Inbacuán Héctor
SISTEMAS BASADOS EN MICROPROCESADORES Cada día que pasa, los procesos de producción, industriales han sufrido grandes cambios, por lo que en estos días, la automatización es un área que está en constante contacto con nosotros, por lo que debemos estar preparados y conocer el funcionamiento de dichos dispositivos y sus r espectivos sistemas.
Encontramos sistemas basados en microprocesadores en la mayoría de dispositivos
de
nuestro
cotidiano
día
como:
domésticos,
industriales,
medicinales, informáticos entre otros. En la época de la revolución industrial las máquinas reemplazaron a la mano de obra humana, mientras que hoy en dia, los microprocesadores y sus aplicaciones intentan reemplazar la potencia del cerebro; uno de los inventos decisivos de la humanidad es el computador digital que junto con el motor eléctrico conforman uno de los sistemas tecnológicos más eficientes.
Debemos considerar que “Sistema” se “Sistema” se define como un conjunto de elementos entrelazados entre sí, para realizar una función específica o llegar a un objetivo que ninguno podría hacerlo por separado; podemos concluir que un sistema basado en microprocesadores es un conjunto de componentes relacionados capaces de efectuar acciones en base a la información recibida de un proceso o de un fenómeno físico, representada en lenguaje de maquina (0,1), operaciones aritméticas y lógicas, y realizar la transferencia de datos con los diferentes dispositivos E/S conectados al sistema.
Periféricos de entrada (Sensores): Encargados de recibir la información de los cambios físicos y entregar una señal ya sea esta analógica o digital. Estos elementos están representados por los sensores captores de señal de tipo digital o analógico pulsadores, interruptores, contactos eléctricos, etc.
Unidad de control: Procesa la información recibida de los periféricos de entrada, en base a una secuencia lógica de instrucciones y entrega los resultados para ser analizados y puestos en marcha. 1
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Periféricos de salida (Actuadores): Estos dispositivos están encargados de ejecutar las órdenes de acuerdo a los resultados enviados desde la Unidad de Control. Están representados por: solenoides, relés, contactores, displays, CDA, etc.
Si queremos solucionar un problema implementando un circuito digital, podemos realizarlo de 2 formar diferentes:
Lógica Cableada: Son circuitos rígidos, exclusivos para realizar una función específica, lo que quiere decir, que si queremos implementar una nueva aplicación se debe diseñar un nuevo circuito.
Lógica Programada: Se trata de una técnica que dio origen a las máquinas autónomas; capaces de realizar la mayoría de las funciones básicas necesarias para cualquier aplicación a través de un conjunto de instrucciones. Trabajan de forma ordenada y secuencial ejecutando continuamente las operaciones necesarias en base a un programa previamente establecido.
Tabla 1.
Diferencias entre Lógica Cableada y Lógica Programada CARACTERISTICAS DEL SISTEMA Mantenimiento
Costo
CABLEADA
PROGRAMABLE
Mucho
Poco
Bajo
Alto
Adaptación de procesos
Difícil
Fácil
Posibilidades de ampliación
Bajas
Altas
Interconexión y cableado exterior
Mucho
Poco
Estructuración en bloques independientes
Difícil
Fácil
Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
El mayor problema al realizar un sistema basado en microprocesadores, es que se necesita de personas especializadas en el tema para su diseño y mantenimiento. 2
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Un sistema basado en microprocesadores constituye una serie de elementos para la entrada, salida, procesamiento, control y almacenamiento de información. Los enlaces entre estos elementos se establecen a través de caminos de señal, por lo general se utilizan cables o buses, que se encargan de llevar o transmitir información digital entre un punto y otro.
