PDF de programación - Arquitectura y Organización de un microcontrolador genérico

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Arquitectura y Organización

de un microcontrolador

genérico

Taller de Microcontroladores

año 2012

Optativa de grado y
Curso de Posgrado

Temario

1- Surgimiento y desarrollo

1.1 Ámbito de aplicación
1.2 Sistemas embebidos - ASICs
1.3 Similitudes y diferencias con los

microprocesadores

2- Organización interna

2.1- Arquitecturas Hardvard – von neumann

característica

2.2- Memoria de programa
2.3- Memoria de datos.
2.4- Unidad lógica y aritmética
2.5- Registros de estado

Surgimiento y desarrollo

1971 Intel fabrica el primer microprocesador (el 4004) de
tecnología PMOS. Este era un microprocesador de 4
bits y fue fabricado por Intel a petición de Datapoint
Corporation con el objeto de sustituir la CPU de
terminales inteligentes que eran fabricadas en esa
fecha por Datapoint mediante circuitería discreta. El
dispositivo fabricado por Intel resultó 10 veces más
lento de lo requerido y Datapoint no lo compró, de esta
manera Intel comenzó a comercializarlo. El 4004 era un
microprocesador de 4 bits, contenía 2,300
transistores y corría a 108 Khz podía direccionar sólo
4096 (4k) localidades de memoria de 4 bits, reconocía
45 instrucciones y podía ejecutar una instrucción en 20
µseg en promedio. Este procesador se utilizó en las
primeras calculadoras de escritorio.

1972 Las aplicaciones del 4004 estaban muy limitadas por

su reducida capacidad y rápidamente Intel desarrolló
una versión más poderosa (el 8008), el cual podía
manipular bytes completos, por lo cual fue un
microprocesador de 8 bits. La memoria que este podía
manejar se incrementó a 16 kbytes, sin embargo, la
velocidad de operación continuó igual.

Surgimiento y desarrollo

1973 Intel lanza al mercado el 8080 el primer microprocesador de tecnología NMOS, lo

cual permite superar la velocidad de su predecesor (el 8008) por un factor de diez, es
decir, el 8080 puede realizar 500000 operaciones por segundo, además se
incrementó la capacidad de direccionamiento de memoria a 64 kbytes. A partir del
8080 de Intel se produjo una revolución en el diseño de microcomputadoras y varias
compañías fabricantes de circuitos integrados comenzaron a producir
microprocesadores. Algunos ejemplos de los primeros microprocesadores son: el
IMP-4 y el SC/MP de National Semiconductors, el PPS-4 y PPS-8 de Rockwell
International, el MC6800 de Motorola, el F-8 de Fairchild.

1975 Zilog lanza al mercado el Z80, uno de los microprocesadores de 8 bits más

poderosos. En ese mismo año, Motorola abate dramáticamente los costos con sus
microprocesadores 6501 y 6502 (este último adoptado por APPLE para su primera
microcomputadora personal). estos microprocesadores se comercializan en $20 y $25
(dls. USA) respectivamente. Esto provoca un auge en el mercado de
microcomputadoras de uso doméstico y un caos en la proliferación de lenguajes,
sistemas operativos y programas (ningún producto era compatible con el de otro
fabricante).

1976 Surgen las primeras microcomputadoras de un sólo chip, que más tarde se

denominarán microcontroladores. Dos de los primeros microcontroladores, son el
8048 de Intel y el 6805R2 de Motorola.

Surgimiento y desarrollo

198x En la década de los 80's comienza la ruptura entre la evolución tecnológica de los

microprocesadores y la de los microcontroladores, Ya que los primeros han ido
incorporando cada vez más y mejores capacidades para las aplicaciones en donde
se requiere el manejo de grandes volúmenes de información y por otro lado, los
segundos han incorporado más capacidades que les permiten la interacción con el
mundo físico en tiempo real, además de mejores desempeños en ambientes de tipo
industrial.

Surgimiento y desarrollo
Sistema mínimo de computadora

CPU

Unidad de control
Unidad de proceso
Registros

Sistemas embebidos y ASICs

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)

Sistema Embebido (Embedded systems):
Sistema que incorpora microcontroladores (o
microprocesadores) para una tarea específica
pero que no es “visible” ni “programable”
directamente por el usuario (celular,
lavarropas, MP3, etc)

Sistemas embebidos y ASICs
ASIC: Application Specific Integrated Circuit

Circuito Integrado hecho a la
medida para un uso en particular, en
vez de ser concebido para propósitos
de uso general

Microcontroladores
• Aplicaciones de los microcontroladores

Se usan fundamentalmente cuando la potencia de cálculo no es
importante

• Robótica: Muy usados en subsistemas específicos de control
(extremidades, facciones del rostro, soportes prensiles, etc.)

• Equipamiento informático: impresoras, scanners, copiadoras…

• Sistemas portátiles y autónomos

• Sector automotriz: control centralizado de puertas y ventanas,

climatizadores, inyección, alarmas, etc.

