Universidad Nacional de IngenieraMaquinas Computadoras IUnidad III: Introduccion a los Microcontroladores PIC MICROCHIP

Es un circuito integrado que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: un microprocesador o unidad central de procesamiento (CPU), una memoria para almacenar el programa, una memoria para almacenar datos y perifricos de entrada y salida.

A diferencia de los microprocesadores de proposito general, como los que se usan en los computadores PC, los microcontroladores son unidades autosucientes y mas economicas.Qu es un Microcontrolador?Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.*

Qu es un Microcontrolador?*Puede escribirse en distintos lenguajes de programacin: Ensamblador, C y Basic. Adems, la mayora de los microcontroladores actuales pueden reprogramarse repetidas veces.

Por las caractersticas mencionadas y su alta exibilidad, los microcontroladores son ampliamente utilizados como el cerebro de una gran variedad de sistemas embebidos que controlan maquinas, componentes de sistemas complejos, como aplicaciones industriales de automatizacin y robtica, domtica, equipos mdicos, sistemas aeroespaciales, e incluso dispositivos de la vida diaria como automviles, hornos de microondas, telfonos y televisores.

Frecuentemente se emplea la notacin C o las siglas MCU(por Microcontroller Unit para referirse a los microcontroladores. De ahora en adelante, los microcontroladores sern referidos por C.Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

Caractersticas de los Microcontroladores.* Unidad Central de Procesamiento (CPU):Tpicamente de 8 bits, pero tambin las hay de 4, 32 y hasta 64bits con arquitectura Harvard, con memoria/bus de datos separada de la memoria/bus de instrucciones de programa, o arquitectura de Von Neumann, tambin llamada arquitectura Princeton, con memoria/bus de datos y memoria/bus de programa compartidas.

Memoria de Programa: Es una memoria ROM(Read-Only Memory), EPROM (Electrically Programable ROM), EEPROM(Electrically Erasable/Programable ROM) o Flash que almacena el cdigo del programa que tpicamente puede ser de 1kilobyte a varios megabytes.

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* Memoria de Datos:Es una memoria RAM (Random Access Memory) que tpicamentePuede ser de 1, 24, 8, 16, 32 kilobytes.

Generador del Reloj:Usualmente un cristal de cuarzo de frecuencias que genera una seal oscilatoria de entre 1a 40MHz, o tambin resonadores o circuitos RC.

Interfaz de Entrada/Salida: Puertos paralelos, seriales (UARTs, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), I2C (Inter-Integrated Circuit), Interfaces de perifricos Seriales(SPIs, Serial Peripheral Interfaces), Red de rea de Controladores(CAN, Controller Area Network), USB (Universal Serial Bus).

Otras opciones: Conversores Anlogo-Digitales (A/D, analog-to-digital) para convertir un nivel de voltaje en un cierto pin aun valor digital manipulable por el programa del microcontrolador. Moduladores por Ancho de Pulso (PWM, Pulse-Width Modulation) para generar ondas cuadradas de frecuencia ja pero con ancho de pulso modicable.Caractersticas de los Microcontroladores.Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

Arquitectura de un Microcontrolador*Memoria de programa

El microcontrolador est diseado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Como ste siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente.

Existen algunos tipos de memoria adecuados para soportar estas funciones, de las cuales se citan las siguientes:

- ROM con mscara: se graba mediante el uso de mscaras. Slo es recomendable para series muy grandes debido a su elevado coste.

- EPROM: se graba elctricamente con un programador controlador por un PC. Disponen de una ventana en la parte superior para someterla a luz ultravioleta, lo que permite su borrado. Puede usarse en fase de diseo, aunque su coste unitario es elevado.

- OTP: su proceso de grabacin es similiar al anterior, pero stas no pueden borrarse. Su bajo coste las hacen idneas para productos finales.Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.*- EEPROM: tambin se graba elctricamente, pero su borrado es mucho ms sencillo, ya que tambin es elctrico. No se pueden conseguir grandes capacidades y su tiempo de de escritura y su consumo es elevado.

- FLASH: se trata de una memoria no voltil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero que suelen disponer de mayor capacidad que estas ltimas. Son recomendables aplicaciones en las que es necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto.

Memoria de datos

Los datos que manejan los programas varan continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM esttica (SRAM) es la ms adecuada, aunque sea voltil.

Hay microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no voltil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentacin no ocasiona la prdida de la informacin, que est disponible al reiniciarse el programa. El PIC16F84 dispone de 64 bytes de memoria EEPROM para contener datos.Arquitectura de un Microcontrolador

Recursos auxiliares*Segn las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo de microcontrolador, incorpora una diversidad de complementos que refuerzan la potencia y la flexibilidad del dispositivo. Entre los recursos ms comunes se citan los siguientes:

- Circuito de reloj: se encarga de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema.- Temporizadores, orientados a controlar tiempos.- Perro Guardin o WatchDog: se emplea para provocar una reinicializacin cuando el programa queda bloqueado.- Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar seales analgicas.- Sistema de proteccin ante fallos de alimentacin.- Estados de reposos, gracias a los cuales el sistema queda congelado y el consumo de energa se reduce al mnimo.Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

Proceso de Desarrollo de una Aplicacion con Microcontroladores.* Desarrollo de software: Esta etapa corresponde a la escritura y compilacin/ensamblaje del programa que rige a las acciones del C y los sistemas perifricos conectados aeste. Programacin del C:En esta etapa el cdigo de maquina correspondiente al programa desarrollado en la etapa anterior se descarga en la memoria del C. Prueba y vericacion: Por ultimo, el C debe conectarse al circuito base y someterse a pruebas para vericar el funcionamiento correcto del programa.Archivo .ASMArchivo .c, .cpp o .basEnsambladorCompiladorArchivo .hex, .bin, .coffUsuarioMaquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

Microchip y sus familias de Microcontroladores PIC*Desarrollados por la casa Microchip, se divide en cuatro gamas: gama enana, baja, media y alta. Las principales diferencias entre estas gamas radica en el nmero de instrucciones y su longitud, el nmero de puertos y funciones, lo cual se refleja en el encapsulado, la complejidad interna y de programacin, y en el nmero de aplicaciones.

