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Tema 2

INTRODUCCION A LOS MICROCONTROLADORES

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Tema 2: INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

• 2.1 Introducción• 2.2 Características• 2.3 Los microcontroladores más utilizados• 2.4 Lenguajes de programación• 2.5 Herramientas de desarrollo

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• Los microcontroladores están adquiriendo mayor presencia en nuestra vida cotidiana sin que aparentemente notemos su presencia. Están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en los teléfonos, en los hornos microondas, los televisores, los teléfonos móviles, las consolas de videojuegos...

2.1. Introducción

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• Controlador: dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula elfuncionamiento de un horno.

• Microcontrolador: un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

2.1. Introducción

Controlador y microcontrolador

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• Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:– Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso)– Memoria RAM para Contener los datos.– Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.– Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.– Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores,

Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.).

– Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamientode todo el sistema.

2.1. Introducción

Microcontrolador

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Tema 2: INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES2.1. Introducción

Diferencia entre microprocesador y microcontrolador

El microcontrolador es un sistema cerrado. Todas las partes del computador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos.

μCPeriféricos Periféricos

Microcontrolador

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Diferencia entre microprocesador y microcontroladorUn microprocesador es un sistema abierto

porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine.

μP

Periféricos Periféricos

Microprocesador

Memoria Controlador 1 Controlador 2

Bus Direcciones

Bus Datos

Bus Control

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Aplicaciones de los Microcontroladores

• Aparatos electrodomésticos: microondas, frigoríficos, hornos, TV, reproductores y grabadores de CD y DVD, equipos de sonido, teléfonos,...

• Equipos informáticos: impresoras, módems, unidades de disco, ratones, teclados,..

• Automóviles: mando de sistemas del automóvil (ABS, inyección, encendido, climatizador..)

• Domótica: sistemas antirrobo, climatizadores,..

• Instrumentación: equipos de medida

• Robótica

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El Mercado de los Microcontroladores

• se venden cientos de microcontroladores por cada microprocesador• existe una gran diversidad de microcontroladores:clasificación según

tamaño palabra en microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits• la totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con

tecnología CMOS

Distribución de ventas según aplicación

33% computadores y periféricos

25% electrodomésticos, juegos, TV,..16% comunicaciones

16% industria

10% automoción

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Tema 2: INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES2.2. Características

Todos los microcontroladores deben disponer de los bloques esenciales: procesador (CPU), memoria de datos y de instrucciones, líneas de E/S, oscilador de reloj y módulos controladores de periféricos.

Sin embargo, cada fabricante intenta enfatizar los recursos más idóneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente.

2 tipos de arquitecturas:• Von Neumann• Harvard

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El modelo básico de arquitectura empleada por los computadores digitales fue establecida en 1945 por VonNeumann.

Este tipo de arquitectura consta de los siguientes bloques:• Memoria principal• Unidad aritmético-lógica• Unidad de control• Unidad de entrada/salida

Arquitectura: Von Neumann

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UNIDADARITMÉTICO-

LÓGICA

MEMORIAPRINCIPAL

UNIDAD DE CONTROL

PeriféricoRegistros

UN

IDA

D D

E EN

TRA

DA

/SA

LID

A

Periférico

Periférico

Periférico

Periférico

Registros

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• Memoria principal: se emplea para almacenar datos o instrucciones. Se compone de una serie de celdas a cada una de las cuales se accede a través de una dirección. Cada celda estácompuesta de un número de bits que nos da el ancho de palabra de la memoria.

• Unidad aritmético-lógica: permite realizar las operaciones elementales (AND, OR, NAND, NOR, suma, resta, etc.). Estas operaciones las realiza con datos procedentes normalmente de la memoria y los resultados parciales los almacena o no temporalmente en algunos registros que suele tener la propia unidad aritmética. Las operaciones básicas que puede realizar un computador se dividen en operaciones lógicas y operaciones aritméticas. Ambos tipos de operaciones se realizan dentro de esta unidad.

• Unidad de control: se encarga de generar las señales necesarias para que todo el computador ejecute las instrucciones leídas de la unidad de memoria. La unidad de control es la encargada de leer de forma consecutiva las instrucciones (que se encuentran almacenadas en la unidad de memoria), y generar las señales eléctricas necesarias para proceder a la ejecución de cada una de estas instrucciones. Es la unidad que gobierna y gestiona el comportamiento de un computador.


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• Unidad de entrada/salida: realiza la transferencia de información con el exterior, con las unidades que se conocen con el nombre de periféricos.