• Sector doméstico: integrado en los sistemas de televisores,

lavarropas, microondas, heladeras, videos, etc.

Microcontroladores

Tipos de microntroladores

• Según el ancho de palabra: 4, 8, 16 y 32 bits
• Según los periféricos incluidos: serie, A/D, D/A, I/O´s, timers, etc.
• Según la especialidad concreta: comunicaciones, señales, video, etc.

Elección de un microcontrolador

• Hay ayuda disponible ante problemas?
• Hay herramientas de desarrollo en mercado?. Cuanto cuestan?
• Hay documentación disponible (manuales, libros, ejemplos de uso)
• Que dispositivos soportan las versiones del microcontrolador elegido?
• Que modo de grabación soporta la familia? (flash, EPROM, EEPROM)
• Que velocidad tiene, Modos de direccionamiento, Set de instrucciones
• Consumo en modo de uso y modo standby
• Otro tipo de soportes adicionales (librerías, foros, etc.)

Fabricantes de microcontroladores

• INTEL
• MOTOROLA
• HITACHI
• PHILIPS
• SGS-THOMSON
• NATIONAL Semiconductor
• ZILOG
• TEXAS INSTRUMENT
• TOSHIBA
• MICROCHIP
• ATMEL

8048 – 8051 – 80C196 – 80386
6805 – 68HC11 – 68HC12
HD64180
8051 (si es el de intel…)
ST62XX
COP400 – COP800
Z8 – Z86XX
TMS370
68HC11 (si, el de Motorola…)
serie PIC
8051 - AT91SAM - AVRAVRAVRAVR - AVR32

Cuota de mercado de micros de 8 bits

Organización interna
Arquitecturas

Von Neumann
• 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.

Hardvard
• El bus de datos y el bus de instrucciones 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.

Organización interna

Ciclo de instrucción

Von Neumann

inst 1

lectura /

decodificación

lectura de
operandos

ejecución

inst 2

lectura /

decodificación

lectura de
operandos

ejecución

Hardvard

inst 1

lectura /

decodificación

inst 2

lectura de
operandos
lectura /

decodificación

ejecución

lectura de
operandos

ejecución

Organización interna

Estructura genérica de un microcontrolador

Organización interna

Tipos de memorias

RAM:

EEPROM:

Flash:

Variables locales, datos parciales.
Usualmente se trata como banco de registros (PIC)

Grabable desde el programa de programación del
microcontrolador.
Usualmente, constantes de programa

Memoria de programa.
Usualmente desde 1 Kb a 4 Mb (controladores de
familias grandes)

Organización interna

Dispositivos auxiliares

Puertos de entrada/salida (paralelo) digitales: Permiten configurar cada una de sus líneas como
entrada o salida digital de manera individual (sin protocolo) o en bloques para comunicación con protocolo.

Puertos Analógicos. Permiten adquirir señales digitales mediante convertidores
Analógico a Digital.

Temporizadores con funciones del tipo:

o Entradas temporizadas o de captura: permiten capturar o medir el tiempo en

que ocurren eventos exteriores

o Salidas temporizadas o de comparación: permiten generar señales temporizadas
o Conteo de eventos: permiten contar eventos externos

Salidas PWM (Pulse Width Modulation): permiten generar salidas analógicas.

Dispositivos de vigilancia (watchdogs): evitan “caídas” del sistema

Controladores de interrupciones: administran la ejecución de tareas por interrupciones, lo cual permite la
multitarea.

Controladores de Acceso Directo a la Memoria (DMA). Permiten que otros dispositivos aparte de la CPU
puedan acceder a la memoria.

Acondicionadores del reloj y del reset. Permiten generar adecuadamente las señales de reloj y de reset.

Hoy dia…

Según encuesta electrónica julio 2011

Microchip

Atmel

Motorola

NXP

Rabbit

Texas Instruments

Freescale

ST

National

Otro (¿cuál?)

72.73%

15.91%

4.55%

0%

0%

2.27%

4.55%

0%

0%

0%

AVR vs PIC

Opción de comprar placas del Arduino con un micro con 128k de flash, 8 de SRAM
y 4 de EEPROM, además de varios de periféricos.

Placa con chip FTDI (Future Technology Devices International) para comunicarse con el usb
de la pc vía la usart, reguladores de tensión, y documentación completa que hace
que sea ideal para empezar.

En cuanto al AVR, la memoria no está en bancos como en el PIC.

El stack de AVR no está limitado a 8 palabras como en los pics, si no que esta en
la memoria directamente.

AVR tiene 32 registros de trabajo frente a 1 del PIC.

AVR tiene muchos vectores de ISR, cada interrupción salta directamente a su
vector, mientras que en los PIC hay muchos menos.

En AVR el compilador optimiza el código bastante bien y es mucho más cómodo
programar en C para el AVR que para los PICs.

PIC vs AVR

Distribución de pruebas gratuitas de PIC físicos.

Mucha documentación en su web oficial
  • Links de descarga
http://lwp-l.com/pdf6010

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