Sistemas Digitales I: Microcontroladores, Apuntes de Microprocesadores

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Sistemas

Digitales I

Sesión 13

Microcontroladores

Objetivo:

Identificar las partes de un microcontrolador; conocer sus funciones y aplicaciones y entender cómo se relacionan de manera interna los elementos que lo componen.

Temario

Introducción

1. Microcontroladores

1.2. Componentes de un microcontrolador

1.3 Ventajas del uso del microcontrolador

1.4 Bus

2. Elementos de un microcontrolador

2.1. Unidad Central de Proceso (CPU)

2.2. Puertas de entrada y salida E/S (I/O)

2.3. Memorias

2.4. Registros

**3. Arquitectura de un microcontrolador

4. Selección del microcontrolador
5. Microcontroladores PIC**

Conclusiones

1. Microcontroladores

Un microcontrolador es un ‘circuito integrado que puede ser programado, y que contiene todos los elementos que forman parte de una computadora’. Puede realizar las tareas de algunos circuitos lógicos como compuertas, decodificadores conversores de corriente, etc.

1.2. Componentes de un microcontrolador

Un microcontrolador está formado por los siguientes componentes:

 Procesador o Unidad Central de Proceso.  Memoria RAM para Contener los datos.  Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.  Líneas de E/S (I/O) para comunicarse con el exterior.  Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.).  Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema.

1.3 Ventajas del uso del microcontrolador

 Aumento de prestaciones : un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo.

 Aumento de la fiabilidad: al reemplazar con el microcontrolador un elevado número de elementos, disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.

 Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks.

 Mayor flexibilidad: las características de control están programadas, por lo que su modificación solo necesita cambios en el programa de instrucciones.

1.4 Bus

El bus es un ‘ sistema digital que transfiere datos entre los componentes de una computadora o entre computadoras’.

La comunicación entre el microcontrolador y sus periféricos, por ende, se da a través de los buses. Un bus está compuesto de ‘líneas paralelas de datos que permiten el flujo de información en uno o en ambos sentidos’. Un bus está formado por 8, 16 o más cables.

Los buses constituyen el medio de comunicación que utiliza el microprocesador para intercambiar información entre los elementos de una computadora.

Ejemplo:

 Bus de datos. Conecta todos los circuitos dentro del microcontrolador. Se emplea para transferir datos. La capacidad de este bus puede ser tan ancho como los datos.

 Bus de direcciones. Permite transferir información de direcciones. Direcciona la memoria. El número de líneas en el bus de direcciones determina el número de posiciones de memoria que el procesador puede especificar. Por ejemplo, un bus de direcciones de 16 líneas sería capaz de posicionar solo 2^16 (65,536) direcciones.

 Bus de control. El procesador utiliza las líneas del bus de control para sincronizar operaciones con componentes externos.

Las aplicaciones de uso del microcontrolador son muy variadas: radio digital, reproductores de MP3, lavadoras, hornos, reproductores de CD y DVD impresoras escáneres, fotocopiadoras, controles de temperatura, electrodomésticos, controles de encendido, cajeros automáticos, teléfonos digitales, etc.

En el siguiente diagrama pueden observarse los componentes básicos de un microcontrolador, y algunas de las aplicaciones. Solo hay que definir lo que debe hacer el

CPU Memoria

Bus de 8 pines

2. Elementos de un microcontrolador

En el siguiente diagrama, se presenta un tipo de microcontrolador en el cual pueden apreciarse algunos de los elementos que lo forman.

2.1. Unidad Central de Proceso (CPU)

La unidad central de proceso (procesador), es uno de los componentes más importantes. Esta unidad determina las propiedades del microcontrolador.

Está conformada por tres partes:

 Unidad de control: decodifica las instrucciones del programa.  Unidad aritmética lógica (ALU) : efectúa operaciones matemáticas y lógicas. Es donde se efectúan las sumas, restas y operaciones lógicas típicas del álgebra booleana.  Unidad de registros internos: almacena todos los datos para realizar una operación; almacena también los resultados para ser usados más adelante.

Las funciones que desempeña la unidad central de proceso son las siguientes:

• Direcciona la memoria de instrucciones.
• Recibe el código OP de la instrucción en curso; su decodificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción.

Interrupciones Oscilador/reloj Control del sistema

CPU RAM

EPROM (Memoria del programa)

EEPROM (Memoria de datos)

Puerto A Puerto B Puerto C Puerto D

Conversonres A/D

Interfaz de periféricos serie

Interfaz de comunicaciones serie

Temporizador 1

Temporizador 2

Guardián de reinicio

• Efectúa la búsqueda de los operandos.
• Almacena el resultado.

