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Circuitos Circuitos Digitales. Digitales. Introducción a los Introducción a los microcontroladores. microcontroladores. Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Autor: Ing. Serafin Castañeda Cedeño.

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Page 1: Circuitos Digitales. Introducción a los microcontroladores. Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Autor: Ing. Serafin Castañeda Cedeño

Circuitos Digitales.Circuitos Digitales.

Introducción a los Introducción a los microcontroladores.microcontroladores.

Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Autor: Ing. Serafin Castañeda Cedeño.

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Departamento de Ingeniería Mecatrónica.Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

AntecedentesAntecedentes

Inicialmente los sistemas electrónicos Inicialmente los sistemas electrónicos de control se hacían exclusivamente de control se hacían exclusivamente con componentes lógicos. Eran cajas con componentes lógicos. Eran cajas grandes, pesadas y de elevado grandes, pesadas y de elevado consumo de energía.consumo de energía.

Después se utilizaron Después se utilizaron microprocesadores y el sistema de microprocesadores y el sistema de control entero podía encajar dentro de control entero podía encajar dentro de una tarjeta de circuito impreso.una tarjeta de circuito impreso.

Aún, se pueden encontrar muchos Aún, se pueden encontrar muchos sistemas basados en microprocesador sistemas basados en microprocesador (Zilog Z80, Intel 8088, Motorola 6809, y (Zilog Z80, Intel 8088, Motorola 6809, y otros).otros).

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Arquitectura de un Arquitectura de un microprocesador (CPU).microprocesador (CPU).

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Departamento de Ingeniería Mecatrónica.Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

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Qué es un microcontrolador?Qué es un microcontrolador?

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Con el avance de la miniaturización, todos los componentes Con el avance de la miniaturización, todos los componentes que se requieren para un sistema de control se construyó que se requieren para un sistema de control se construyó dentro de un chip, nació el microcontrolador. dentro de un chip, nació el microcontrolador.

Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye todos (o casi) los componentes necesarios para tener un todos (o casi) los componentes necesarios para tener un sistema de control completo.sistema de control completo.

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EncapsuladosEncapsulados

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““La solución en un chip”La solución en un chip”

CPU

RAM ,EPROM/PROM/ROM

I/O (input/output) - serie y paralelo

Temporizadores/Contadores

Sistema de interrupciones.

Los modelos más potentes incluyen además : Sistemas auxiliares (A/D, D/A, dsp ..)

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Aplicaciones:Aplicaciones:

Aparatos electrodomésticos:Aparatos electrodomésticos:Microondas, Hornos, Frigoríficos, Televisión, Vídeos, Microondas, Hornos, Frigoríficos, Televisión, Vídeos, Equipos sonidoEquipos sonido

Equipos informáticos:Equipos informáticos: Impresoras, Copiadoras láser, Módems,Unidades de Impresoras, Copiadoras láser, Módems,Unidades de disco.disco.

AutomóvilesAutomóvilesMando de sistemas del automóvil Mando de sistemas del automóvil (ABS,Inyeccion,Encendido..),(ABS,Inyeccion,Encendido..),Diagnósticos,ClimatizadorDiagnósticos,Climatizador

Mando medioambientalMando medioambientalInvernadero, Fábrica, CasaInvernadero, Fábrica, Casa

Instrumentación, Sistemas aerospaciales .Instrumentación, Sistemas aerospaciales .

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Departamento de Ingeniería Mecatrónica.Departamento de Ingeniería Mecatrónica.

Los microcontroladores se usan típicamente donde Los microcontroladores se usan típicamente donde la potencia de procesamiento no es importante.la potencia de procesamiento no es importante.

El tamaño de los microcontroladores es pequeño y El tamaño de los microcontroladores es pequeño y consumen muy poco, esto los hace ideales para consumen muy poco, esto los hace ideales para sistemas portátiles y autónomos.sistemas portátiles y autónomos.

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Tipos de microcontroladores.Tipos de microcontroladores.

