Objetivos Generales Entender el funcionamiento de un microcontrolador

Presentación del tema: "Objetivos Generales Entender el funcionamiento de un microcontrolador"— Transcripción de la presentación:

0 Microcontroladores Ing. José Luis Paladines.
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA Ing. José Luis Paladines.

1 Objetivos Generales Entender el funcionamiento de un microcontrolador
Configurar un microcontrolador Manejo de puertos E/S de un microcontrolador Programación de microcontroladores con lenguajes de alto nivel Realizar circuitos con microcontroladores Manejar periféricos de microcontroladores Simular el funcionamiento de un microcontrolador 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

2 Historia Intel fabrica en 1971, el primer microprocesador, el 4004
1972 Intel desarrolló una versión más poderosa (el 8008) 1973 Intel lanza el 8080, con capacidad de operaciones por segundo, además se incrementó memoria a 64 kbytes. En 1975 Zilog lanza al mercado el Z80, uno de los microprocesadores de 8 bits más poderosos. Motorola abate dramáticamente los costos con sus microprocesadores 6501 y 6502 (este último adoptado por APPLE para su primera microcomputadora personal). 1976 surgen las primeras microcomputadoras de un sólo chip, que más tarde se denominarán microcontroladores. Dos de los primeros microcontroladores, son el 8048 de Intel y el 6805R2 de Motorola. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

3 Historia 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

4 Historia 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

5 ¿Qué no entendí? No se quede con dudas. El profesor no es un León…
14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

6 ¿Qué es un Microcontrolador?
Es un circuito integrado programable Que contiene todos los componentes de un computador. Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada Debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo al que gobierna. Es un computador dedicado. En su memoria sólo reside un programa destinado a gobernar una aplicación. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

7 Conceptos Básicos Microprocesador (µp).- Es un circuito integrado que contiene la unidad central de proceso también llamada procesador, de un computador. La UCP está conformada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que lo ejecutan. Las patillas de un microprocesador sacan al exterior las líneas o buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarse con la memoria y los módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un Sistema Abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se le destine. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

8 Conceptos Básicos Microcomputadora (µC).- Es una computadora cuya CPU es un µp y que tiene un pequeño tamaño y costo. Esta constituida por cinco unidades básicas de un computador: Unidad de Entrada, Unidades de Control, Unidades aritméticas, Unidad de memoria y unidad de salida. Computador (PC).- Es un sistema secuencial síncrono programable, el cual para desempeñar sus funciones debe poseer además de la CPU: Conductos para el flujo de la información Dispositivos para almacenar información Dispositivos para comunicarse con el exterior. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

9 Estructura de un computador
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10 Arquitectura de un computador
Arquitectura Von Newmann Arquitectura Harvard 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

11 Arquitectura de un Microcontrolador
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12 Procesador (CPU) Es el "cerebro" de una computadora
Es la parte de una computadora que se encarga de controlar el proceso y la transferencia de información. Interpreta las instrucciones de un programa y coordinar su ejecución. La CPU desde que es energizada realiza en forma repetitiva ciclos de instrucción, los cuales se componen de las actividades descritas en la siguiente figura: 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

13 Procesador (CPU) Para realizar este ciclo básico, la CPU debe ser capaz de coordinar sus dispositivos internos y externos para realizar: Lecturas desde memoria interna (registros) y memoria externa Escrituras a memoria interna y externa Decodificación de instrucciones (basada en la consulta de una unidad de micro código interna a la CPU) Operaciones de tipo aritmético y lógico. El procesador de los modernos microcontroladores es de arquitectura RISC 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

14 Memoria de programa ROM con máscara: El programa se graba en el chip durante el proceso de fabricación mediante el uso de máscaras. Muy caro y válido en series grandes. EPROM: La grabación de esta memoria se realiza mediante un dispositivo físico gobernado desde un computador personal. Tiene una ventana para ser borrada por rayos ultravioletas. OTP: permite ser grabada una vez por parte del usuario EEPROM: La grabación y el borrado se realizan de forma eléctrica. Permite de ciclos de escritura- borrado FLASH: Bajo consumo, La grabación y el borrado se realizan de forma eléctrica, pero suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. En las FLASH se garantizan ciclos de escritura-borrado. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

