PDF de programación - Introducción a los microcontroladores

DEPARTAMENTO ELECTRÓNICA

INTRODUCCIÓN A LOS
MICROCONTROLADORES



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A
M
E
T
-

C
I
P

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INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

• Microprocesador

– Sistema secuencial Síncrono: Estados Infinitos.
– Interpreta (decodifica) combinaciones de bits (órdenes) y genera
señales digitales internas y/o externas para el resto de circuitos, para
“ejecutar” de manera continua una secuencia de órdenes ( programa).
– Necesita una alimentación estable, un oscilador para sincronizar las
ejecuciones y un sistema mínimo exterior.

Microprocesador Intel 80486DX2.

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• Sistema mínimo microprocesador

MEMORIA

Microprocesador
ALU

UC

REG

UNIDAD DE CONTROL

Y PROCESOS

• UNIDAD DE CONTROL
• UNIDAD ARITMETICO-LÓGICA
• REGISTROS

DISPOSITIVOS

DE

ENTRADA
SALIDA

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INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

• Microcontrolador

– Integrado que incluye un microprocesador, memoria (de programa y
datos) y unidades de entrada/salida (puertos paralelo, temporizadores,
conversores A/D, puertos serie, etc)
– “SISTEMAS EMPOTRADOS” (Embedded systems): Sistemas que incorporan
microcontroladores (o microprocesadores) para una tarea específica pero que
no son “visibles” ni “programables” directamente por el usuario (teléfono
móvil, lavadora, etc)

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• Microcontrolador

– VENTAJAS:

• Bajo Coste.

– Simplificación de stock, reducido tamaño placa, simplificación fabricación.

• Alto grado de integración/Simplificación de periféricos.

– Disminuye el hardware, placas menos complejas, aumenta la fiabilidad al
reducirse el número de componentes.

• Aumento de capacidad y velocidad de ejecución.
• Disminución consumo.

– Utilización de tecnologías MOS, CMOS o HCMOS.

– INCONVENIENTES:

• Necesidad de herramientas y sistemas de desarrollo que incrementan el
tiempo y el coste de diseño.
• Programación: necesidad de programación por máscaras en grandes
series y de diferentes tipos en pequeñas series.

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• Estructura Microcontrolador

– CPU.
– Memoria RAM de datos.
– Memoria ROM/UVPROM/OTPROM de programa.
– Memoria EEPROM de datos.
– Puertos de entrada-salida.
– Temporizadores/contadores.
– Sistemas de interrupción.
– Módulos auxiliares:

USART

• Convertidores A/D.
• USART.
• Etc

SPI
I2C

A / D

EEPROM

CAP
COMP
PWM

D / A

Power
Drivers

FLASH

Display
Drivers

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• Aplicaciones Microcontrolador

Los microcontroladores se usan cuando la potencia de procesamiento no es
importante.
– Robótica:

• Los sistemas basados en microprocesador y los microcontroladores se usan
extensivamente en robótica.

– Equipos informáticos:

• Impresoras, copiadoras, etc.

– Sistemas portátiles y autónomos

• Debido a su pequeño tamaño y bajo consumo.

– El sector del automóvil:

• Es uno de los mayores mercados de microcontroladores.
• Desarrollo de microcontroladores específicos:

– Deben responder a condiciones extremas.
– Deben ser muy fiables.

– Sector doméstico (de 35 a 240 microcontroladores)

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• Tipos de microcontroladores

• Según el ancho de palabra: Los hay de 4, 8, 16, y 32 bits
• Según periféricos incluidos: Serie, A/D, D/A, I/Os, timers, etc.
• Según especialidad concreta: Comunicaciones, señales, video, etc.

• Elección de un microcontrolador

– ¿Puedo obtener ayuda cuando tenga problemas?
– ¿Qué herramientas de desarrollo están disponibles y cuanto cuestan?
– ¿Qué clase de documentación tengo disponible? (manuales de referencia, notas de
aplicación, libros).
– ¿Tiene el fabricante disponibles para ese microcontrolador dispositivos periféricos?
(conversores A/D, memoria, reguladores de tensión)
– ¿Disponen de microcontroladores grabables flash, EPROM, etc. de esa misma familia?.
– Evaluar parámetros como tiempo de ciclo de instrucción y velocidad de bus, conjunto de
instrucciones y modos de direccionamiento.
– Consumo, modo standby o sleep.
– Librerias existentes, foros de Internet, soporte del fabricante.

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• Fabricantes de microcontroladores

– INTEL
– MOTOROLA
– HITACHI
– PHILIPS
– SGS-THOMSON
– NATIONAL SMC.
– ZILOG
– TEXAS INST.
– TOSHIBA
– MICROCHIP

8048-8051-80C196-80386
6805-68HC11-68HC12
HD64180
8051
ST-62XX
COP400-COP800
Z8, Z86XX
TMS370
68HC11
PIC

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INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

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INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

• Características de los Microcontroladores

1. Técnicas de fabricación

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

• Este es el nombre de la técnica con que se fabrican la mayoría

los microcontroladores.

