INTRODUCCIÓN A LOS μC

INTRODUCCIÓN A LOS µC
Controlador: Dispositivo empleado para el control
automático de un conjunto de procesos
Controlador digital: Controlador con lógica de control
digital.
Implementaciones de los controladores digitales:
• Lógica discreta
•Baja densidad de integración
•Diseño sencillo/medio/complejo (Hw)
•Poco generalizable
•Coste bajo/medio/alto
• PLC (Programmable Logic Controller)
•Mayor densidad de integración
•Diseño sencillo (Sw)
•Muy generalizable
•Coste elevado
• µP+RAM+ROM+Periféricos(A/D,Timers...)
•Elevada densidad de integración
•Diseño medio/complejo (Sw+Hw)
•Generalizable
•Coste bajo/medio
• µC:
•Muy elevada densidad de integración
•Diseño sencillo/medio (Sw+Hw)
•Muy generalizable
•Bajo coste
Ventajas de los diseños basados en µC:
•Reducción del tamaño y precio: El elevado grado de
integración de un µP+Periféricos en un IC permite una
elevada funcionalidad por área a bajo coste, y un menor
tamaño del PCB.
•Elevada flexibilidad:Un mismo µC puede ser usado
para un elevado número de aplicaciones variando sólo
el Sw.
•Rapidez de desarrollo: La adaptación de un µC a otra
aplicación puede consistir en adaptar el Sw y muy poco
Hw.
•Aumento de la fiabilidad: La disminución de Ics del PCB
aumenta el riesgo de averías y ajustes.
•Buenas prestaciones: Los µC usan µP que permiten la
ejecución eficiente de algoritmos de control.
Aplicaciones típicas de µC:
•Juguetes
•Electrodomésticos (TV, µW, DVD, ...)
•Comunicaciones, telefonía celular...
•Impresoras, modems, periféricos de ordenador...
•Sistemas electrónicos del automóvil (ABS, airbags, ...)
•Instrumentación electrónica
•Máquinas de venta automática
•Controladores, PLCs
•Robótica
•Tarjetas inteligentes (smart-cards)
•Cualquier sistema electrónica que requiera ‘inteligencia’
ARQUITECTURA µC
VDD
µC
Brown-out
CPU
µP
R
INT
ROM
EPROM
E2PROM
FLASH
HALT
RAM
SFR
E2PROM
FLASH
Watchdog
CPU (Central Process Unit). Es el µP del sistema.
•Clasificación en función del tamaño de datos:
•4-bit. Aplicaciones muy sencillas y muy económicas.
•8-bit. Aplicaciones sencillas/medias y económicas.
Es el tipo de µC dominante en el mercado.
•16-bit. Aplicaciones medias y coste medio.
•32-bit. Aplicaciones complejas y elevado coste.
•Clasificación en función del conjunto de instrucciones:
•RISC (Reduced Instruction Set Code). Instrucciones
sencillas y de rápida ejecución
•CISC (Complex Instruction Set Code). Instrucciones
más complejas de mayor tiempo de ejecución
•Clasificación en función de la arquitectura de buses:
•Von Newmann: Buses de datos y @ compartidos
por la memoria de datos y de programa. Simplifica
el diseño y coste.
m
Ports
I/O
Timer
Counter
Serial
Com
CPU
n
A/D
Memoria
Programa y
Datos
2m
n
•Harvard: Buses de datos y @ diferentes para la
memoria de datos y de programa. Permite acceso
simultáneo.
d
Los pins del encapsulado suelen ir multiplexados o
compartidos por varios periféricos para reducir tamaño
y coste
2d
Memoria
Datos
p
Memoria
Programa
CPU
8
12/14/16
8
12/14/16
2p
Memoria de programa:
•ROM: Dispositivo OTP grabado en fábrica.
•EPROM: Dispositivo OTP o borrable (con ventana).
•E2PROM: Dispositivo regrabable in-system con Vpp=12v
•FLASH: Dispositivo regrabable in-system.
Memoria volátil de datos:
•RAM: Almacenamiento de variables del programa.
•SFR: Special Function Registers usados para manejar
los periféricos, configuraciones, interrupciones...
Contador/Timer:
•Contador de pulsos externos recibidos por una patilla
•Timer: Contador de ciclos de una señal de reloj interna
•Suelen incluir pre-scaler
ADC:
•Conversión A/D desde el exterior al µP
•Resolución media (8 a 12 bits)
•Multi-canal mediante multiplexor
Memoria no volátil de datos:
•E2PROM o FLASH
DAC:
•Conversión D/A desde el µP al exterior
Puertos I/O:
•Entrada/Salida de datos al exterior por sus patillas
•Generalmente son de 8 bits
•Pueden incorporar resistencias pull-up
PWM (Pulse Width Modulator):
•Generador de pulsos de anchura variable
WatchDog:
•Temporizador especial que realiza ‘reset’ periódico
del µC.
