introduccion a los sistemas microprocesados

1

Introducción a los Microprocesadores y

Microcontroladores

Conceptos Generales

José Fernando Pérez V

Orientador:


Microcontroladores

José Fernando Pérez V Curso microcontroladores PIC

Diagrama de bloques General

de una Aplicación Electrónica con

Procesamiento Digital

PAL : Arreglo Lógico programable

GAL : Arreglo lógico genérico

PLDs: Dispositivos de Lógica Programable

FPGA: Campos de Matrices de Puertas Programables

TTL: Lógica Transistor Transistor

CMOS: Metal Óxido Semiconductor Complementario

ECL: Lógica de Emisor Acoplado

Microprocesadores

Microcontroladores

DSP’s : Procesador digital de Señales


Microcontroladores


Tecnologías usadas en el

procesamiento digital

Psoc: Program System on Chip

4


Microcontroladores


Mapa Conceptual

5

Microprocesador: es un circuito de gran escala de

integración que contiene la CPU completa de una

computadora en un único circuito integrado.

RegistrosALU

(Unidad Aritmético

Lógica)

CPU

Bus de Control

Bus de Datos

Bus de DireccionesUnidad de Control


MicrocontroladoresDEFINICIONES


6

CPU

Bus de Datos

MEMORIA E / S

Reloj

Bus de Control

Bus de Direcciones


MicrocontroladoresSistema básico Microprocesado


7

CPU

Unidades de

Memoria:

RAM, ROM,

DISCO, ETC

Puerto de

Entrada

Puerto

de

Salida

Bus de Control

Bus de direcciones

Bus de Datos

Teclado

RatònImpresoraMonitor

Computadora


MicrocontroladoresSistema básico de un computador


Fecha de

presentació

n

Velocidad

de reloj

Anch

o

de

bus

Número de

transistores

Memoria

direccionab

le

Memoria

virtual

Breve

descripción

4004 15/11/71 108 KHz. 4 bits2.300 (10

micras)640 byte Primer chip con manipulación aritmética

8008 1/4/72 108 KHz. 8 bits 3.500 16 KBytes Manipulación Datos/texto

8080 1/4/74 2 MHz. 8 bits 6.000 64 KBytes10 veces las (6 micras) prestaciones del

8008

8086 8/6/78

5 MHz.

8 MHz.

10 MHz.

16

bits

29.000

(3 micras)1 MegaByte 10 veces las prestaciones del 8080

8088 1/6/795 MHz.

8 MHz.8 bits 29.000

Idéntico al 8086 excepto en su bus

externo de 8 bits

80286 1/2/82

8 MHz.

10 MHz.

12 MHz.

16

Bits

134.000

(1.5 micras)

16

Megabytes1 Gigabyte De 3 a 6 veces las prestaciones del 8086

Microprocesador

Intel 386 DX®17/10/85

16 MHz.

20 MHz.

25 MHz.

33 MHz.

32

Bits

275.000

(1 micra)4 Gigabytes

64

Terabytes

Primer chip x86 capaz de manejar juegos

de datos de 32 bits

Microprocesador

Intel 386 SX®16/6/88

16 MHz.

20 MHz.

16

Bits

275.000

(1 micra)4 gigabytes

64

Terabytes

Bus capaz de direccionar 16 bits

procesando 32bits a bajo coste

8


MicrocontroladoresHistoria y evolución de los procesadores


Fecha de

presentació

n

Velocidad

de reloj

Anch

o

de

bus

Número de

transistores

Memoria

direccionab

le

Memoria

virtual

Breve

descripción

Microprocesador

Intel 486 DX®10/4/89

25 MHz.

33 MHz.

50 MHz.

32

Bits

(1 micra, 0.8

micras en 50

MHz.)

4 Gigabytes64

TerabytesCaché de nivel 1 en el chip

Microprocesador

Intel 486 SX®22/4/91

16 MHz.

20 MHz.

25 MHz.

33 MHz.

32

Bits

1.185.000

(0.8 micras)4 Gigabytes

64

Terabytes

Idéntico en diseño al Intel 486DX, pero

sin coprocesador matemático

Procesador

Pentium®22/3/93

60 MHz.

66 MHz.

75 MHz.

90 MHz.

100 MHz.

120 MHz.

133 MHz.

150 MHz.

166 MHz.

200 MHz.

32

Bits

3,1 millones


64

Terabytes

Arquitectura escalable. Hasta 5 veces las

prestaciones del 486 DX a 33 MHz.