15 Memoria de datos Los datos que manejan los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene deba ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada, aunque sea volátil. Hay microcontroladores que también disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte con el suministro de la alimentación no ocasionará la pérdida de la información, que está disponible al reiniciarse el programa. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

16 Líneas de E/S A excepción de dos pines destinados a la alimentación, otras dos destinadas a recibir la señal de reloj que regula la frecuencia de trabajo y una más para provocar el Reset, las restantes patitas de un microcontrolador sirven para soportar su comunicación con los periféricos externos que controla. Las líneas de E/S que se adaptan con los periféricos manejan información en paralelo y se agrupan en conjuntos de ocho, que reciben el nombre de Puertos. Hay modelos con líneas que soportan la comunicación en serie; otros disponen de conjunto de líneas que implementan puertas de comunicación para diversos protocolos, como I2C, USB, SCI, SPI, etc. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

17 Recursos auxiliares Circuito de reloj, encargado de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. Este reloj se lo puede activar al momento de programar y no será necesario utilizar un reloj externo, permitiendo utilizar estas líneas como E/S. Temporizadores orientados a controlar tiempos. Watchdog o Perro Guardián, destinado a provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado. Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas. Comparadores Analógicos, para verificar el valor de una señal analógica. Sistema de protección ante fallas de la alimentación. Estado de Reposo, en el que sistema queda congelado y el consumo de energía se reduce al mínimo. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

18 Proceso de programación
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19 Compilador El Compilador permite traducir un programa hecho con un determinado lenguaje de programación a código máquina. Ensamblador: Es el de más bajo nivel de todos, una instrucción de ensamblador se traduce a una instrucción de código máquina, es por tanto el más rápido y el que menos memoria ocupa. Basic: Es un lenguaje de más alto nivel y que por su sencillez se ha popularizado mucho, es menos rápido que el lenguaje ensamblador y ocupa más memoria. C: Más próximo al lenguaje Ensamblador que Basic en cuanto a nivel de programación, pero más complejo de programar que éste último. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

20 ¿Qué no entendí? Pregunte… El profesor no puede ver
sus conocimientos…. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

21 ¿Porqué los PIC? Los PIC ofrecen su herramienta de edición, compilación y simulación de forma gratuita en el Internet. Sencillez de manejo Buena información, tanto de los elementos, como de proyectos Su costo es muy atractivo Parámetros como velocidad, código compacto, su alimentación mejorada, tamaño, etc. Herramientas de desarrollo de fáciles Estandarización de su programa, para toda la gama de microcontroladores Gran cantidad de circuitos programadores haciendo fácil su ponerlos a funcionar Gran variedad de modelos, que se adaptan a cada necesidad. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

22 Familia de los PIC La Familia más utilizada es la familia de microcontroladores de 8 bits (bus de datos) que tienen las siguientes características generales: Arquitectura Harvard Tecnología RISC Tecnología CMOS Estas características se conjugan para lograr un dispositivo altamente eficiente en el uso de la memoria de datos y programa y por lo tanto en la velocidad de ejecución. Microchip ha dividido sus microcontroladores en tres grandes subfamilias de acuerdo al número de bits de su bus de instrucciones: 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

23 Empaquetados 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

24 Nomenclatura En el nombre específico del microcontrolador pueden aparecer algunas siglas que dependen del rango de voltaje manejado y del tipo de memoria ROM incluida, como se muestra en la siguiente tabla: 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

25 Diagrama de Pines 16F84A 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

26 Características 35 instrucciones, todas se ejecutan en un ciclo de instrucción, 20 MHz., 1024 palabras de programa, 68 bytes de RAM, 64 bytes de EEPROM, 14-bit Ancho de las palabras de instrucción, 8-bit Ancho de las palabras de datos, 15 registros especiales de Hardware, 8 Niveles de pila Direccionamiento: Directo, Indirecto y relativo 4 Fuentes de Interrupción: Externa pin RB0/INT, TMR0 sobre flujo, cambio de estado PORTB<7:4>, Terminación de Escritura de datos en la EEPROM 13 pines E/S con control individual de dirección, 25 mA como máximo por pin en modo fuente, TMR0: Temporizador/Contador de 8-bit, Preescalador programable. Baja potencia, Alta velocidad, Gran banda de voltajes de funcionamiento 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

