Instuo Tecnologi Tecnologico co Superior Supe rior de Uruapan Microcontroladores Profesor: Ing., José Guadalupe Camacho Ávila Integrantes: Herrera Garca !o"erto #aro $las Jasso %éle& Jesus 'ernando Álvare& silva (ergio #avid (ols morales )ema: tipos de microcontroladores Ingeniera $lectr*nica: se+to semestre Grupo:
INTRODUCCION. -n microcontrolador es un circuito integrado ue en su interior contiene una unidad central de procesamiento /CP-0, unidades de memoria /!M 1 !2M0, puertos de entrada 1 salida 1 periféricos. $stas partes est3n interconectadas dentro del microcontrolador, 1 en con4unto forman lo ue se le conoce como microcomputadora. (e puede decir con toda propiedad ue un microcontrolador es una microcomputadora completa encapsulada en un circuito integrado. )oda microcomputadora reuiere de un programa para ue realice una funci*n especfica. $ste se almacena normalmente en la memoria !2M. 5o est3 de m3s mencionar ue sin un programa, los microcontroladores carecen de utilidad. $l prop*sito fundamental de los microcontroladores es el de leer 1 e4ecutar los programas ue el usuario le escri"e, es por esto ue la programaci*n es una actividad "3sica e indispensa"le cuando se dise6an circuitos 1 sistemas ue los inclu1an. $l car3cter programa"le de los microcontroladores simplifica el dise6o de circuitos electr*nicos. Permiten modularidad 1 fle+i"ilidad, 1a ue un mismo circuito se puede utili&ar para ue realice diferentes funciones con solo cam"iar el programa del microcontrolador. microcontrolador. 7as aplicaciones de los microcontroladores son vastas, se puede decir ue solo est3n limitadas por la imaginaci*n del usuario. $s com8n encontrar microcontroladores en campos como la ro"*tica 1 el automatismo, en la industria del entretenimiento, en las telecomunicaciones, en la instrumentaci*n, en el hogar, en la industria automotri&, etc. Como el hard9are 1a viene integrado en un solo chip, para usar un microcontrolador se de"e especificar su funcionamiento por soft9are a través de programas ue indiuen las instrucciones ue el microcontrolador de"e reali&ar. $n una memoria se guardan los programas 1 un elemento llamado CP- se encarga de procesar paso por paso las instrucciones del programa. 7os lengua4es de programaci*n tpicos ue se usan para este fin son ensam"lador 1 C, pero antes de gra"ar un programa al microcontrolador ha1 ue compilarlo a he+adecimal ue es el formato con el ue funciona el microcontrolador. microcontrolador. )odo programa escrito en un lengua4e de alto nivel de"e ser transformado en c*digo m3uina. 7os programas ue escri"imos los entendemos nosotros, no as el microcontrolador. microcontrolador. -n soft9are de computadora, llamado compilador, traduce traduce 1 transforma nuestro programa en c*digo m3uina, ue es lo ue realmente puede leer e interpretar el microcontrolador. microcontrolador. -na ve& compilado el programa, es momento de transferir nuestro c*digo mauina hacia la memoria interna del microcontrolador, usualmente hacia la !2M. Para esta tarea se utili &a un programador fsico, ue es una pie&a de hard9are ue tiene el prop*sito de escri"ir el programa en la memoria interna del micro.