Por tamaño de bus: de 4, 8, 16, y 32 bits

Por aplicación: Comunicaciones, Manejo del teclado, procesamiento.

Por velocidad de operación: 8, 10, 12, 20 MHz.

Por capacidad de memoria: 1, 2, 4, 8 16, 32 Kbytes de memoria de programa.

Por tipo de memoria: OTP, ROM, EPROM, EEPROM, FLASH.

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Venta Mundial de microcontroladores (en Kmillones de dlls)

0

2

4

6

8

10

12

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Año

4 bits

8 bits

16 bits

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Aplicaciones industriales:Aplicaciones industriales: El mercado de automóvil es el sector que más microcontroladores El mercado de automóvil es el sector que más microcontroladores

compra.compra. Varias familias de microcontroladores se desarrollaron Varias familias de microcontroladores se desarrollaron

específicamente para aplicaciones del automóvil, posteriormente específicamente para aplicaciones del automóvil, posteriormente se modificaron para otras aplicaciones.se modificaron para otras aplicaciones.

El sector del automóvil es exigente. Los circuitos electrónicos El sector del automóvil es exigente. Los circuitos electrónicos deben operar bajo temperaturas extremas y deben resistir las deben operar bajo temperaturas extremas y deben resistir las vibraciones, interferencias y ruidos eléctricos (EMI).vibraciones, interferencias y ruidos eléctricos (EMI).

La electrónica empleada debe ser fiable, pues un fallo puede La electrónica empleada debe ser fiable, pues un fallo puede provocar un accidente, pero debido a la competencia, el precio de provocar un accidente, pero debido a la competencia, el precio de estos circuitos es bajo.estos circuitos es bajo.

El automóvil no es el único mercado que está creciendo. El automóvil no es el único mercado que está creciendo. DataQuest* dice que en cada casa de los países desarrollados hay DataQuest* dice que en cada casa de los países desarrollados hay

35 microcontroladores. Para el año 2000, ese número crecerá a 35 microcontroladores. Para el año 2000, ese número crecerá a 240.240.

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¿qué microcontrolador usar?¿qué microcontrolador usar? Para decidir el tipo de dispositivo a utilizar para un Para decidir el tipo de dispositivo a utilizar para un

proyecto, hemos de considerar lo siguiente:proyecto, hemos de considerar lo siguiente: ¿Puedo obtener ayuda cuando tenga problemas?¿Puedo obtener ayuda cuando tenga problemas? ¿Qué herramientas de desarrollo están disponibles y ¿Qué herramientas de desarrollo están disponibles y

cuanto cuestan?.cuanto cuestan?. ¿Que clase de documentación tengo disponible (manuales ¿Que clase de documentación tengo disponible (manuales

de referencia, notas de aplicación, libros)de referencia, notas de aplicación, libros) ¿Tiene el fabricante disponibles para ese microcontrolador ¿Tiene el fabricante disponibles para ese microcontrolador

dispositivos periféricos (conversores A/D, memoria, dispositivos periféricos (conversores A/D, memoria, reguladores de tensión)? reguladores de tensión)?

¿Disponen de microcontroladores OTM, grabables por ¿Disponen de microcontroladores OTM, grabables por máscara, EPROM, de esa misma familia?máscara, EPROM, de esa misma familia?

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Tipos de arquitectura.Tipos de arquitectura. Arquitectura Von-NeumanArquitectura Von-Neuman

1.1. Los uC. Von-Neuman tienen un solo bus de datos por el Los uC. Von-Neuman tienen un solo bus de datos por el cual circulan instrucciones y datos.cual circulan instrucciones y datos.

2.2. Las instrucciones del programa y los datos se guardan Las instrucciones del programa y los datos se guardan conjuntamente en una memoria común.conjuntamente en una memoria común.

3.3. Cuando la CPU se dirige a la memoria principal, primeroCuando la CPU se dirige a la memoria principal, primero

4.4. saca la instrucción y después saca los datos necesarios saca la instrucción y después saca los datos necesarios para ejecutarla, esto retarda el funcionamiento de la para ejecutarla, esto retarda el funcionamiento de la CPU.CPU.