El principal objetivo de un sistema basado en microprocesadores consta en el procesamiento de información recogida por medio de los periféricos de entrada y la transmisión de los resultados sea directamente al proceso, sea al operador, por medio de los periféricos de salida conectados al sistema. La comunicación entre el sistema y los periféricos se realiza por el conjunto de circuitos que constituyen el denominado módulo de entrada/salida del sistema. en esta forma se distinguen tres partes fundamentales: unidad central de procesamiento (CPU), bloque de memoria y el módulo de entrada/salida, interconectados entre ellos por intermedio de los buses
Figura 1. Estructura de un sistema de microprocesadores Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
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UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO (CPU) Conocida como procesador central y se encarga del procesamiento de la información proveniente del exterior. Este bloque contiene los circuitos lógicos, aritméticos y de control que dirigen y coordinan las operaciones del sistema y los dispositivos periféricos. En esta unidad se distinguen: la unidad de control, la unidad aritmético-lógica y el bloque de registros internos. En la práctica, la CPU se encuentra en forma de un circuito integrado llamado microprocesador
Figura 2. Bloques de la CPU Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
La Unidad de Control se encarga de la interpretación y ejecución de las instrucciones del programa. También genera las señales que son requeridas por la unidad Aritmética y otros componentes del sistema; también nos indica el sentido de los datos (si entran o salen) o el dispositivo al que se accesa (memoria o dispositivo de E/S). Estas señales son enviadas a través de las líneas llamadas buses. Esta contiene circuitos lógicos y de temporización que generan las señales adecuadas necesarias para ejecutar cada instrucción en un programa. Esta unidad extrae una instrucción de la memoria enviando una dirección y un comando de lectura a la unidad de memoria. La instrucción almacenada en la posición de memoria se transfiere a ella para después ejecutarse.
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La Unidad Aritmético-lógica se encarga de realizar las operaciones lógicas y aritméticas usando como base la suma y la notación del complemento de dos. Estas operaciones (suma, resta, complemento de dos, and, or, not, xor y la de comparación) las realiza con datos de la memoria, con datos de los registros internos o con datos de la unidad de entrada. El tipo de operación que se realizará, se determina por medio de señales de la unidad de control.
Conectados por medio del bus interno se encuentran los Registros Internos para el almacenamiento temporal de datos. Cabe mencionar que todo microprocesador tiene un registro muy importante llamado acumulador el cual contiene el primer operando de una operación y el resultado de la misma luego de haberla ejecutado.
Los registros tienen ciertas funciones específicas que cumplir dentro de la CPU, a saber:
Registro Contador de Programa (PC) es el que indica al microprocesador la dirección de memoria donde se está ejecutando el programa. Cada vez que se lee una instrucción, el PC se incrementa automáticamente para suministrar la dirección de la posición de memoria donde se encuentra la siguiente instrucción o dato del programa.
Registro de instrucciones (IR). Cuando el microprocesador capta una instrucción, esta se almacena en el registro (IR), con el fin de proceder a su decodificación o interpretación y buscar en la (ROM) del programa el conjunto de instrucciones necesarios para su ejecución. esta función la realiza un circuito denominado decodificador de instrucciones.
El Registro Acumulador (AC) Es utilizado como fuente o destino de datos. En él, generalmente, se deposita el resultado de una operación.
El Registro de estado (SR) suministra, a través de sus bits (llamados banderas (flags)), información relativa a la ejecución de ciertas instrucciones como signo, sobre flujo, paridad, generación de acarreo, resultado negativo o cero, etc. 5
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Registros de propósito general. Son utilizados para almacenar direcciones de memoria, datos, resultados intermedios y otros propósitos.
BLOQUE DE MEMORIA
Almacenamiento de las instrucciones que constituyen el programa. Las instrucciones se codifican mediante su Código de Operación (COP), formado por uno o varios Bytes.
Almacenamiento de los datos y variables del programa. Normalmente agrupados en paquetes de 8 bits (Byte), 16 bits (Word) o 32 bits (Long Word).
Longitud de la palabra de datos representa el número de bits a los cuales se pueden tener acceso en una sola operación es decir el número de bits que pueden ser escritos o leídos en una posición de memoria.
Capacidad de memoria representa el número de bits que pueden ser memorados. Considerando una palabra de 8 bits, la unidad de medida usual para la capacidad de memoria es el Kilobyte.
Tiempo de acceso representa el intervalo de tiempo entre el momento en el cual se da una orden de lectura del contenido de una posición de memoria y el momento en el cual la palabra de la posición seleccionada.
Figura 3. Tipos de Memoria Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores 6
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MEMORIA RAM que es aquella que guarda en forma temporal (mientras dure la alimentación con tensión al sistema) los datos.
MEMORIA ROM destinada únicamente a la escritura de programas o datos que van a ser guardados en forma definitiva.