$+isten varios fa"ricantes de microcontroladores tales como )e+as )e+as Instruments, Motorola, tmel, Intel, Microchip, )oshi"a, )oshi"a, 5acional, etc. )odos )odos ellos ofrecen microcontroladores con caractersticas m3s o menos similares, sin em"argo, en términos generales se puede decir ue todos sirven para lo mismo: leer 1 e4ecutar los programas del usuario. $videntemente algunos modelos tienen m3s capacidad ue otros, en cuanto a memoria, velocidad, periféricos, etc. continuaci*n continuaci*n diagrama a "loues de estructura estructura interna de un microcontrolador: microcontrolador:
INTRODUCCION. -n microcontrolador es un circuito integrado ue en su interior contiene una unidad central de procesamiento /CP-0, unidades de memoria /!M 1 !2M0, puertos de entrada 1 salida 1 periféricos. $stas partes est3n interconectadas dentro del microcontrolador, 1 en con4unto forman lo ue se le conoce como microcomputadora. (e puede decir con toda propiedad ue un microcontrolador es una microcomputadora completa encapsulada en un circuito integrado. )oda microcomputadora reuiere de un programa para ue realice una funci*n especfica. $ste se almacena normalmente en la memoria !2M. 5o est3 de m3s mencionar ue sin un programa, los microcontroladores carecen de utilidad. $l prop*sito fundamental de los microcontroladores es el de leer 1 e4ecutar los programas ue el usuario le escri"e, es por esto ue la programaci*n es una actividad "3sica e indispensa"le cuando se dise6an circuitos 1 sistemas ue los inclu1an. $l car3cter programa"le de los microcontroladores simplifica el dise6o de circuitos electr*nicos. Permiten modularidad 1 fle+i"ilidad, 1a ue un mismo circuito se puede utili&ar para ue realice diferentes funciones con solo cam"iar el programa del microcontrolador. microcontrolador. 7as aplicaciones de los microcontroladores son vastas, se puede decir ue solo est3n limitadas por la imaginaci*n del usuario. $s com8n encontrar microcontroladores en campos como la ro"*tica 1 el automatismo, en la industria del entretenimiento, en las telecomunicaciones, en la instrumentaci*n, en el hogar, en la industria automotri&, etc. Como el hard9are 1a viene integrado en un solo chip, para usar un microcontrolador se de"e especificar su funcionamiento por soft9are a través de programas ue indiuen las instrucciones ue el microcontrolador de"e reali&ar. $n una memoria se guardan los programas 1 un elemento llamado CP- se encarga de procesar paso por paso las instrucciones del programa. 7os lengua4es de programaci*n tpicos ue se usan para este fin son ensam"lador 1 C, pero antes de gra"ar un programa al microcontrolador ha1 ue compilarlo a he+adecimal ue es el formato con el ue funciona el microcontrolador. microcontrolador. )odo programa escrito en un lengua4e de alto nivel de"e ser transformado en c*digo m3uina. 7os programas ue escri"imos los entendemos nosotros, no as el microcontrolador. microcontrolador. -n soft9are de computadora, llamado compilador, traduce traduce 1 transforma nuestro programa en c*digo m3uina, ue es lo ue realmente puede leer e interpretar el microcontrolador. microcontrolador. -na ve& compilado el programa, es momento de transferir nuestro c*digo mauina hacia la memoria interna del microcontrolador, usualmente hacia la !2M. Para esta tarea se utili &a un programador fsico, ue es una pie&a de hard9are ue tiene el prop*sito de escri"ir el programa en la memoria interna del micro.
$+isten varios fa"ricantes de microcontroladores tales como )e+as )e+as Instruments, Motorola, tmel, Intel, Microchip, )oshi"a, )oshi"a, 5acional, etc. )odos )odos ellos ofrecen microcontroladores con caractersticas m3s o menos similares, sin em"argo, en términos generales se puede decir ue todos sirven para lo mismo: leer 1 e4ecutar los programas del usuario. $videntemente algunos modelos tienen m3s capacidad ue otros, en cuanto a memoria, velocidad, periféricos, etc. continuaci*n continuaci*n diagrama a "loues de estructura estructura interna de un microcontrolador: microcontrolador:
través de de este tra"a4o visuali&aremos una ta"la detallada de los valores mencionados mencionados anteriormente.
