el programa El programa se guarda como datos en la memoria, un dato leido puede ser información o un código de operación El procesador lee de manera ordenada cada punto de la memoria del programa Volver Parte I Microprocesadores

17 PARTE II: MEMORIAS Concepto Principio de funcionamiento Tipos RAM ROM Flash EPROM EEPROM

18 Concepto Una memoria es un dispositivo capaz de guardar el estado de un bit durante cierto tiempo Posee casillas o localidades cada una con la capacidad de almacenar un dato generalmente de tamaño byte (8 bits) Tiene un bus de direcciones para identificar cada una de las localidades. Tiene un bus de datos por donde entran y salen datos a cada una de las casillas o localidades de la memoria. Volver Parte II Memorias

19 Principio de funcionamiento CAPACITIVO: Un capacitor se mantiene cargado y representa un 1 lógico, si se descarga represente un 0 lógico. FUSIBLES: Un filamento delgado de semiconductor que se quema o se deja completo para representar un 1 o un 0 ORIENTACIÓN MAGNÉTICA: La orientación de un dispositivo magnético representa un 1 o un 0 lógico. Volver Parte II Memorias

20 Tipos de memorias RAM R andom A ccess M emory Almacenamiento temporal de datos Pierde la información capturada cuando se le desconecta alimentación ROM R ead O nly M emory Memoria que conserva el contenido aun cuando se desconecta Tipos de memorias ROM Parte II Memorias

21 Tipos de memorias ROM EPROM ( Erasable-Programable Read Only Memory ) –Funciona con el principio de fusibles –Puede borrarse mediante luz ultravioleta –Se reprograma eléctricamente EEPROM ( E lectrically E rasable- P rogramable R ead O nly M emory ) –Funciona con el principio de fusibles –Puede borrarse con impulsos eléctricos controlados –Se reprograma eléctricamente Flash –Funciona igual que la EEPROM pero a una velocidad de operación y programación mayor. Parte II Memorias

22 PARTE III: PERIFÉRICOS Definición Puertos del procesador Ejemplos Convertidores Analógico a Digital Salidas\Entradas seriales Salidas moduladoras de ancho de pulso (PWM)Salidas moduladoras de ancho de pulso (PWM)

23 Definición de periférico Dispositivo externo que intercambia datos con el procesador. La comunicación entre el procesador y el periférico está regulada por el procesador de acuerdo con los métodos: –POLING: El procesador revisa ordenadamente todos los periféricos para atender a cada uno de ellos secuencialemente. –INTERRUPCIONES: El periférico que está listo para ser atendido por el procesador solicita una interrupción de la ejecución del programa para que el procesador lo atienda. Volver Parte III Periféricos

24 Puertos del procesador Ventanas por las cuales el procesador se comunica con los periféricos. Tienen un canal de datos por el cual circula la información El procesador genera las señales de control que permiten habilitar a cada uno de sus periféricos Cuando un periférico es habilitado, este pone información en el bus de datos. Esta información es leida por el puerto correspondiente. Volver Parte III Periféricos

25 Ejemplos de periféricos Convertidor analógico a digital Puerto bidireccional de comunicación serie Salidas de modulación de ancho de pulso Parte III Periféricos

26 Convertidor de analógico a digital Dispositivo que recibe una señal analógica y la muestrea con cierta frecuencia para generar un valor digital representativo de la señal al momento de la toma de la muestra. Tiene un voltaje de referencia que se utiliza para definir la escala de valores digitales. La salida se presenta como un código de varios bits, estos se leen todos al mismo tiempo. Están diseñados para generar una señal de interrupción cada vez que han concluido una conversión a digital. Volver Parte III Periféricos

27 Puerto de comunicaciones seriales EMISOR: Dispositivo que toma un dato de n bits y lo descompone para extraer el dato bit por bit por un solo pin. RECEPTOR: Dispositivo que recibe una secuencia de bits y las almacena hasta componer un código de n bits. PROTOCOLO: Debe ordenarse y marcarse el tiempo que dura un bit en ser transmitido para interpretar correctamente la transmisión de los bits, así como definir mecanismos que marquen el final y el inicio de una transmisión. Parte III Periféricos

28 Modulador de ancho de pulso (PWM) Dispositivo que recibe un código digital de n bits, y de acuerdo con el valor, genera una señal cuadrada con un pulso alto de duración proporcional al valor recibido. Este dispositivo se utiliza puesto que la señal de salida (PWM) se utiliza para controlar dispositivos reguladores de potencia como SCR y TRIAC Con el uso de ambos dispositivos (TRIAC y PWM) se regula la potencia que se aplica a una carga de corriente alterna, por ejemplo motores, bombillas, resistencias de hornos,etc Regular la potencia de un motor de corriente alterna significa regular la velocidad de giro del mismo. Volver Parte III Periféricos