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Tipos de arquitectura.Tipos de arquitectura. Arquitectura HarvardArquitectura Harvard

1.1. Los uC con arquitectura Harvard tienen separados el bus Los uC con arquitectura Harvard tienen separados el bus de datos y el bus de instrucción. Esto permite el proceso de datos y el bus de instrucción. Esto permite el proceso paralelo:paralelo:

2.2. Cuando una instrucción esta siendo "captada", la Cuando una instrucción esta siendo "captada", la instrucción actual está utilizando el bus de datos.instrucción actual está utilizando el bus de datos.

3.3. Una vez que la instrucción actual está finalizada, la Una vez que la instrucción actual está finalizada, la siguiente instrucción está disponible dentro de la CPU. siguiente instrucción está disponible dentro de la CPU. Este procedimiento de trabajo permite una ejecución más Este procedimiento de trabajo permite una ejecución más rápida.rápida.

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Controladores CISCControladores CISC Casi todos los microcontroladores actuales, tienen en un

juego de instrucciones complejo (CISC: Complex Instruction Set Computer).

El conjunto de instrucciones típico de un microcontrolador es de más de 50, algunas de estas instrucciones son muy potentes y otras son especializadas para una tarea concreta.

Unas instrucciones acceden a ciertos espacios de dirección o registros, otras no, otras instrucciones tienen modos de direccionamiento único y específico, es decir, el conjunto de instrucciones es bastante heterogéneo.

La ventaja de la arquitectura CISC es que algunas instrucciones son "cuasi- macros" ya que son tan potentes que equivalen a muchas instrucciones simples.

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Controladores RISCControladores RISC La tendencia actual es la de tener un juego de

instrucciones reducido (RISC: Reduced Instruction Set Computers).

El chip es más pequeño, sencillo, rápido (al ser más simples las conexiones internas dentro del circuito, con lo que se puede aumentar energía frecuencia de reloj) además tiene un consumo menor de e.

Los rasgos típicos de un procesador de RISC son: El juego de instrucciones es ortogonal (simétricas), esto simplifica el proceso de programación, pues cada instrucción puede operar con cualquier registro y usar cualquier modo de direccionamiento, las instrucciones no tienen combinaciones especiales, excepciones ni restricciones.

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Los microcontroladores vienen ahora con una series de características que son de una gran ayuda al ingeniero de control:

Temporizadores. Cronómetros "perro guardián". Circuitos para "dormir/despertar" al microcontrolador. Modos potentes de direccionamiento de entrada/salida. Circuitos conversores analógico/digital etc.

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Opciones avanzadas de memoria.Opciones avanzadas de memoria.

ROM PROM (OTP) RAM EEPROM FLASH

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Protección del FirmwareProtección del Firmware

Por encriptación o protección del fusible, el software programado es protegido contra personal desautorizado (ingeniería inversa, modificaciones, piratería, etc.).

Ésta es sólo una opción en OTPs y dispositivos de ventana (EPROM).

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Puertos de entrada/salida y Puertos de entrada/salida y periféricos.periféricos.

PUERTOS DE ENTRADA SALIDA.PUERTOS DE COMUNICACIÓN: • UART• USART,• SPI (Motorola),• SCI,• I2C (Inter-Integrated Circuit bus) , • CAN (Controller Area Network) desarrollado conjuntamente entre• BOSH e INTEL para el cableado de automóviles, es el sistema de• cableado estándar multiplexado que se usa en la actualidad en la • industria del automóvilConversión Analógica Digital (A/D) (Aproximaciones sucesivas).TIMER´s

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Arquitectura Interna del Arquitectura Interna del PIC16F83PIC16F83

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Arquitectura Interna del Arquitectura Interna del MC68HC11MC68HC11

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Arquitectura Interna del COP8Arquitectura Interna del COP8

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