MICROCONTROLADORES
INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES
MICROCONTROLADORES GENERALIDADES
Sistemas electrónicos de control: /se utili&an para el go"ierno de uno o varios procesos0 • Comonentes ló!icos "ló!ica ca#leada$: Circuitos comple4os. $levado consumo a4a fia"ilidad Poca versatilidad Gran tama6o • Microrocesadores de roósito !eneral: Me4oran todas las caractersticas anteriores destacando: %ersatilidad: son sistemas programa"les !educci*n de tama6o $4emplos: ;ilog ;<=, Motorola ><==, Intel <=
MICROCONTROLADORES GENERALIDADES
%&'( es 'n microcontrolador) (e puede considerar como un computador en un chip 2rientado al control de procesos )picamente incorpora: CP- /Central Processing -nit0. Microprocesador !M /!andom ccess Memor10 $P!2M@P!2M@!2M /$rasa"le@Programma"le@!ead 2nl1 Memor10 $@( /entrada@salida0 A serie 1 paralelo )empori&adores Controlador de interrupciones ...
MICROCONTROLADORES GENERALIDADES
Clasi*icación: •
+or s' *'nción: -
Propósito general:
CP-BMemoriaB$@(B.... 1 4uego de instrucciones no especficas -
Especializados:
ruitectura e instrucciones orientadas hacia alg8n tipo de aplicaciones concretas: Comunicaciones, mane4o de teclados, #(P, procesamiento de video ..... • +or s' lon!it'd de ala#ra: , < ,D>, EF 1 > "its
MICROCONTROLADORES GENERALIDADES
SISTEMAS EN TIEMPO REAL: 7as acciones de salida de"en estar disponi"les en un intervalo de tiempo acotado. $4em. Instrumentaci*n, electrodomésticos, teléfonos m*viles, 4uguetes, m3uinas e+pendedoras, ro"*tica, autom*viles, dom*tica
SISTEMAS EMPOTRADOS (embedded systems): 7os sistemas tiempo real suelen estar integrados en un sistema de ingeniera m3s general, en el ue reali&an funciones de control 1@o monitori&aci*n. $4em. !at*n del computador, 7C#, sistema de frenado de un autom*vil /(0
MICROCONTROLADORES GENERALIDADES
E,emlos de alicación de los -C en *'nción de la lon!it'd de ala#ra: :I)(
plicaciones
„
<
„
$4emplos
(ensi"les al costo: 4uguetes „58mero de $@( limitado „$ntornos industriales especficos „)elefona, electrodomésticos
HMC( == pdJ?pED>a
plicaciones sensi"les al costo „Periféricos inteligentes 1 controladores: teclados, ud. disco, displa1s ... „Posi"ilidad de programaci*n en alto nivel: asic, C ...
MC( ?D
>
'a"ricantes Hitachi 5$C 5ational Intel, (iemens Philips, M# Motorola, ;ilog, (G( 5ational
MICROCONTROLADORES GENERALIDADES Ejemplos de aplicación de los µC en función de la longitud de palabra:
:I)(
D>
EF
>
plicaciones $4emplos <=D<> „Ma1or velocidad en operaciones aritméticas <=K> „Mane4o de grandes vol8menes de datos „#(P )M( EF= „Industria del autom*vil, grandes H<@E== periféricos I<>= „Mane4o de grandes cantidades de datos IK>= „Gran capacidad de direccionamiento >
„
)LKFJ
'a"ricantes Intel, M# Intel )e+as Hitachi Intel Intel Motorola 5ational )oshi"a
MICROCONTROLADORES EL MERCADO DE LOS -C Ventas de microcontroladores en millones de dolares
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000
8-bit
2000
4-bit
1000
0
16-bit 90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
96
97
98
99
Ventas de microcontroladores en millones de unidades
3000
2500
2000
1500 1000
500
4-bit
8-bit 16-bit
0
<
90
91
92
93
94
95
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS
•
T(cnicas de *a#ricación
CM2(: Complementar1 Metal 2+ide (emiconductor • 7a ma1ora de los C se fa"rican en esta tecnologa • Menor consumo /favorecen alimentaci*n a "ateras0 • Ma1or inmunidad al ruido • (on chips casi o totalmente est3ticos /no necesidad de refresco0 : el relo4 puede ser ralenti&ado o detenido: sleep mode
PMP: Post Metal Programming /5ational (emiconductor0 • Permite la programaci*n de la !2M después de la metali&aci*n final, lo ue reduce el tiempo de dise6o de >@< semanas a F.
