PDF de programación - Taller de Firmware - Introducción a los Microcontroladores

Taller de Firmware

Introducción a los Microcontroladores

Facultad de Ingeniería
Instituto de Computación



Contenido

• Microcontroladores
• Características del hardware
• Arquitectura
• Desarrollo de software



Microcontroladores

• Introducción
• En nuestras vidas
• Tipos de microcontroladores
• Arquitecturas de procesadores
• Memorias



Introducción (1/5)

• Un microprocesador (µP) es una CPU en un

solo circuito integrado.

• Un computador es una CPU, más memoria y

puertos de E/S.

• Un sistema computador es un computador

más periféricos.

• Un microcontrolador (µC) es un sistema

computador en un solo integrado orientado a
aplicaciones de control.



Introducción (2/5)



Introducción (3/5)

• Un microcontrolador es un sistema

autocontenido donde el microprocesador,
soporte, memoria y entrada/salida se
presentan dentro de un mismo integrado.

Power

Reset

Clocking



Power

Reset
Control

Clock &
Timing

Control
Store

Processor

RAM



s
t
r
o
P
O



/
I

Input &
Output
Pins

Introducción (4/5)

• Características

– Fáciles de utilizar.
– Bajo costo.
– Flexibles.
– Confiables.
– Debido a su tamaño puede incluirse dentro

del dispositivo que gobierna.



Introducción (5/5)

• Firmware

– Rutinas de software almacenadas en

memoria ROM.

– Software que se encuentra embebido en

un dispositivo de hardware.

– Es una combinación de software y

hardware.



Sistema embebido

• Es una combinación de hardware, software y elementos
mecánicos diseñados para realizar una tarea específica.

• En general, son programados por los fabricantes una única

vez.

• Ejecutan sólo un programa.
• Específicos para una tarea por lo que son optimizados para

la misma.
Interactuan con el entorno
– Directamente sensando y controlando señales sobre el cable.
– Comunicándose con el entorno o otros dispositivos.
– Interacciones en tiempo real y con restricciones.
– Bajo consumo para mantener la batería.



•



Aspectos que afectan al diseño

• Capacidad de procesamiento
• Memoria
• Cantidad de unidades a producir
• Consumo de energía
• Costo de desarrollo (hard y soft)
• Vida útil
• Confiabilidad



Rendimiento

• Eléctrico

• Computacional

– Consumo
– Voltaje
– Inmunidad al ruido
– Sensibilidad

– Velocidad de reloj
– MIPS
– Latencia
– Throughput



System on chip (SOC)

• Se refiere a integrar todos los

componentes de un computador u otro
dispositivo electrónico en un chip.

• La principal diferencia con un uC es la

memoria disponible.

• En general, los SOC corren sistemas

operativos tradicionales.



En nuestras vidas

• Televisión
• Equipo de audio
• Control remoto
• Microondas
• Teléfono
• Autos
• PC
• Teclados



Tipos de Microcontroladores

• Los microcontroladores se pueden

clasificar en:
– Microcontroladores embebidos de 8 bits.
– Microcontroladores de 16-32 bits
– Procesadores de señales digitales (DSP)



Microcontroladores de 8 bits (1/2)

• Todos los recursos necesarios están

incluidos en el chip.

• Solo necesitan alimentación y reloj.
• Proporcionan control e interfaz con

dispositivos externos de manera
económica y programable.



Microcontroladores de 8 bits (2/2)
• Disponen de:

– Reset
– Reloj
– Procesador
– Memoria ROM para el programa e interfaz de programación
– Memoria RAM para variables.
– I/O Pins.

• Adicionalmente pueden incluir:

– Capacidad de debugging
– Interrupciones
– I/O analógica
– Comunicación serial y/o paralela
– Interfaz con memoria



Microcontroladores de 16-32 bits

• No disponen de memoria en el chip.
• Ejemplo: Intel 80186, incluye controladores

de interrupciones y DMA.

s
t
r
o
P
O



/
I

Power

Reset

Clocking



Power

Reset
Control

Clock &
Timing

Processor

Memory
External
Interface



Input &
Output
Pins

Addr
Data
Ctrl

Control Store

(ROM)
Variable
Memory
(RAM)

Procesador de señales digital

• Es una categoría relativamente nueva

de microprocesadores.

• El objetivo de los DSP es tomar un

señal analógica y calcular una
respuesta apropiada.

• Ejecutan a gran velocidad para permitir

el control en tiempo real.



Fabricantes

•

Intel
– 8048
– 8051 (Intel y Otros)
– 80186, 80186 y 80386 EX.

• Microchip

– PIC

• Motorola

– 68HC11 (Motorola y Toshiba)
– 683xx

• Atmel
– AVR



Arquitectura de Procesadores

• CPU
• CISC vs RISC
• Harvard vs Princeton
• Modo de acceso a los datos
• Ciclo de instrucción



CPU

• Es el corazón del microcontrolador.
• Operación

– Obtiene una instrucción de memoria
– Decodifica la instrucción
– Ejecuta la instrucción

• Incluye:

– Registros
– ALU
– Unidad de control
– Interconexión



CISC vs RISC

• CISC Complex Instruct Set Computers
• RISC Reduced Instruct Set Computers
• Características de CISC

– Gran número de instrucciones.
– Instrucciones útiles para el programador.