- Gama baja o gama enana, de 8 patillas.

Se trata de un grupo de PIC de reciente aparicin. Su principal caracterstica es su reducido tamao, al disponer todos sus componentes de 8 patitas. Se alimentan con un voltaje de corriente continua comprendido entre 2,5 V y 5,5 V, y consumen menos de 2 mA cuando trabajan a 5 V y 4 MHz. El formato de sus instrucciones puede ser de 12 o de 14 bits y su repertorio es de 33 o 35 instrucciones, respectivamente. Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

*Microchip y sus familias de Microcontroladores PIC Principales caractersticas de la gama enana. Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

*Microchip y sus familias de Microcontroladores PICGama baja o bsica: PIC16C5X con instrucciones de 12 bits.Se trata de una serie de PIC de recursos limitados, pero con una de la mejores relaciones coste/prestaciones. Encapsuladas con 18 y 28 patitas y pueden alimentarse a partir de una tensin de 2,5 V, lo que les hace ideales en las aplicaciones que funcionan con pilas teniendo en cuenta su bajo consumo (menos de 2 mA a 5 V y 4 MHz). Tienen un repertorio de 33 instrucciones cuyo formato consta de 12 bits. No admiten ningn tipo de interrupcin y la Pila slo dispone de dos niveles. En la Figura 2.2 se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC.

Al igual que todos los miembros de la familia PIC16/17, los componentes de la gama baja se caracterizan por poseer los siguientes recursos: Sistema Power On Reset, Perro guardin (Watchdog o WDT), Cdigo de proteccin, etc.Sus principales desventajas o limitaciones son que la pila slo tiene dos niveles y que no admiten interrupciones. En la Figura 9 se presentan las principales caractersticas de los modelos de esta subfamilia.Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

*Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

*- Gama media. PIC16CXXX con instrucciones de 14 bits

Es la gama ms variada y completa de los PIC. Abarca modelos con encapsulado desde 18 patitas hasta 68, cubriendo varias opciones que integran abundantes perifricos. Dentro de esta gama se halla el fabuloso PIC16X84 y sus variantes.

En esta gama sus componentes aaden nuevas prestaciones a las que posean los de la gama baja, hacindoles ms adecuados en las aplicaciones complejas. Admiten interrupciones, poseen comparadores de magnitudes analgicas, convertidores A/D, puertos serie y diversos temporizadores.

El repertorio de instrucciones es de 35, de 14 bits cada una y compatible con el de la gama baja. Sus distintos modelos contienen todos los recursos que se precisan en las aplicaciones de los microcontroladores de 8 bits. Tambin dispone de interrupciones y una Pila de 8 niveles que permite el anidamiento de subrutinas. En la Figura 10 se presentan las principales caractersticas de los modelos de esta familia.Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

*- Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits.

Se alcanzan las 58 instrucciones de 16 bits en el repertorio y sus modelos disponen de un sistema de gestin de interrupciones vectorizadas muy potente. Tambin incluyen variados controladores de perifricos, puertas de comunicacin serie y paralelo con elementos externos, un multiplicador hardware de gran velocidad y mayores capacidades de memoria, que alcanza los 8 k palabras en la memoria de instrucciones y 454 bytes en la memoria de datos.

La caracterstica ms destacable de los componentes de esta gama es su arquitectura abierta, que consiste en la posibilidad de ampliacin del microcontrolador con elementos externos. Para este fin, las patitas sacan al exterior las lneas de los buses de datos, direcciones y control, a las que se conectan memorias o controladores de perifricos. Esta facultad obliga a estos componentes a tener un elevado nmero de patitas comprendido entre 40 y 44. Esta filosofa de construccin del sistema es la que se empleaba en los microprocesadores y no suele ser una prctica habitual cuando se emplean microcontroladores.Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.

Variaciones del PIC*PICs modernos

Los viejos PICs con memoria PROM o EPROM se estn renovando gradualmente por chips con memoria Flash. As mismo, el juego de instrucciones original de 12 bits del PIC1650 y sus descendientes directos ha sido suplantado por juegos de instrucciones de 14 y 16 bits. Microchip todava vende versiones PROM y EPROM de la mayora de los PICs para soporte de aplicaciones antiguas o grandes pedidos.

El microcontrolador rfPIC integra todas las prestaciones del PICmicro de Microchip con la capacidad de comunicacin wireless UHF para aplicaciones RF de baja potencia. Estos dispositivos ofrecen un diseo muy comprimido para ajustarse a los cada vez ms demandados requerimientos de miniaturizacin en aparatos electrnicos. Aun as, no parecen tener mucha salida en el mercado.

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PICs para procesado de seal (dsPICs)

Los dsPICs son el penltimo lanzamiento de Microchip, comenzando a producirlos a gran escala a finales de 2004. Son los primeros PICs con bus de datos inherente de 16 bits. Incorporan todas las posibilidades de los anteriores PICs y aaden varias operaciones de DSP implementadas en hardware, como multiplicacin con suma de acumulador (multiply-accumulate, o MAC), barrel shifting, bit reversion o multiplicacin 16x16 bits.Maquinas Computadoras I Ing. Carlos Ortega H.*

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