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS •
Ar/'itect'ra
%onA5euman • -n 8nico "us de datos para datos e instrucciones. • Programa 1 datos se almacenan en la misma memoria principal. • Primero se "usca la instrucci*n 1 a continuaci*n el dato correspondiente: dos "8suedas consecutivas • 7imita el ancho de "anda
CP-
Programa 1 datos
M$M2!I
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICA S Ar/'itect'ra
Harvard • us de datos 1 "us de instrucciones separados. • Permite "8suedas de instrucciones 1 datos simult3neas: preA "8sueda de la siguiente instrucci*n en paralelo con acceso a los datos de la instrucci*n en e4ecuci*n • Permite anchos de "us distintos para datos e instrucciones • Ma1or velocidad de e4ecuci*n
M$M2!I, P!2G!,M, Instrucciones
CP-
datos
M$M2!I, #,)2(
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICA S Ar/'itect'ra
CISC "Comle0 Instr'ction Set Com'ter$ • Muchas instrucciones diferentes /so"re <=0. Potentes 1 especiali&adas, algunas reuieren muchos ciclos de e4ecuci*n. • 'acilita la programaci*n. • C*digo mu1 compacto • Ma1ora de los fa"ricantes. $4em. Motorola RISC "Red'ced Instr'ction Set Com'ter$ • Pocas instrucciones mu1 sencillas. $4ecuci*n r3pida • 7a sencille& de las instrucciones permite li"erar 3rea de silicio para implementar caractersticas ue me4oren las prestaciones. • Chips m3s "aratos, de menor consumo, de menos pines. • )endencia actual de la industria. $4em. Microchip SISC /Seci*ic Instr'ction Set Com'ter$ • Juego instrucciones especfico ue potencia una aplicaci*n concreta: facilidad 1 eficiencia en $@(, manipulaci*n de "its, etc
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS •
MEMORIA
•
EE+ROM "Electricall1 Erasa#le +ro!rama#le Read Onl1 Memor1$ • 7os C pueden tener peue6as cantidades de esta memoria para almacenar un limitado n8mero de par3metros ue no cam"ian frecuentemente • 7enta, n8mero de ciclos lectura@escritura limitado 2LAS3 • Me4or soluci*n ue la $$P!2M cuando se reuiere grandes cantidades de memoria no vol3til • M3s r3pida, ma1or n8mero de ciclos lectura@escritura RAM est4tica con #ater5a • Mucho m3s r3pida 1 sin limitaci*n de ciclos lectura@ escritura • Grandes cantidades de memoria no vol3til de acceso r3pido /datos o aplicaciones de grandes prestaciones0
MICROCONTROLADORES
CARACTER.STICAS Memorias
M4scara Memoria !2M • Programada durante el proceso de fa"ricaci*n por el fa"ricante • Interesante en producci*n de grandes cantidades ue no se van a modificar • 7argo tiempo de o"tenci*n del producto /de < a semanas0 • OT+ "One Time +ro!ramma#le$ $s un dispositivo P!2M. $n realidad una $P!2M sin ventana de "orrado. • • -na ve& ue el programa ha sido gra"ado no puede ser "orrado ni modificado • lternativa a la m3scara !2M para series peue6as. Programa"les por el usuario • Rero!ramación $l uso de $P!2M, $$P!2M, $P!2M 1 '7(H para la memoria • de programa facilita el desarrollo 1 puesta a punto de dispositivos $l uso de $$P!2M, $P!2M 1 '7(H permite la reprogramaci*n del C sin • e+traerlo del sistema ue controla • ctuali&aci*n de nuevas versiones o eliminaci*n de errores
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS Memorias
P!2G!M !2M 2)P $P!2M $$P!2M '7(H
P,!ÁM$)!2( #)2( 52 %27Á)I7$( $$P!2M '7(H !,M con "atera
%,!I,:7$( PI7, !,M
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS •
Alimentación
6a,o 7olta,e •
5ormalmente alimentaci*n a ?%
•
7a incorporaci*n de los C a nuevos segmentos conlleva la necesidad de alimentaci*n a E% /F "ateras de D,?v0.