Hay algunos otros tipos de procesadores y, claro está, con diferentes funcionalidades:

 CISC: Estos procesadores son potentes. Requieren muchos ciclos para su ejecución. Ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan como macro. Dispone de más de 80 instrucciones.  RISC: En estos procesadores, el repertorio de instrucciones máquina es reducido, y las instrucciones son simples y, por lo general, se ejecutan en un ciclo.  SISC: Para microcontroladores de aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones es reducido. Las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista.

2.2. Puertas de entrada y salida E/S (I/O)

Las puertas de entrada y de salida E/S pueden representarse también como I/O. Comunican al computador interno del microcontrolador con los periféricos y, según estos, las líneas proporcionan el soporte a las señales de entrada, salida y control.

En la representación del microcontrolador PIC16F84A, se observa que contiene dos puertos: A y B, con 5 y 8 pines respectivamente. Los pines 15 y 16 sirven para conectar la entrada y la salida del oscilador.

Un ejemplo sencillo de entrada y salida es un reproductor MP3. Las entradas son los botones que controlan el volumen, la selección de una melodía en particular, etcétera. Las salidas consisten en la melodía seleccionada, el aumento o decremento del volumen, etcétera.

Los pines de entrada y salida del microcontrolador permite el monitoreo y control de otros dispositivos. Muchos pines son bidireccionales, por lo que pueden programarse como entrada o como salida. Cada pin tiene correspondencia con un bit : Un bit con valor de 1 ―uno‖ define al pin como entrada y un 0 ―cero‖, lo define como salida. La importancia de los pines de I/O es la cantidad de corriente que pueden entregar. Por ejemplo, un valor de baja corriente como 10-20mA es suficiente para encender un led.

(E/S)

(E/S)

El microcontrolador contiene dos puertos: A y B. Sus pines pueden ser programados como entradas y salidas.

2.3. Memorias

La unidad de memoria almacena los datos del microcontrolador, y contiene varios tipos de memorias.

1. La memoria ROM

La memoria ROM es de ‘solo lectura’. Contiene el programa de instrucciones de la aplicación, y guarda, de manera paralela, el programa que se está ejecutando ; por lo tanto, son de alta capacidad. Se les destina una sola tarea. Las hay con capacidades de entre 512 B y 8 kB. Los microcontroladores actuales, por lo general, utilizan el direccionamiento de 16 bits. Esto equivale a 64 kB de memoria.

Tipos de memoria ROM

 ROM de máscara. Contenido programado por el fabricante.  OTP ROM ( One Time Programmable ). Memoria programable una sola vez.  UV EPROM: Progamable borrable por rayo ultravioleta.

2. La Memoria RAM

L a Memoria RAM almacena variables de datos de forma temporal. Son de poca capacidad. Se ejecutan desde la memoria ROM, y las hay con capacidad comprendida entre 20 y 512 B. Al apagar el equipo, la memoria RAM deja de funcionar.

Esta memoria almacena las variables y los datos. Su función es almacenar información para efectuar cálculos y operaciones lógicas. La memoria RAM está dividida en dos grupos: el primero corresponde a los registros específicos y especiales (SFR). Estos dirigen pequeños circuitos dentro del microprocesador como temporizadores, convertidores A/C, osciladores , etc. El segundo tipo es llamado registro de propósito general (GPR).

3. Memoria EPROM

Lo que se graba en este tipo de memoria, puede borrarse y regrabarse varias veces. La grabación se hace desde una PC. La memoria contiene una ventana de cristal por la cual se la somete a luz UV. De esta forma, se borra la información.

4. Memoria EEPROM

Son memorias de solo lectura. Son borrables eléctricamente; el proceso de grabado y borrado se hace desde la PC de manera eléctrica sin necesidad de retirarlas. La desventaja de esta memoria es que es lenta.

5. Memoria FLASH

En esta memoria se puede grabar y borrar. Es más rápida que la EEPROM, por lo que está desplazándola. Otra ventaja sobre la EEPROM es que tiene una gran capacidad de memoria.

Una de las ventajas de estas dos memorias es que, para programarlas, no es necesario sacar el circuito integrado o microcontrolador de la tarjeta.

2.4. Registros

Estos registros forman parte de la memoria RAM. Son espacios de memoria que almacenan información de manera temporal.

Registros específicos o especiales (SFR)

• Ocupan once posiciones que van desde 00 a 0B
• La posición 00 no contiene ningún registro en especial, y es utilizada en el mecanismo de direccionamiento indirecto.
• Contienen la palabra STATUS.
• Registro de datos de tres puertos de entrada (Puesto A, B y C)
• 8 bits menos significativos del program counter (PC)
• El contador del Real Time Clock/Counter (RTCC)
• Un registro puntero llamado File Select Register (FSR).