Hardvard vs Princeton

• Princeton (Von

Neumann)
– Memoria común para

almacenar el programa y
las variables.

– Permite la ejecución de
código automodificable.

– Un único bus entre la

CPU y la memoria.



Harvard vs Princeton

• Harvard

– Ejecuta las

instrucciones en
menor cantidad de
ciclos por instrucción,
pues logra un
paralelismo a nivel de
instrucción mayor

– Cada palabra (datos

e instrucción) tiene
un tamaño adecuado.



Modo de acceso a los datos

• Clasificación

– Pila
– Acumulador
– Registro – Memoria
– Registro – Registro



Ciclo de instrucción (1/2)



Ciclo de instrucción (2/2)



Tipos de memorias

• Memoria de programa
• Memoria de variables
• Stack
• Registros de E/S
• Memoria Externa



Memoria de programa

• Se utiliza para almacenar el programa y

no varia durante la ejecución del
mismo.

• Tipos

– ROM con máscaras.
– PROM (OTP).
– EPROM.
– EEPROM y Flash.



Memoria de variables

• Poca memoria (cientos de bytes).
• Es una gran diferencia al momento de

programar.

• Debe tenerse mucho cuidado con el

recurso memoria al momento de
desarrollar la aplicación



Stack

• Se utiliza para realizar llamadas a

rutinas y almacenar variables locales.
• Puede ser implementado y soportado

por el microcontrolador.



Registros de E/S

• Son los componentes más utilizados del

microcontroladores .

• Los microcontroladores disponen de

registros para controlar los dispositivos
de E/S.

• Espacios

– E/S mapeada en memoria.
– Mapa E/S y mapa de memoria.



Memoria Externa

• Permite agregar memoria al

microcontrolador.

• Métodos

– Controlar la memoria a través de E/S
– Controlar la memoria a través de una

interfaz de memoria.



Características del hardware

• Presentación del

dispositivo

• Tecnologías de chips
• Reset
• Alimentación
• Reloj del sistema
• Contador de programa
• Unidad aritmética y

lógica

• Protección ante fallas
• Modo bajo consumo



Interrupciones

• Subrutinas
•
• Timers
• E/S Digital
• Comunicación
• E/S Analógica
• Dispositivos esclavos
• Programación
• Debug

Presentación del dispositivo (1/2)

• El encapsulado protege el chip del polvo,

temperatura, humedad y golpes.

• Características

– Costo
– Tamaño
– Calidad

• Tipos

– Plásticos
– Cerámicos



Presentación del dispositivo (2/2)



Tecnologías de chips

• La mayoría de los microcontroladores

están construidos con tecnología
CMOS (Complementary Metal Oxide
Semiconductor).



Alimentación

• Minimizar el consumo de corriente es un

tema a tener en cuenta.

• Hay que tener en cuenta el consumo:

– Del microcontrolador en modo normal.

• Depende de la frecuencia y del voltaje proporcionado.

– Del microcontrolador en modo sleep.
– Del los dispositivos conectados a la E/S.

• Particular de cada aplicación.
• Pueden gestionarse adecuadamente los dispositivos.



Reset

• Permite llevar al microcontrolador a un
estado conocido. Inicializando todos los
componentes del µC.

• POR.
• BOR.



Reloj del sistema

• Los µC están diseñados para ejecutar con

poco soporte externo para el reloj del
sistema.

• Los µCs corren en el entorno de las decenas

de megahetz.

• Existen diversos métodos para proporcionarle

el reloj al µC:
– Usando un cristal
– Resonador cerámico
– Oscilador RC
– Ninguno.



Contador de programa

• Permite conocer que instrucción está

ejecutando el µC.

• El módulo PC debe tener

– Entradas

• Carga en paralelo (datos y control)
• Incrementar
• Reset
– Salida



Unidad aritmética y lógica

• Circuito combinatorio encargado de

ejecutar las operaciones aritméticas y
lógicas, como ser:
– Suma, Resta e Identidad
– and, or, not, desplazamientos y rotaciones.



Protección ante fallas

• Watch Dog Timer

– Es utilizado para prevenir caídas del software.
– En entornos con ruido eléctrico, puede ocurrir que

el PC del µC se vea afectado y éste comience a
ejecutar en un lugar indeterminado.

– El circuito WDT se encarga de resetear el µC si el

registro WD se desborda.

• Protección ante caídas en la alimentación.



Modo bajo consumo

• En caso que no sea necesario ejecutar
procesamiento es posible indicar al µC
que se duerma reduciendo el consumo
del sistema.



Subrutinas

• Instrucción call.

– Soporte de hardware para el stack
– Software

• Pasaje de parámetros

– Stack (variables locales)
– Memoria
– Registros



Interrupciones

• Esqueleto de

Manejador
– Salvar el contexto.
– Aviso al controlador y al

dispositivo que es
atendido.

– Atender al dispositivo.
– Restaurar el contexto
– Retornar de la

interrupción



Timers

• Se utiliza para trabajar con eventos de

tiempo.

• Contadores: cuentan acontecimientos

que suceden en el exterior.

• Temporizadores: controlan períodos de

tiempo.



E/S Digital

• La comunicación del µC con el mundo

se da a través de sus pines de E/S.

• Estos pines son compartidos con

módulos del µC.

• Pueden configurarse con entrada o

salida.



Comunicación

• Serial o paralela