•
)endencia tecnol*gica: transistores m3s peue6os /menos consumo, m3s r3pidos 1 "aratos0 ue facilita la reducci*n de la tensi*n de alimentaci*n 1 favorece el aumento en la densidad de integraci*n.
+rotección 86ro9no't •
#etecta si la alimentaci*n disminu1e por de"a4o de un valor lmite
•
/tensi*n de "ro9nout, % ##0 1 de4a al C en estado reset hasta ue la alimentaci*n vuele a tomar valores permitidos. Puede ser interno al chip o un circuito de control e+terno.
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICA S Alimentación
IDLE;3ALT;
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS •
Entradas ; salidas
UART: -niversal s1nchronous !eceiver )ransmitter SCI: (erial Comunication Interface /-!) me4orada0. S+I: (erial Periferal Interface /Motorola0. $@( serie sncrona. USART: -niversal (1nchronous@s1nchronous !eceiver )ransmiter • M3s r3pida /unas D> veces0 ue la -!) I>C: InterAIntegrated Circuit "us /Philips0 • us serie de dos hilos • MultiAmaster, multiAslave, detecci*n de colisiones. DF< dispositivos, D= metros Micro9ire;+l's. Comunicaciones serie entre dispositivos /displa1s, conversores de datos, $$P!2M,..0 de 5ational CAN: Controller rea 5et9orN /osch, Intel0. Ca"leado de autom*viles ?@B /(ociet1 of utomotive $ngineers0. $st3ndar americano para ca"leado de autom*viles
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS
Con7ersión Analó!icoDi!ital • $n general del tipo de apro+imaciones sucesivas • 5ormalmente < * D= "its Con7ersión Di!italAnaló!ica • 5o suele estar implementada en los C • PQM: Pulse Qidth Modulator. (e usa como técnica de conversi*n #@ B circuitera e+terior /filtro paso "a4o0 Contadores de 'lsos • Cada pulso@evento incrementa un registro acumulador indicando el n8mero de veces ue ha sucedido un evento Comaradores. • Comparador anal*gico "asado en un 2 • lgunos C pueden incluir un m*dulo de tensi*n de referencia Mod'ladores de anc'ra de 'lsos "+
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS
•
Interr'ciones
#esde los periféricos: timers, -!)(, @#, $@( paralelo, componentes e+ternos. Interrupciones enmascara"les, se pueden activar 1 desactivar. ien con car3cter general /GI$, Glo"al Interrupt $na"le0 o algun tipo de interrupci*n en particuar /por e4emplo la -!)0 Interrupciones vectori&adas: una direcci*n de salto para cada interrupci*n Prioridades
MICROCONTROLADORES CARACTERSTICAS
Caracter5sticas eseciales
timer
(i el programa no reiniciali&a el 9atchdog antes de un cierto tiempo, éste procede a hacer el !$($) del sistema Monitor del relo,
Circuito ue detecta si el relo4 funciona demasiado despacio 1 genera un !$($)
MICROCONTROLADORES E?EM+LOS DE -C •
B@ "Intel$ • •
us de < "its de datos Puede direccionar >R de programa /los R * R de memoria de datos e+terna. DF< "1tes de !M interna + registros especiales. $@( direccionadas en espacio propio. •
us de direcciones de D> "its
•