29 PARTE IV: MICROPROCESADORES Y SU INTEGRACIÓN CON LOS PERIFÉRICOS Indice Se fabrican procesadores y en el mismo encapsulado se incluyen dispositivos periféricos comunes como el ADC, PWM, o puerto de comunicación serie Se reduce la circuitería de soporte para el procesador Se facilita el desarrollo de aplicaciones específicas Se incluye memoria interna en el procesador para manejar lso periféricos integrados Se inicia la programación del sistema interno del chip para ejecutar una función particular

30 PARTE V: Microcontroladores ¿Que son? Ventajas Arquitecturas Elementos Comunes Fabricantes Aplicaciones Comunes

31 ¿Que es un microcontrolador? Sistema electrónico que integra las capacidades de una arquitectura especifica de microprocesador, junto con las capacidades de acople a otros sistemas que brindan los periféricos, todo, en un solo empaquetado. Se logra integración, disminución del costo en implementación de aplicaciones especificas. Volver

32 Ventajas del uso de microcontroladores Reducción de la cantidad de espacio en la implementación de un diseño dado. Reduce el costo de implementación. Permite desarrollo de aplicaciones especificas de manera mas rápida y eficiente. Los fabricantes dan mucho soporte sobre las aplicaciones más comunes. Se adaptan mejor a aplicaciones especificas Volver

33 Arquitecturas(1) La arquitectura de un procesador define el modo de operación del mismo en cuanto a conjunto de instrucciones y modo de ejecución de las mismas. En cuanto al conjunto de instrucciones, se clasifican en dos grupos principalmente CISC(Complex Instruction Set Computer ), RISC(Reduced Instruction Set Computer ) Siguiente

34 CISC Instrucciones especializadas se requieren un set de instrucciones amplio para dar soporte a una arquitectura Duración de la ejecución de las instrucciones no es homogéneo. programas requieren menos código fuente. Siguiente

35 RISC Set de instrucciones reducido Instrucciones de carácter general Duración homogénea de la ejecución de las instrucciones. Se requiere mas código para describir una operación que con una arquitectura CISC Siguiente

36 Arquitecturas(2) En cuanto al modo de ejecución de las instrucciones las arquitecturas se clasifican en: Von neuman, Segmentada, paralela. En esta clasificación es importante conocer como esta dispuesto el bus de direcciones y el bus de datos. Siguiente

37 Von Neuman Ejecución secuencial de las instrucciones Existe solo una unidad de búsqueda y una unidad de ejecución La instrucción siguiente se busca hasta que se ejecute la instrucción actual Siguiente

38 Segmentada Divide la búsqueda de las instrucciones de manera que cuando se ejecute la instrucción actual, ya se este buscando la siguiente. Multiplica la velocidad de ejecución al doble que la Von Neuman

39 Harvard Conocida como arquitectura de ejecución paralela. Posee varias unidades de ejecución Divide los procesos Orientada a sistema multitarea Bus de direcciones y de datos separados en la arquitectura Volver

40 Elementos Comunes en los microcontroladores ADC USART RTC Puertos entrada/salida paralelos PWM USB

41 ADC (Convertidor analógico Digital) Permite que el sistema microcontrolador pueda procesar una variable analógica Valor mínimo y máximo ajustable Resolución: indica la precisión de la conversión realizada Entre más cantidad de bits, más es la resolución del convertidor Requieren configuración a través de registros especiales del microntrolador Siguiente

42 USART(ADDRESSABLE UNIVERSAL SYNCHRONOUS ASYNCHRONOUS RECEIVER TRANSMITTER) Permite conexión serie a otros dispositivos Se configura a través de registros internos. Velocidad de transferencia variable Formato de la trama variable Puede manejarse a través de interrupciones Siguiente

43 Puertos entrada Salida Unidireccionales o bidireccionales Se configuran a través de un registro especifico Debe estar mapeados Se accesan por medio de una dirección Pueden ser TTL, CMOS, ST, según sea el dispositivo con el que se comunican.

44 Fabricantes Comunes de Microcontradores Microchip: Familas de PIC´s Arquitecturas RISC, Harvard Motorola: Familia 68XX Arquitecturas CISC, segmentada Intel: Familias 80XX Arquitecturas CISC, Von neuman NEC Volver

45 Aplicaciones Comunes Sistemas de Monitoreo y control de variables analógicas Computadoras de uso especifico Sistemas de desarrollo y experimentación Sistemas embebidos


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