9




10

Fecha de

presentación

Velocidad

de reloj

Ancho

de bus

Número de

transistores

Memoria

direccionable

Memoria

virtual

Breve

descripción

Procesador

PentiumPro®27/3/95

150 MHz.

180 MHz.

200 MHz.

64 Bits5,5 millones


64

Terabytes

Arquitectura de ejecución dinámica con

procesador de altas prestaciones

Procesador

PentiumII®7/5/97

233 MHz.

266 MHz.

300 MHz.

64 Bits7,5 millones


64

Terabytes

S.E.C., MMX, Doble Bus Indep., Ejecución

Dinámica

32-bit processors:

Pentium Pro, II,

Celeron, III, M,

Core

Pentium Pro, Pentium II, Celeron (Pentium II-based), Pentium III, Pentium II and III Xeon, Celeron (Pentium III Coppermine-

based), Celeron (Pentium III Tualatin-based), Pentium M, Celeron M, Intel Core,

Dual-Core Xeon LV: 1) Sossaman 0.065 µm (65 nm) process technology; 2) Variants 2.0 GHz

32-bit processors:

Pentium 4 range

Pentium 4, Xeon, Mobile Pentium 4-M, Pentium 4 EE, Pentium 4E,

Pentium 4F: 1) 3.2–3.6 GHz

The 64-bit

processors:

EM64T

Pentium 4F, D0 and later steppings, Pentium D, Pentium Extreme Edition, Intel Xeon,

Intel Core 2: 1) 0.065 µm (65 nm) process technology; 2) Core 2 Duo T5500 - 1.66 GHz




12

La memoria es la parte de un sistema que almacena datos binarios en

grandes cantidades. Las memorias semiconductoras están formadas por

matrices de elementos de almacenamiento que pueden ser Fets, latches o

condensadores.


MicrocontroladoresMemorias


1

2

4

5

6

7

8

3

13

14

15

16

1 2 3 4

Matriz 16 X 4

1

2

4

5

6

7

8

3

61

62

63

64

Matriz 64 x 1

Matriz de almacenamiento de 64 celdas, organizada en tres formas diferentes

1

2

4

5

6

7

8

3

1 2 3 4 5 6 7 8

Matriz 8X8

Celda

Celda: elemento de almacenamiento de 1 bit




14

1

2

4

5

6

7

8

3

1 2 3 4 5 6 7 8

1

2

4

5

6

7

8

3

1 2 3 4 5 6 7 8

Dirección y Capacidad de las memorias

La dirección del bit resaltada en gris

Oscuro Corresponde a la fila 5, columna 4.

La dirección del byte resaltada en gris oscuro

corresponde a la fila 3




15

Matriz de

Memoria

Decodificador

de

Direcciones

Bus de DatosBus de Direcciones

Señales de control

EscrituraLectura

Diagrama de Bloques de una memoria




16

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

10001101

0

1

2

3

4

5

6

7

101

Registro

de direcciones

Registro

de datos

Matriz de Memoria

Organizada en Bytes

Señales de control

EscrituraLectura

Bus de datos

Bus de Direcciones

1

2

3

1

2

3

El código de dirección 101 se coloca en el bus de direcciones y se selecciona la dirección 5

El byte de datos se coloca en el bus de datos

El comando de escritura o lectura hace que el byte de datos se almacena en la dirección 5,

o se lea de la dirección 5, según sea la orden de la señal de control.

Señales de control

EscrituraLectura3




17

CLASIFICACION DE LAS MEMORIAS

Memoria RAM: (random-Access memory) la memoria de acceso

aleatorio es un tipo de memoria en la que se tarda lo mismo en

acceder a cualquier dirección de memoria y estas se pueden

seleccionar en cualquier orden tanto en una operación de lectura

como de escritura.

La información almacenada es volátil, ya que en cuanto se

desconecta la alimentación, se pierden datos.