27 Características Especiales
10,000 ciclos de escritura y borrado de la memoria FLASH 10,000,000 ciclos de escritura y borrado de la memoria EEPROM Power-on Reset (POR), Power-up Timer (PWRT), Oscillator Start-up Timer (OST) Watchdog Timer (WDT) con oscilador RC interno Código protección Opciones para seleccionar oscilador Bajo consumo en modo SLEEP 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

28 Estructura Interna 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

29 Oscilador 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

30 Cristal externo 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

31 Circuito RC externo Este modo sólo se recomienda cuando la aplicación no requiera una gran precisión en la medición de tiempos. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

32 Ciclo de Instrucción Q1: Decodificación de la instrucción
Q2: Lectura del dato (si lo hay) Q3: Procesa el dato Q4: Escribe el dato 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

33 ¿Qué no entendí? No se quede con dudas.
Pregunte, el profesor ya se va… 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

34 Registros del CPU Registro de Instrucción: Registro de 14 bits. Todas las instrucciones se colocan en él para ser decodificadas por la CPU antes de ejecutarlas. Registro W: Registro de 8 bits que guarda resultados temporales de las operaciones realizadas por la ALU. Registro Status: Z: Este bit se pone (=1) para indicar que el resultado de la última operación fue cero, de lo contrario se limpia (=0) C: Bit de acarreo/préstamo’ de la última operación aritmética (en el caso de préstamo (resta), el bit se invierte antes de guardarse) DC: Acarreo/prestamo proveniente del cuarto bit menos significativo. Funciona igual que el bit C, pero para operaciones de 4 bits. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

35 Mapa de Memoria El mapa de memoria muestra como esta estructurada la memoria interna, tanto la de programa como la Memoria RAM. En la figura adjunta se observa con detalle esta Memoria RAM y a simple vista se observa que las primeras posiciones se encuentran ocupadas por registros propios del PIC, que permiten configurar sus diferentes componentes. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

36 Condiciones Mínimas Que tenga alimentación y además: 14/04/2017
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37 Puertos paralelos de E/S
El PIC 16F84A, tiene dos puertos E/S denominados PORTA y PORTB. En total son 13 líneas E/S. Estos puertos son totalmente programables, es decir, sus líneas pueden trabajar como entradas o como salidas a selección del programador. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

38 Puerto A El Puerto A posee 5 líneas bidireccionales.
Configurable pin a pin. Tiene dos registros asociados: El registro de datos PORTA El registro de dirección (E/S) de los datos TRISA 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

39 Puerto A (TRISA) Registro de dirección de datos del puerto A - Bit k de TRISA = 1 configura la patita RAk del puerto A como Entrada Bit k de TRISA = 0 configura la patita RAk del puerto A como Salida 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

40 Puerto A (PORTA) Registro de estado del Puerto A.
- Registro de estado del Puerto A. Cada uno de los 5 bits menos significativos (RA4,...,RA0) de este registro están asociados a la línea física correspondiente del puerto. Al hacer una lectura este registro se lee el estado de todas las patitas del puerto. Todas las escrituras al registro son operaciones del tipo “lee modifica-escribe”, es decir, toda escritura al puerto implica que el estado de las patitas es leído, luego es modificado y posteriormente se escribe al latch de datos del puerto. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

41 Puerto B El puerto B es un puerto digital de 8 bits.
Configurable pin a pin. Todas sus patitas son bidireccionales y trabaja en forma similar al puerto A. Tiene tres registros asociados: El registro de datos PORTB El registro de dirección de los datos TRISB El registro OPTION_REG. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

42 Registros del Puerto B El registro de datos PORTB (06H): Los ocho bits que contiene reflejan directamente el estado de las ocho patitas del puerto B RB0,....., RB7. El registro de dirección de los datos TRISB (86H): En forma similar a TRISA, al poner un 0 en un bit de TRISB se configura la patita RB correspondiente como salida y al poner un 1 en un bit de TRISB se configura la patita RB correspondiente como entrada. El registro OPTION_REG: El bit 7 de este registro, denominado RBPU es usado para conectar/desconectar una resistencia “pull-up” conectada a cada patita RB. Poniendo un 0 en este bit todas las resistencias se conectan. Para desconectar las resistencias “pull-up” se debe poner este bit en 1, también se desconectan automáticamente cuando la patita correspondiente es configurada como salida. Un Reset desconecta todas las resistencias. 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines

43 Eso es todo por el momento!
Preguntas??? 14/04/2017 Ing. José Luis Paladines