Memoria Interna (RAM) en la familia PIC16C5X

3. Arquitectura de un microcontrolador

Existen dos tipos de arquitecturas:

1. Arquitectura Von Neuman

Disponen de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones, de un bus de datos de 8 bits. Por este medio intercambian todos los datos.

A la memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control).

2. Arquitectura Harvard

Dispone de dos memorias independientes: una que contiene solo instrucciones, y otra que contiene solo datos. Por esto, cuenta con dos buses de datos : uno de 8 bits y otro de 14 o 16 bits.

CPU Memorias

RAM y ROM

Bus de datos de 8 bits

CPU

Memori a RAM

ROM

Bus de datos de 8 bits Bus de datos de 12, 14 o 16 bits bits

5. El tiempo

El tiempo en el que deberá realizar la función de programación, si se requiere de tiempos con mucha exactitud, debe considerarse el tipo de oscilador.

Lo hay con cristal de cuarzo o de cerámica.

Si no se requiere de tiempo muy preciso, un microcontrolador con un oscilador interno será suficiente.

6. La temperatura

Algunos microcontroladores se ven afectados por la temperatura de trabajo. En la ―hoja de datos‖ del microcontrolador se encuentran los datos del rango para la temperatura de trabajo.

El rango de operación aproximado de algún tipo de microcontrolador es de – 40° a 150°.

7. El precio

El presupuesto es uno de los aspectos críticos a la hora de llevar a cabo un proyecto, pero dependerá del tipo de proyecto para decidir a este respecto.

Hay microcontroladores de alto costo y también los hay económicos. Al comparar precios, se debe considerar la cantidad de memoria que tienen, así como los elementos internos con los que cuenta el tipo de microcontrolador de interés, número de puertos, etc.

Para la mejor comprensión de lo descrito sobre los microcontroladores, se presentará la descripción y características de algunos elementos de este tipo — los microcontroladores PIC — , en los cuales se ilustrarán las partes que los componen.

5. Microcontroladores PIC

Los microcontroladores PIC ( Peripheral interface Controller ) son fabricados por la empresa MICROCHIP Technology, INC. Este es el primer tipo de microcontroladores del mercado. L as características de estos microcontroladores es lo que ha posicionado a la empresa como una de las principales distribuidoras de estos dispositivos. Las características de su producto son las siguientes:

• Versatilidad
• Buena velocidad
• Bajo costo
• Bajo consumo de potencia
• Suficientes herramientas disponibles para su programación

Uno de los microcontroladores mas usados es el PIC16F628A y sus variantes PIC16F627A y PIC16F648A. Pertenecen a la serie A, y poseen las siguientes características:

• Soportan hasta 100 000 ciclos de escritura en su memoria FLASH ,
• Soportan 1 000 000 de ciclos en su memoria Eeprom.

En la tabla siguiente, se muestras las características comparativas de algunos microcontroladores.

PIC 16 F 84 A PIC 16 F 627 A

PIC 16 F 628

A

PIC 16 F 648

Memoria de programa A Flash

1024 x 14 1024 x 14 2048 x 14 4096 x 14 Memoria de datos RAM 68 x 8 224 x 8 224 x 8 256 x 8 Memoria de datos EEPROM 64 x 8 128 x 8 128 x 8 256 x 8 Pines de entrada/salida 13 16 16 16 Comparadores de voltaje 0 2 2 2 Interrupciones 4 10 10 10 Timers 8/16 bits 1 3 3 3 Módulos PWM / CCP No Si Si Si Comunicación serial USART

No Si Si Si Otras ventajas Tiene un oscilador interno RC de 4 MHz, MCLR programable, mayor capacidad de corriente, programación en bajo voltaje, etcétera.

La hoja de datos de un microprocesador puede ser descargada de la página oficial de Microchip: h tt p :// www. microchip.com

En el archivo anexo ―Hoja de datos de PIC16F628A‖ se presenta la hoja de datos completa para este microcontrolador.

Se presentan dos tipos de microcontroladores y las características de ellos.

Características del microcontrolador PC16F628A

Conclusión

En esta sesión, aprendiste qué es un microcontrolador, sus usos y ventajas, y la forma en la que funciona. Además, conociste sus características y arquitectura.

En la sesión siguiente, estudiarás algunos de los elementos periféricos o auxiliares y profundizarás sobre el procedimiento de programación y simulación de un microcontrolador.