18

Memoria ROM: (read-only memory, memoria de solo lectura) es un

tipo de memoria en la que los datos se almacenan de forma

permanente o semipermanente. Los datos se pueden leer de una

ROM, pero no existe la operación de escritura como en la RAM.

Los datos almacenados permanecen incluso si se desconecta la

alimentación, por esta razón reciben el nombre de no volátiles.




19

Memoria

de

acceso

aleatorio

(RAM)

RAM

Estática

(SRAM)

RAM

Dinámica

(DRAM)

SRAM

Asíncrona

(ASRAM)

SRAM

De ráfaga

Sincronía

(SB SRAM)

DRAM

Con modo

Página rápido

(FPM SRAM)

DRAM

Con salida de

Datos extendida

(EDO DRAM)

EDO DRAM

En ráfaga

(BEDO DRAM)

DRAM

Sincrona

(SDRAM)

DDRAM

Doble Tasa

deTransfer

(SDRAM)

Clasificación de la Memoria RAM:




20

RAM estática (SRAM) : se caracterizan por las celdas de almacenamiento con Flip-

Flops que, típicamente, se implementan en circuitos integrados con varios transistores

MOS (MOSFET). Cuando se aplica alimentación continua a una celda de memoria

estática se puede mantener un estado 1 o 0 indefinidamente.

Selección de bit

Datos’Datos

+Vcc




21

RAM dinámica (DRAM): Las celdas de las memorias dinámicas almacenan un bit de

datos en un condensador en lugar de un latch, la ventaja de este tipo de celda es que

es muy sencilla, lo que permite construir matrices de memoria muy grandes en un chip

a un coste por bit mas bajo que el de las memorias estáticas. La desventaja es que el

condensador de almacenamiento no puede mantenerse cargado por mucho tiempo y el

dato almacenado se pierde a no ser que su carga se refresque periódicamente.

Columna (línea de bit)

Fila




22

DDR-RAM, del acrónimo inglés Double Data Rate, significa memoria de

doble tasa de transferencia de datos en castellano. Son módulos

compuestos por memorias síncronas (SDRAM), disponibles en

encapsulado DIMM, que permite la transferencia de datos por dos

canales distintos simultáneamente en un mismo ciclo de reloj.




http://es.wikipedia.org/wiki/SDRAM

http://es.wikipedia.org/wiki/DIMM

23




24

A0 - A15 Adress inputs

D0 - D7 Data input/output

DI Data Input

DO Data Ouput

CS Chip selector

WE Escritura /Lectura

OE Output Enable

NOMBRE DE LOS PINES

NO SELECCIÓN 1 X H-Z

ESCRITURA 0 0 Din

LECTURA 0 1 Dout

I/O PIN

MODO CS WE

Ejemplo de algunas memorias RAM comerciales




25

ROM

Memoria de

solo lectura

ROM

de mascara

ROM

Programable

(PROM)

PROM

Borrable por

ultravioleta

(EPROM)

PROM

Borrable

Eléctricamente

(EEPROM)

Clasificación de la Memoria ROM:




Uno (1) cero (0)

Celda Memoria ROM

La memoria ROM es una memoria programada de forma permanente durante el proceso

de fabricación. Una vez que se programa la memoria, esta no puede cambiarse. La

mayoría de los circuitos integrados ROM utilizan la presencia o ausencia de una

conexión de transistor en una unión fila/columna para presentar un 1 o un 0.

Celdas MOS

ROM : Memoria de solo lectura




0 1 2 6 7

0

2

4

8

1 0

Línea de

entrada

de

direcciones

Líneas de Salida de Datos

Fila 0

Fila 1

Fila 2

Fila 14

Fila 15

Decodificador

de

Direcciones

0

1

2

14

15

Matriz ROM de 16 x 8 bits




28

&

A0

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

Q0

Q1

Q2

Q2

Eo

E1

Línea de

entrada

de

direcciones

Líneas de

salida

de datos

ROM 256 x 4

Símbolo Lógico de una ROM de 256 x 4




29

Decodificador

De

Filas

1-32

A0

A1A2

A3A4

Línea de

entrada

de

direccionesMatriz de memoria

32 x 32

Decodificadores de columna

1 de 8

A5A6A7

Eo

E1

Dirección

De

Columna

Habilitación

Del chip

Q3 Q0Q1Q2

Buiffers

De Salida

ROM de 1024 bits con una

Organización de 256 x 4

Basada en una matriz 32 x 32




30

Filas

Columnas

VDD

Memoria PROM: (Memoria de solo

lectura Programable):

