Arquitectura y Organización de un microcontrolador genérico Taller de Microcontroladores año 2012 Optativa de grado y Curso de Posgrado
Temario
1- Surg Surgimi imien ento to y desar desarro rollo llo 1.1 Ámbito de aplicación 1.2 ist istem emas as embe embebid bidos os ! "#Cs "#Cs 1.$ imilitudes y di%erencias con los microprocesadores 2- Organ Organiz izac ació ión n inte intern rna a 'ardva varrd ( von neumann 2.1! "r&uitecturas 'ar caracter)stica 2.2! Memori Memoriaa d dee progra programa ma 2.2! 2.$! 2.$! Me Memo mori riaa de dat datos os.. 2.*! +nida +nidad d lógica lógica y aritm aritm,ti ,tica ca 2.*! 2.-! e egis gistro tross de de estad estado o 2.-!
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 $25 (dls. USA) respectivamente. Esto provoca un auge en el mercado de microcomputadoras de uso doméstico y un caos en la proliferación de lenguajes, sistemas operativos y programas (ningún producto era compatible con el de otro fabricante). 1976 Surgen las primeras microcomputadoras de un sólo chip, que más tarde se denominarán microcontroladores. Dos de los primeros microcontroladores, son el 8048 de Intel y el 6805R2 de Motorola.
Surgimiento y desarrollo
198x En la década de los 80's comienza la ruptura entre la evolución tecnológica de los microprocesadores y la de los microcontroladores, Ya que los primeros han ido incorporando cada vez más y mejores capacidades para las aplicaciones en donde se requiere el manejo de grandes volúmenes de información y por otro lado, los segundos han incorporado más capacidades que les permiten la interacción con el mundo físico en tiempo real, además de mejores desempeños en ambientes de tipo industrial.
Surgimiento y desarrollo istema m)nimo de computadora
CP+
+nidad de control +nidad de proceso egistros
Sistemas embebidos y ASICs Microcontrolador #ntegrado &ue incluye un microprocesador/ memoria de programa y datos y unidades de entradasalida puertos paralelo/ tempori3adores/ conversores "4/ puertos serie/ etc istema 5mbebido 5mbedded systems6 istema &ue incorpora microcontroladores o microprocesadores para una tarea espec)%ica pero &ue no es 7visible8 ni 7programable8 directamente por el usuario celular/ lavarropas/ MP$/ etc
Sistemas embebidos y ASICs "#C6 "pplication peci%ic #ntegrated Circuit Circuito Integrado 9ec9o a la
medida para un uso en particular/ en ve3 de ser concebido para propósitos de uso general
Microcontroladores : "plicaciones de los microcontroladores e usan %undamentalmente cuando la potencia de c;lculo no es importante : obótica6 Muy usados en subsistemas espec)%icos de control e
Microcontroladores Tipos de microntroladores : eg>n el anc9o de palabra6 */ ?/ 1@ y $2 bits : eg>n los peri%,ricos incluidos6 serie/ "4/ 4"/ #OAs/ timers/ etc. : eg>n la especialidad concreta6 comunicaciones/ señales/ video/ etc.
Elección de un microcontrolador : 'ay ayuda disponible ante problemasB : 'ay 9erramientas de desarrollo en mercadoB. Cuanto cuestanB : 'ay documentación disponible manuales/ libros/ eemplos de uso : Due dispositivos soportan las versiones del microcontrolador elegidoB : Due modo de grabación soporta la %amiliaB %las9/ 5POM/ 55POM : Due velocidad tiene/ Modos de direccionamiento/ et de instrucciones : Consumo en modo de uso y modo standby : Otro tipo de soportes adicionales librer)as/ %oros/ 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 - AVR AVR AVR AVR32
Cuota de mercado de micros de 8 bits
Organización interna "r&uitecturas Eon Feumann : +n >nico bus de datos para instrucciones y datos. : Gas instrucciones del programa y los datos se guardan conuntamente en una memoria com>n. : Cuando la CP+ se dirige a la memoria principal/ primero accede a la instrucción y despu,s a los datos necesarios para eecutarla/ esto retarda el %uncionamiento.
'ardvard : 5l bus de datos y el bus de instrucciones est;n separados : "cceso en paralelo6 ( Cuando se est; leyendo una instrucción/ la instrucción actual est; utili3ando el bus de datos. +na ve3 %inali3ada la instrucción actual/ la siguiente ya est; disponible en la CP+. ( Permite una eecución m;s r;pida.