– Características:
• Bajo consumo

– Pueden ser alimentados por baterías durante mucho tiempo.

• Modo “sleep”

– El reloj del sistema puede detenerse para reducir aún más su

consumo.

• Alta inmunidad al ruido eléctrico

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• Características de los Microcontroladores

2. Tipo de Arquitectura

– Arquitectura Von-Neuman

• Un único bus de datos para instrucciones y datos.
• Las

instrucciones del programa y

los datos se guardan

conjuntamente en una memoria común.

• Cuando la CPU se dirige a la memoria principal, primero accede
a la instrucción y después a los datos necesarios para
ejecutarla, esto retarda el funcionamiento.

– Arquitectura Harvard

El bus de datos y el bus de instrucción están separados

•
• Acceso en paralelo:

– Cuando se está leyendo una instrucción, la instrucción actual está
utilizando el bus de datos. Una vez finalizada la instrucción actual,
la siguiente ya está disponible en la CPU.

– Permite una ejecución más rápida.

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C P U
C P U

8 = 8

Program
Program
& Data
& Data
Memory
Memory

Arquitectura Von-Neumann

• El programa de instrucciones y los datos
comparten la misma memoria

Data
Data
Memory
Memory

8
16

C P U
C P U

Program
Program
Memory
Memory

12
14
16
24

Arquitectura Harvard

dos espacios

de memoria
• Utiliza
distintos para las instrucciones y
los
datos. Esto permite utilizar distinto ancho
de bus en ambos buses.

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INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

Instrucción “Long Word”

• Bus instrucción/datos separados permiten diferentes anchos de bus.

• La arquitectura Harvard permite instrucciones single-word/single-cycle

Ejemplo:

MOVE

immediate, Acc

MOVLW #imm<8>

1100 imm<8>
1 word / 1machine cycle

MOVE

#imm<8>

op code

imm<8>

2 bytes / 2 fetch cycles + exec

• La arquitectura von Newman usa dos ciclos de máquina

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• Características de los Microcontroladores

CISC (Complex Instruction Set Computer)
– El conjunto de instrucciones es bastante heterogéneo:

•

•
•

Instrucciones son muy potentes. En algunos casos equivalen a muchas
instrucciones simples.
Instrucciones especializadas para una tarea concreta.
Facilita la programación.

RISC (Reduced Instruction Set Computers)
– Al tener un conjunto de instrucciones reducido:

– El controlador es más sencillo y el chip es más pequeño.
– Es más rápido.
– Tiene un consumo menor.

SISC (Specific Instruction Set Computer)
– Incluyen instrucciones específicas para control:

•
•

Instrucciones de entrada/salida eficaces y sencillas.
Instrucciones específicas para operar a nivel de bit.

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• Características de los Microcontroladores

3. Opciones de Memoria

– EEPROM (ElectricallyErasablePROM)

• Muchos microcontroladores incorporan una pequeña memoria EEPROM
dentro del chip (Contiene parámetros que pueden cambiarse si la
aplicación lo necesita).

•
•

Es lenta.
El número de veces que se puede borrar/grabar está limitado.

– FLASH (EPROM)

• Son más rápidas que las memoria EEPROM.
• Permiten más ciclos de borrado/grabación, aunque también limitado.

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• Características de los Microcontroladores

– Memoria RAM

Útiles para programas de gran tamaño.

•
• Más rápida que las memorias no volátiles.
•
• Apropiada para aplicaciones con grandes cantidades de datos que

Número ilimitado de veces que puede grabarse.

cambian contínuamente.

– Memoria Fieldprogramming/reprogramming

• Memoria no volátil.
• Puede reprogramase sin desconectar el microcontrolador.
• Permite actualizaciones remotas.

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• Características de los Microcontroladores

– Memoria OTP (OneTime Programmable)

• Un OTP es una memoria PROM que sólo puede grabarse una vez.
• Se utiliza para pequeñas series.
• Para probar el programa; antes de fabricar grandes cantidad de

microcontroladores con memorias ROM de máscara.

• Como los ciclos de desarrollo de productos son cada vez más cortos, es
interesante para los fabricantes de microcontroladores ofrecer OTPs
como una opción.

– ROM de máscara

• Son interesantes para un gran número de unidades cuando el programa

va a ser el definitivo.

• El tiempo de entrega es largo.
• Más económicas (sin necesidad de programación).

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• Características de los Microcontroladores

– Protección del software
• El software está protegido:

– Por encriptación.
– Protección del fusible.

• Es una opción en OTPs, Flash y EPROM.
• En microcontroladores ROM de máscara no es necesaria:

– Los fabricante de ROM de máscara prueban el microcontrolador

para asegurarse que se programa correctamente.

• En modo de prueba se puede leer cualquier dispositivo:

– Se lee el código y se compara con el original.

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• Características de los Microcontroladores

– Memorias externas

• Se pueden añadir RAM / ROM externas.
• Se necesita que el microprocesador posea un modo expandido o

extendido (acceso al bus interno).

• Se utiliza el multiplexado de datos/direcciones.

– S