Utiliza algún tipo de fundición para

almacenar bits, donde un hilo de

memoria se funde o se queda intacto

para representar un 0 o 1. el proceso

de fundición es irreversible: una vez

que una PROM ha sido programada no

puede cambiarse.




31

Memoria EPROM (Memoria de solo

lectura programable y borrable):

es una PROM borrable, es decir que

puede ser reprogramada de forma

eléctrica si antes se borra el programa

existente en la matriz de memoria.

UV EPROM: se puede reconocer por la

ventana de cuarzo transparente de su

encapsulado. Su borrado es por medio

de luz ultravioleta

EEPROM: es una PROM cuyo proceso

de borrado y programado se hace

eléctricamente.




32

A0

A1

A2

A3

A4

A5

A0A6

A7

A8

A9

A10

Q0

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q7

Q6

& EN

CE/PGM

OE

EPROM

2048X8

Símbolo Lógico de una EPROM de 2048 x 8




33

Programador Universal: Dispositivo

electrónico que permite, leer, borrar y

programar, memorias tipo EPROM,

EEPROM, FLASH, microcontroladores,

PLD´s entre otros.

Borrador de memorias UV EPROM:

Dispositivo electrónico temporizado,

para exponer a luz ultravioleta las

memorias EPROM.




34

Memoria FLASH : Son memorias de lectura/escritura de alta densidad no

volátil, lo que significa que pueden almacenar los datos indefinidamente en

ausencia de alimentación.

Es la memoria ideal , tiene alta capacidad de almacenamiento, permite

lectura y escritura, alta velocidad y no volátil.

La célula de memoria flash es monotransistor (MOS), con una puerta de

control y una flotante donde se almacenan los electrones (carga)




+VPROG

Puerta

flotante

0V

+VD +VD

almacenando un 0 almacenando un 1

Proceso de Almacenamiento

De un 1 o 0 en una célula Flash

Durante la programación

Drenador

Fuente

Puerta de

Control

Puerta

Flotatente

Símbolo del

Transistor MOS

Muchos

electrones = mas

carga = 0 almacenado

Pocos

electrones = menos

carga = 1 almacenado

Célula de almacenamiento

De una memoria flash




+VREAD +VREAD

+VD+VD

0V0V

i

Lectura de un 0 Lectura de un 1

Operación de Lectura de

una célula flash de una matriz




37

0V

+ERASE

Operación de Borrado de

una célula flash de una matriz

Para borrar una célula, se aplica a la fuente

Una tensión suficientemente positiva con

Respecto a la puerta de control, con el fin de

Extraer la carga de la puerta flotante durante

La operación de borrado




38

A0 - A12 Addresses

CE Chip Enable

OE Output Enables

O0 - O7 Outputs

PGM Program

VPP Voltage Program

PIN NAMES

Lectura 0 0 1 Vcc Vcc Dout

Desactivado 1 X X Vcc Vcc Alta Z

Programacion 0 X 0 Vpp Vcc Din

Vrificacion del Programa 0 0 1 Vpp Vcc Dout

Promacion Prohibida 1 X X Vpp Vcc Alta Z

PIN

MODOCE OE PGM Vpp Vcc Outputs

Vcc = 5VVpp = 25V

Ejemplo de algunas memorias EPROM comerciales




Tipo de memoria Volátil Alta densidadCelda con un

solo transistor

Reescribible en

El sistema final

FLASH No SI SI SI

SRAM SI No No Si

DRAM SI Si Si Si

ROM No Si Si No

EPROM No Si Si No

EEPROM No No No Si

39

Comparación de los Tipos de Memorias




Bus de Dirección

40

CPU

ROM RAM I/O(8255)

Bus de Datos

RD RD RDWRWR

RD

WR

D

A

DECODIFICADOR

CS CS CS

Esquema General de Un Sistema Microprocesado


MicrocontroladoresSistema microprocesado


Entradas y Salidas

Bus de Control

41

El microprocesador es un circuito

integrado que realiza opera raciones de

transferencia de datos, control,

aritméticas, lógicas y tratamientos de las

interrupciones mediante la ejecución de

instrucciones obtenidas en la memoria.