TIPOS DE MEMORIA ROM: OTP El microprocesador contiene una memoria no volátil de sólo lectura “programable una sola vez” por el usuario mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC. La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño.
EPROM Los sistemas de microprocesadores que disponen de memoria EPROM pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP.
EEPROM Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. Los sistemas de microprocesadores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continua.
FLASH Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM. La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los sistemas de microprocesadores que las incorporan puedan ser reprogramados sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta.
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BUSES Los tres componentes principales de un sistema basado en microprocesadores (CPU, Bloque de memoria y módulo de E/S) están interconectados entre ellos por cables eléctricos denominados buses del sistema. Un bus representa una reunión de líneas las cuales realizan la transferencia unidireccional o bidireccional de la información. La presencia de un determinado bit (0 o 1) en una línea del bus está marcada de un determinado valor del potencial eléctrico en esa línea. Por ejemplo, un potencial entre 2.4-5V marca el bit “1” y un potencia 0-0.4V el bit “0”.
Bus de datos está constituido por líneas bidireccionales. El número N de líneas del bus de datos es en general, igual con la longitud de la palabra de datos del microprocesador. Por el bus de datos se transfiere la información binaria entre el microprocesador y los periféricos
Bus de direcciones está formado por líneas unidireccionales. Es utilizado para la transferencia de información necesaria para la selección de una determinada
posición de memoria o de un puerto del módulo de E/S. Bus de control está formado por líneas, en general, unidireccionales. En este bus cada línea tiene un significado y denominación distinta. El bus de control contiene la información que envía el microprocesador a los elementos del sistema.
SEÑALES DE CONTROL CLK IN Es usado por el microprocesador para generar pulsos de reloj y producir secuencias de tiempo y control para las f unciones internas.
CLK OUT Los pulsos de reloj de este Terminal son usados por los módulos externos
para
sincronizar
sus
operaciones
con
las
operaciones
del
microprocesador.
RESET IN Se usa para inicializar el microprocesador. RESET OUT Informa a la circuitería externa que el microprocesador se encuentra en estado de reset.
INTERRUPT IN Se utiliza para interrumpir la operación normal del microprocesador, obligándolo a suspender la ejecución del programa corriente
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y transferir el control a una subrutina. La señal de interrupción proviene generalmente de una unidad de E/S.
INTERRUPT OUT Informa a la circuitería externa que la interrupción ha sido atendida. Una vez ejecutada la interrupción, el microprocesador retorna al programa previo.
HOLD Se utiliza para suspender la operación del microprocesador y llevarlo a un estado llamado hold en el cual todos los buses quedan en alta impedancia.
HOLDA Informa que la petición de hold ha terminado. Las líneas READ y WRITE informan al componente seleccionado por el bus de direcciones la dirección de transferencia esperada en el bus de datos.
CIRCUITO DE RELOJ Y RESET En la mayoría de microprocesadores este reloj viene incorporado, pudiéndose controlar externamente su frecuencia mediante un cristal de cuarzo, una red RC conectados a los pines respectivos. En la Figura 4 se ilustran las posibilidades del control de la frecuencia. Cuando la estabilidad de la frecuencia no es de importancia, se prefiere una red RC, en los otros casos, por ejemplo para las comunicaciones seriales o paralelas es necesaria la utilización de un cristal.
Figura 4. Circuito de reloj Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
MODULO DE ENTRADA/SALIDA. TECNICAS DE INTERFACE El sistema está compuesto de un bloque de circuitos lógicos que permiten la introducción de datos, visualización de resultados y eventualmente la modificación del programa, es decir un dispositivo de comunicación con el operador, este bloque se denomina MODULO DE E/S y está destinado a 9
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asegurar la transferencia de información, representada en binario, entre el sistema y diversos periféricos conectados a éste (teclados, pulsadores, interruptores, contactos eléctricos, leds, etc.).
Figura 5. Módulos de Entrada/Salida Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
PUERTO DE SALIDA CON LED En la figura 6 se muestra un ejemplo sencillo de puerto de salida con f lip-flop D, cuya función es transferir el estado del bit de datos D0 a un LED que actúa como dispositivo periférico. Esto sucede cuando la línea de dirección A15 es alta y la señal de escritura (WR) es baja.
Figura 6. Puerto de salido con Flip-Flop Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
Después de habilitado, el flip-flop retiene la información previamente almacenada mientras el microprocesador se dedica a otras tareas.