• Buses: caminos que unen los distintos bloques del computador y a través de los cuales circulan los datos y las instrucciones. Dependiendo del tipo de información que se trate podemos hablar de diferentes caminos:

• Bus de datos: circulan los datos de las operaciones que se van a efectuar.• Bus de direcciones: circulan las direcciones de memoria donde se encuentra

almacenado algún tipo de información a la que se desea acceder.• Bus de control: circulan las señales de control generadas por la unidad de

control para la ejecución de las instrucciones.


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• La agrupación de algunos bloques funcionales del computador como son la unidad de control, la unidad aritmético-lógica y los registros recibe el nombre de unidad central de proceso (CPU).


UNIDADARITMÉTICO-

LÓGICA

Registros

UNIDAD DE CONTROLRegistros

CPU(Central Process Unit)

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La arquitectura de von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control).

Arquitecturas: Von Neumann vs. Harvard

La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias.

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CPU DATOSE

INSTRUCCIONES

MEMORIA

datos

control

instrucciones

El Motorola 68HC11 tiene una arquitectura tipo Von Neumann

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Arquitectura: Harvard

CPUINSTRUCCIONES

MEMORIA

DATOS

MEMORIA

datos

controlcontrol

instrucciones

Los microcontroladores PIC tienen una arquitectura tipo Harvard

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Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software.

Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecuciónde la operación que implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del resultado.

Procesador o CPU

Tipos:CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo)RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido)SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico)

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Memoria de programa: no volátil, tipo ROM (Read Only Memory)Memoria de datos: volátil, tipo RAM (Random Access Memory)

Tipos de memoria no volátil (ROM):• ROM con máscara• OTP (One Time Programmable)• EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)• EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only

Memory)• FLASH

Tipos de memorias

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Puertas de E/S: patitas de la cápsula del microcontrolador, que lo comunican con los periféricos exteriores

Puertas de E/S y reloj

Reloj principal: un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema.

Generalmente, el circuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C.

Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el tiempo en que se ejecutan las instrucciones pero lleva aparejado un incremento del consumo de energía.

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• Temporizadores o “Timers”.• Perro guardián o “Watchdog”.• Protección ante fallo de alimentación o “Brownout”.• Estado de reposo o de bajo consumo.• Conversor A/D.• Conversor D/A.• Comparador analógico.• Modulador de anchura de impulsos o PWM.• Puertas de E/S digitales.• Puertos de comunicación: UART, USART, USB,

CAN,...

Recursos especiales

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2.3. Los microcontroladores más conocidos

Esta es una lista fabricantes de microcontroladores:

•1 AMCC •2 Altera•3 Atmel•4 Charmed Labs •5 Cypress MicroSystems•6 Dallas Semiconductor •7 Freescale Semiconductor •8 Fujitsu •9 Holtek•10 Infineon•11 Intel •12 Lattice Semiconductor •13 Microchip Technology •14 National Semiconductor •15 NEC •16 Parallax •17 Philips Semiconductors •18 Rabbit Semiconductor •19 Renesas Technology •20 Silabs•21 Silicon Motion •22 STMicroelectronics•23 Texas Instruments •24 Toshiba •25 Western Design Center •26 Ubicom•27 Xemics•28 Xilinx•29 ZiLOG

PIC

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Los microcontroladores más comunes:

PIC

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Microchip PIC

•Familia 8 bit: PIC10, PIC12, PIC16, PIC18•Familia 16 bit: PIC24F, PIC24H,dsPIC30, dsPIC33•PIC32

16F84 16F87X

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Tema 2: INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES2.3. Los microcontroladores más conocidos

¿Qué microcontrolador emplear?

• Factores a considerar según la aplicación:– Costes– Procesamiento de datos– E/S– Consumo– Memoria– Ancho de palabra– Diseño de la placa

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2.4. Lenguajes de programación

Lenguaje máquina: representación del programa tal como la entiende el microcontrolador

0101000011111110000

Lenguaje ensamblador: representación alfanumérica del lenguaje máquina, lo que facilita su lectura.

clrf PORTAbcf STATUS, RP0

Lenguajes de alto nivel. Lenguaje C

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2.5. Herramientas de desarrollo

Ensamblador: El programa ensamblador es un software que se encarga de traducir los nemónicos y símbolos alfanuméricos del programa escrito en ensamblador por el usuario a código máquina.

MPASM

Compilador: El programa compilador es un un software que se encarga de traducir el programa escrito en C el usuario a código máquina.

MikroC, CCS

Simulador: Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos

MPSIM

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2.5. Herramientas de desarrollo

Entornos de desarrollo:

MPLAB (incluye MPASM y MPSIM)

Proteus

Placas de evaluación: Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a los pines de E/S, etc.

EasyPIC

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