Organización interna Ciclo de instrucción Eon Feumann inst 1
lectura decodi%icación
lectura de operandos inst 2
eecución lectura decodi%icación
lectura de operandos
'ardvard inst 1
lectura decodi%icación inst 2
lectura de operandos lectura decodi%icación
eecución lectura de operandos
eecución
eecución
Organización interna 5structura gen,rica de un microcontrolador
Organización interna Tipos de memorias "M6
Eariables locales/ datos parciales. +sualmente se trata como banco de registros P#C
55POM6
Hrabable desde el programa de programación del microcontrolador. +sualmente/ constantes de programa
Ilas96
Memoria de programa. +sualmente desde 1 Jb a * Mb controladores de %amilias grandes
Organización interna 4ispositivos au
entrada o salida digital de manera individual sin protocolo o en blo&ues para comunicación con protocolo. Puertos !nalógicos. Permiten ad&uirir señales digitales mediante convertidores
"nalógico a 4igital.
Temporizadores con %unciones del tipo6
o 5ntradas tempori3adas o de captura6 permiten capturar o medir el tiempo en &ue ocurren eventos e
4ispositivos de vigilancia $atc%dogs6 evitan 7ca)das8 del sistema Controladores de interrupciones6 administran la eecución de tareas por interrupciones/ lo cual permite la
multitarea.
Controladores de !cceso &irecto a la #emoria (DMA). Permiten &ue otros dispositivos aparte de la CP+
puedan acceder a la memoria.
!condicionadores del relo' y del reset. Permiten generar adecuadamente las señales de relo y de reset.
Hoy dia Segn encuesta electrónica 'ulio 2)11
Microc9ip
K2.K$L
"tmel
1-.1L
Motorola
*.--L
FNP
0L
abbit
0L
Te
2.2KL
Ireescale
*.--L
T
0L
Fational
0L
Otro cu;lB
0L
A!" #s $IC Opción de comprar placas del "rduino con un micro con 12? de %las9/ ? de "M y * de 55POM/ adem;s de varios de peri%,ricos. Placa con c9ip IT4# Iuture Tec9nology 4evices #nternational para comunicarse con el usb de la pc v)a la usart/ reguladores de tensión/ y documentación completa &ue 9ace &ue sea ideal para empe3ar. 5n cuanto al "E/ la memoria no est; en bancos como en el P#C. 5l stac de "E no est; limitado a ? palabras como en los pics/ si no &ue esta en la memoria directamente. "E tiene $2 registros de trabao %rente a 1 del P#C. "E tiene muc9os vectores de #/ cada interrupción salta directamente a su vector/ mientras &ue en los P#C 9ay muc9os menos. 5n "E el compilador optimi3a el código bastante bien y es muc9o m;s cómodo programar en C para el "E &ue para los P#Cs.
$IC #s A!" 4istribución de pruebas gratuitas de P#C %)sicos. Muc9a documentación en su Qeb o%icial con eemplos incluidos de todo tipo. I;cil maneo/ programación/ aprendi3ae del "M/ con sólo $- instrucciones 49 instrucciones en el nuevo núcleo, orientado a C).
evistas de electrónica con tutoriales de P#C1@I?*" 5n #nternet/ muc9os proyectos con P#C para a%icionados/ estudiantes/ t,cnicos/ ingenieros/ etc...
A"M #s A!" #s $IC !*# es una ar&uitectura #C de $2 bits desarrollada por "M 'oldings.
"crónimo de Advanced RISC Machine/ y anteriormente Acorn RISC Machine. Ga ar&uitectura "M es el conunto de instrucciones de $2 bits m;s ampliamente utili3ado en unidades producidas. Ga relativa simplicidad de los procesadores "M los 9ace ideales para aplicaciones de baa potencia. Como resultado/ se 9an convertido en dominante en el mercado de la electrónica móvil e integrada/ encarnados en microprocesadores y microcontroladores pe&ueños/ de bao consumo y relativamente bao coste. 4esde 200-/ alrededor del ?L de los m;s de mil millones de tel,%onos móviles vendidos cada año utili3an al menos un procesador "M. 4esde 200/ los procesadores "M son aprosica y medios %otos/ v)deos/ etc./ y peri%,ricos de ordenador como discos duros y routers. Ga ar&uitectura "M es licenciable. Gas empresas &ue son titulares de licencias "M actuales o anteriores incluyen a "lcatel!Gucent/ "pple #nc./ "ppliedMicro/ "tmel/ Cirrus Gogic/ 4igital 5&uipment Corporation/ 5mber/ 5nergy Micro/ Ireescale/ #ntel/ GH/ Marvell Tec9nology Hroup/ Microsemi/ Microso%t/ F5C/ Fintendo/ Fuvoton/ Fvidia/ ony/ FNP antes P9ilips/ Oi/ OF emiconductor/ Psion/ Dualcomm/ amsung/ 9arp/ TMicroelectronics/ ymbios Gogic/ Te