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PUERTO DE ENTRADA DE INTERRUPTOR
Figura 7. Puerto de Entrada con Flip-Flop Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
En la figura 7, se muestra en cambio un puerto de entrada con flip-flop. En este caso, el dispositivo periférico es un interruptor y su estado (alto o bajo) se transfiere a la línea de datos D0 cuando la línea de direccionamiento A15 es
alta y la línea de control de lectura ( RD) es baja. Una vez que el microprocesador acepta el bit D0 presente en el bus de datos, lo transfiere al acumulador y sitúa la salida del puerto de entrada en estado de alta impedancia con el fin de que no interfiera con otras transferencias de datos.
PUERTO DE SALIDA CON REGISTRO DE DATOS En la siguiente figura se muestra un puerto de salida con registro tipo latch. El circuito transfiere el patrón de 8 bits presente en el bus de datos al
display
periférico
de
siete
segmentos cuando la línea de dirección A15 es alta y la línea de escritura (WR) es baja. Figura 8. Puerto de Salida con registro tipo latch Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
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PERIFERICOS LENTOS: Su estado cambia una vez por segundo y requieren varios milisegundos para estabilizarse en su nuevo estado. En esta categoría tenemos los displays luminosos, relés, microinterruptores, sensores de posición, contactos, botoneras, etc.
PERIFERICOS DE VELOCIDAD MEDIA: Son aquellos que transfieren datos desde 1bps a 10000 bps. Dentro de esta categoría se incluyen los teclados, impresoras normales, CAD, CDA, sistemas de adquisición de datos, etc.
PERIFERICOS DE ALTA VELOCIDAD: Son aquellos que transfieren datos a velocidades superiores a 10000 bps. Dentro de esta categoría se incluyen los Discos magnéticos y ópticos, impresoras láser, líneas de comunicación de alta velocidad, pantallas de video (TRC), etc.
ARQUITECTURAS DE LOS SISTEMAS DE MICROPROCESADORES. En la Arquitectura Von Neumann la CPU está conectada a una memoria única que contiene las instrucciones del programa y datos. A esta memoria se accede a través de un único sistema de buses único. La única ventaja que posee es que simplifica la lógica del sistema.
Figura 9. Arquitectura Von Neumann Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
Otros sistemas de microprocesadores utilizan la Arquitectura Harvard que dispone de dos tipos de memorias independientes (memoria de datos y memoria de programa) a la que se conecta mediante dos grupos de buses separados, conforme la figura 10.
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Figura 10. Arquitectura Harvard Fuente: Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores
LENGUAJES DE PROGRAMACION. EL ENSAMBLADOR Los lenguajes de programación se pueden dividir grosso modo, en las siguientes jerarquías:
Lenguajes de microprogramación.
Lenguajes de máquina.
Lenguajes ensambladores.
Lenguajes de alto nivel.
El Lenguaje Máquina: es la forma binaria (0’s y 1’s) del programa y es el único lenguaje que, en última instancia entiende el microprocesador. Una forma simplificada es el código objeto, el cual representa cada código binario por se equivalente hexadecimal.
El Lenguaje Ensamblador y los lenguajes de alto nivel (Pascal, Basic, C, C++, etc) consisten en una serie de instrucciones especiales (statements) que son más fáciles de entender por la personas que las instrucciones en lenguaje máquina o código objeto. El Lenguaje Ensamblador utiliza Nemónicos que son grupos de caracteres alfanuméricos que simbolizan las órdenes o tareas a realizar con cada instrucción. De manera general, los nemónicos se corresponden con las iniciales del nombre de la instrucción en inglés, d forma que “recuerdan” la operación que realiza la instrucción, lo que facilita su memorización.
LAS INSTRUCCIONES Una de las principales características de todo microprocesador es disponer de un buen conjunto de instrucciones que le den la mayor versatilidad posible. Se establecen los siguientes grupos, tipos o conjuntos de instrucciones:
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1. Aritméticas: Son las instrucciones que realizan operaciones de tipo aritmético como sumas, restas, incrementos, decrementos, etc..