•Necesario introducir código dentro del programa
para su reinicialización.
Brown-out:
•Circuito detector de fallo de alimentación que paraliza
el sistema.
Comparadores analógicos:
•Comparador de tensión externa con una referencia
Comunicaciones serie:
•SPI (Serial Peripherical Interface)
•I2C (Inter-Integrated Circuit)
•UART (Universal Asynchronous Reciever-Transmiter)
•USART(Universal Synchronous-Asynchronous R-T)
•CAN (Controller Area Network)
•USB (Universal Serial Bus)
CONSIDERACIONES DE µC
El número de µC vendidos (1997) es más de 30 veces
superior al de los µP para PCs. Las aplicaciones basadas
en µC se denominan habitualmente como ‘embedded’
•2500 Millones de µC/año
•75 Millones de µP/año para PCs
La elección del µC para una aplicación específica
determina el coste, tamaño y prestaciones del sistema.
Factores a tener en cuenta:
•Velocidad de proceso. Depende de la CPU y fCLK usada
•Cantidad de memoria de ROM, RAM, E2PROM
•Consumo y modos de bajo consumo.
•Conjunto de instrucciones. Sencillez y potencia
•Herramientas y lenguajes de desarrollo de alto nivel.
•Coste del dispositivo, herramientas, programador...
•Versiones ROM, OTP, EPROM, EEPROM, FLASH
•Programación ISP (In System Programming) para
desarrollo rápido de aplicaciones.
•Disponibilidad. La rápida evolución de la µe trae como
consecuencia la substitución frecuente de µC
•Fabricantes de dispositivos compatibles
•Encapsulados, patillaje y recursos de I/O
•Posibilidad de expansión externa (arquitectura abierta)
•Periféricos integrados (Timers, DACs, Puertos I/O...)
•Interrupciones externas/internas.
•Bibliografía disponible
HERRAMIENTAS PARA µC
Desarrollo
•Ensamblador
•Compilador
•Linkador
Depuración
•Simulador
•Emulador
•Monitor
•ICD
Programación
•Grabador
•Borrador UV
Ensamblador
•Traduce código ensamblador a código máquina
•Permite gran eficiencia (tamaño-velocidad) del código
ejecutable
•Bajo coste o gratuito
•Necesario conocimiento profundo del µC
•No portable a otras familias
Compilador
•Traduce lenguaje de alto nivel (C, Basic...) a
código máquina
•Permite elevada productividad
•Coste medio/alto
•Elevado nivel de abstracción y número de librerías
•Elevada portabilidad a otras familias
Linkador
•Une los ficheros objeto y librerías en un ejecutable
Simulador
•Simula el funcionamiento del µC sobre un ordenador
•Sistema de bajo coste y de cómodo manejo
•No permite ejecución real de aplicaciones
Emulador
•Sistema basado generalmente en FPGAs, que permite
la ejecución de la aplicación sin ocupar recursos del µC
•Dispone de un ‘pod’ que se aplica al zócalo destinado
al µC
•Permite la ejecución real de la aplicación
•La mejor opción para la depuración de la aplicación
•Sistema muy caro
Monitor
•Programa que se ejecuta sobre el µC, ejecutando
comandos lanzados desde un ordenador para la
monitorización de la aplicación
•Coste medio
•Permite la ejecución real de aplicaciones
•Ocupa recursos del µC
ICD (In Circuit Debugger)
•Solución intermedia entre emulador y monitor
•Programa monitor sobre µC que ejecuta la aplicación
sobre el zócalo destinado a este
•Coste medio, ejecución real, ocupa recursos del µC
Grabador
•Grabación del programa de la aplicación sobre un µC con
memoria de programa EPROM, E2PROM o FLASH
•Realiza el borrado del programa antes, si está basado en
E2PROM o FLASH
Borrador UV
•Borrado del programa de la aplicación sobre un µC con
memoria de programa EPROM, con encapsulado con
ventana
ALGUNAS FAMILIAS DE µC
Intel 8051/8052
•CISC 8-bits
•Desarrollada por Intel
•La más extendida
•Muchas variantes (IP)
•Variantes RISC y 16bits
•Diferentes fabricantes
Microchip PIC
•RISC 8-bits
•Muy extendida
•Buena prestación/precio
SGS-Thomson ST10
•RISC 16-bits
Philips XA
•eXtended Architecture
de la 8051
•16 bits
ARM
•RISC 32-bits
•Disponible en IP para
soluciones ‘embedded’
Zilog Z80
•CISC 8-bits
Atmel AVR
•RISC 8-bits
Motorola 68HC05
/HC08/HC11
•RISC 8-bits
SGS-Thomson ST62X/ST7
•8-bits
TI (Texas Instr.) TMS370
•8-bits
Intel EX
•CISC 16, 32-bits
•Basados en µP para PC
•Permite usar Sw para PC
Motorola 683XX
•16/32, 32-bits
•Basado en 68000