MICROPROCESADOR

CU

ALU

REGS

Bus de Datos

Bus de

Direcciones

CPU

Bus de control


MicrocontroladoresSistema microprocesado


42

Unidad de cálculo (ALU): para la ejecución de operaciones aritmético y lógicas.

Unidad de control (UC): capaz de coordinar el funcionamiento de todo el sistema y de

tomar decisiones en función de resultados previos.

Sistema de Memoria: para la obtención de instrucciones (Programa) y

almacenamiento de información (variables del programa).

Un Sistema de Entradas/Salidas: para establecer la comunicación con el mundo

exterior (recepción de órdenes, datos, y entrega de resultados tanto de carácter analógico

como digital).

BLOQUES FUNCIONALES DE UN PROCESADOR:


MicrocontroladoresMicroprocesador


CPU

MEMORIA

RAM

Puerto

Paralelo

MEMORIA

ROM

CONVERTIDOR

A/D

Temporizador

Puerto

Serie

CONVERTIDOR

D/A

Un microcontrolador

integra la CPU y todos los

periféricos en un mismo

chip.

El programador se

desentiende de una gran

cantidad de dispositivos y se

concentra en el programa

de trabajo.


MicrocontroladoresMicrocontroladores


44

CARACTERÍSTICAS DE LOS MICROCONTROLADORES

Un sistema con estructura integrada.

Gran capacidad para atender interrupciones en cuanto a rapidez y gestión de

prioridades.

Arquitectura dotada para el multiprocesamiento.

Memoria RAM y ROM interna de gran capacidad, y facilidad para adicionar

memoria externa.

Controladores de periféricos adaptados para aplicaciones específicas y cada vez

más inteligentes.

Versión de bajo consumo para aplicaciones especiales.

inmunidad al ruido eléctrico.

Ejecución rápida y eficiente de instrucciones.

Líneas de Entrada/Salida programables.




45

Clasificación de Los Microcontroladores

Clasificación

de los

Microcontroladores

Por la

Arquitectura

Por las

Prestaciones

Por la

Tecnología

Propósito general

DSP (Digital Signal

Processor).

ASIP (Application Specific

Integrated Processor).

Otros

Gama Baja

Gama Media

Gama Alta

Multiprocesador

Alimentación

Consumo

Frecuencia




46

Aplicaciones

Típicas de un

microcontrolador

Informática:

Impresoras,

Plotters

CDROM

Oficina:fax

fotocopiadoras.

Electrodomésticos:Calefactores, lavadoras,

lavavajillas, etc.

Imagen y Sonido: Procesamiento de Señales

control de los motores

Luces Robóticas,

vídeo, etc.

La industria :Regulación,

Automatismos, Robótica,

Control de procesos,

Control de inyección

Seguridad :Control de encendido,

Alarmas,

Control de energía,

Remoto de

electrodomésticos, etc.

OTROS:En medicina.

En aplicaciones militares.

En edificios inteligentes.




47

Las casas

fabricantes de μC

más conocidas en

el mercado

actualmente son:

Motorola

Intel

Zilog

Microchip

National Semiconductor

Mitsubishi

Rockwell

Dallas




48

Algunas

Familias de

Microcontroladores:

MCS-48

MCS-51INTEL

PIC16FXX

PIC18FXXMicrochip

Z8XX

Z8608

Z8603Zilog

68XX

68HC11Motorola




49

Fabricante

PINES DE ENTRADA SALIDA

• Digitales

• Análogos

Memoria de Datos (bus de datos)

Memoria de programaCaracterísticas, que

definen la utilización de

un microcontrolador en

una aplicación

especifica

Velocidad de procesamiento

Hardware externo

Alimentación de voltaje

Precio

Periféricos




introduccion a los sistemas microprocesados

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