2. Movimiento de datos: Este tipo de instrucciones de movimiento o transferencia de datos, permiten realizar una copia del contenido de un registro o dirección de memoria (origen), en otro registro o dirección de memoria (destino)
3. Instrucciones lógicas: Realizan operaciones lógicas entre los operandos. Afectan a los flags según sea el caso y las operaciones se realizan bit a bit entre los datos.
4. Instrucciones de comparación: Son operaciones de restar u operaciones XOR entre dos operandos.
5. Instrucciones de salto: Son instrucciones de modificación de secuencia que alteran la ejecución normal del programa, cargando el contador de programa con la nueva dirección en la que deseamos continúe ejecutándose el
indicador o flag, y basándose en dicho estado se decide si se salta o no.
previa. Dentro de cada uno de estos tipos, podemos encontrar además la particularidad de que al efectuar los saltos se realicen con posibilidad de retorno o no.
6. Instrucciones de entrada/salida: Son en realidad instrucciones de transferencia, pero no entre registros o posiciones de memoria, sino con elementos periféricos que permiten la comunicación del microprocesador con el exterior.
7. Instrucciones de control: Sirven para actuar internamente sobre el microprocesador, provocando detenciones en la ejecución del programa, etc.
8. Instrucciones de bit: Trabajan o tratan bits independientes. 9. Instrucciones de desplazamiento: Desplazan o rotan hacia la izquierda o hacia la derecha los bits de un registro (Acumulador).
MODOS DE DIRECCIONAMIENTO Los modos de direccionamiento son aquellos procedimientos empleados por el microprocesador para poder acceder a determinados operandos, instrucciones, 14
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posiciones de memoria, registros de entrada/salida, etc. Por tanto, el objeto del direccionamiento es un valor o dato que se encuentra en un lugar de la memoria, en algún registro o en la propia instrucción.
1. Direccionamiento inmediato: En este caso el objeto (un operando) se encuentra incluido en la instrucción, es decir, a continuación del código de la instrucción se añade el operando propiamente dicho. Las instrucciones que emplean este direccionamiento pueden ser de dos o tres bytes y son instrucciones de ejecución rápida y sencilla.
2. Direccionamiento implícito: Las instrucciones que emplean este modo de direccionamiento tienen un solo byte y es la propia instrucción la que indica que registro o dirección de memoria se va a utilizar en la operación.
3. Direccionamiento absoluto: En este caso las instrucciones incluyen la dirección de memoria donde se encuentra el dato con el que se va a operar. En este tipo de direccionamiento pueden darse tres supuestos:
a. La instrucción apunta a un registro que contiene la información deseada
b. La instrucción contiene la dirección completa en la que se encuentra el dato, empleando para ello tres bytes.
c. Cuando la instrucción se refiere solo a una parte de la memoria. En este caso el byte más alto lo suministra el contador de programa y el byte más bajo se expresa a continuación del código de instrucción, por tanto solo se emplean dos bytes.
4. Direccionamiento directo relativo: La instrucción en este caso contiene un valor determinado al que podemos llamar V. La dirección total se calcula sumando a V el valor que esté almacenado en un registro al que haga referencia la instrucción.
5. Direccionamiento indirecto: La instrucción contiene una dirección a la que llamaremos D1. El contenido de D1 no es el objeto directo de nuestra instrucción, sino que contiene otra dirección que llamaremos D2. Esta nueva dirección D2 es la que contiene el dato que sí es objeto de la instrucción. Direccionamiento que utiliza el microprocesador 8085 en particular, que son los cuatro siguientes: 15
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Direccionamiento Directo Absoluto. La instrucción contiene la dirección exacta y completa donde se encuentra el dato. Por ejemplo: LHLD A716H Direccionamiento por Registro. La instrucción lleva el registro en el que está el dato que va a ser tratado. Por ejemplo: MOV A, B MOV B, C Direccionamiento por Registro Indirecto. En la instrucción se especifica un registro cuyo contenido apunta a una dirección de memoria en la que se encuentra el dato. Por ejemplo: MOV A, M M es una referencia simbólica a una dirección de memoria apuntada o señalada por el par de registros HL. Direccionamiento Inmediato. La instrucción contiene el dato con el que se desea operar, pudiendo ser el dato de uno o dos bytes. LXI H, A0B7H ADI 3AH
BIBLIOGRAFIA
Collaguazo, Gerardo. Microcontroladores. Sistemas basados en microprocesadores.
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