Gran potencia en instrucciones de "it
•
)imers 1 puertos serie /no @# ni PQM0
•
<=< serie "a4a
•
<=cDK> de D> "its
•
<=D<>: microcontrolador con un <=<> como n8cleo /PC L)0
MICROCONTROLADORES E?EM+LOS DE -C
•
F3C@@ "Motorola$ •
ruitectura %on 5euman /datos, programa, $@(, timers comparten el mismo espacio de memoria0
•
us de < "its de datos, D> "its de direcciones
•
Pueden tener: $$P!2M@2)P!2M, !M, $@( digitales, timers, @#, PQM, acumuladores de pulsos, comunicaci*n serie sncrona 1 asncrona (erie "a4a >
•
><+++ como n8cleo
•
MICROCONTROLADORES E?EM+LOS DE -C
•
F3C "Motorola$ •
ruitectura %on 5euman /datos, programa, $@(, timers comparten el mismo espacio de memoria0
•
us de < "its de datos, D> "its de direcciones
•
Pueden tener: !2M@'7(H, !M, $@( digitales, timers, @#, PQM, acumuladores de pulsos, comunicaci*n serie sncrona 1 asncrona
•
$+isten elementos de la familia con -(, IIC
•
Hasta >=R de 'lash, hasta FR de !M
MICROCONTROLADORES E?EM+LOS DE -C •
+IC "MicroCi$ •
ruitectura Harvard /direccionamiento separado para datos e instrucciones0 •
solapamiento de instrucciones
•
Primer microcontrolador !I(C
•
D>'++ principal lnea de la casa •
E? instrucciones
•
< "its de datos
•
D "its de instrucci*n /hasta
•
Pueden tener: $$P!2M@2)P!2M, !M, $@( digitales, timers, @#, PQM, acumuladores de pulsos, comunicaci*n serie sncrona 1 asncrona
MICROCONTROLADORES
•
LENGUA?ES DE +ROGRAMACIÓN
Ensam#lador •
Permiten el uso eficiente de los recursos
Len!'a,es de alto ni7el •
•
#esarrollo m3s r3pido, mantenimiento menos costoso •
Programas menos eficientes
•
Ma1or ocupaci*n en memoria
$4em: C /permite el acceso a los recursos hard9are0, (IC,
#, etc.
MICROCONTROLADORES LENGUA?ES DE +ROGRAMACIÓN
•
-so de C 1 $nsam"lador •
Programaci*n en C •
Puesta a punto de la l*gica del programa
•
!eescritura de algunas partes crticas en ensam"lador • #isminuci*n de la
ocupaci*n de memoria •
umento de las prestaciones
Fuente Ensamblador
Fuente C
Ensamblador
Compilador
Cruzado
Cruzado
Objeto "elocali#able
Objeto "elocali#able
ibrer!as
Montador de
Fic$ero Con%i&uraci'n
Enlaces
Ejecutable (o "elocali#able Cargador
)*scara
)icrocontrolador
MICROCONTROLADORES 3ERRAMIENTAS DE DESARROLLO
•
Sim'ladores •
-n simulador e4ecuta un programa de un microcontrolador en un computador de prop*sito general /p.e. un PC0
•
7os contenidos de la memoria 1 registros pueden ser o"servados 1 alterados
•
5o soporta interrupciones reales ni /generalmente0 hard9are adicional
•
7a velocidad de e4ecuci*n es menor ue en el C
MICROCONTROLADORES 3ERRAMIENTAS DE DESARROLLO •
De#'!!ers residentes
(e e4ecutan en el C. Permiten visuali&ar la e4ecuci*n desde un terminal o un computador -tili&a recursos del C /un puerto de comunicaci*n, una interrupci*n 1 memoria0 1 ralenti&a la e4ecuci*n /acceso a memoria 1 registros 1 comunicaci*n0 %isuali&aci*n 1 actuali&aci*n de memoria, "reaNpoints, ...
