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Ingeniería Eléctrica Especialidad: Sistemas Eléctricos de Potencia Materia: Microcontroladores

Instituto Tecnologico de Chetumal

Ingeniería Eléctrica Microcontroladores

Unidad 1.- Arquitectura Interna y Externa del Microcontrolador

Ing. Germán A. Rodríguez May Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Enero - Junio 2019

Prof. Germán A. Rodríguez May

Ingeniería Eléctrica Especialidad: Sistemas Eléctricos de Potencia Materia: Microcontroladores

Unidad 1.- Arquitectura Interna y Externa del Microcontrolador 1.1 Introducción microcontroladores

a

los

1.2 Arquitectura microcontrolador.

interna

del

1.3 Arquitectura microcontrolador.

externa

del

Prof. Germán A. Rodríguez May

Microcontroladores

¿Qué es un Microcontrolador ?

Microcontroladores

1.1 Introducción a los Microcontroladores Controlador y microcontrolador Controlador: dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno

Microcontrolador: un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

Microcontroladores

Microcontroladores

BUS DE DATOS

CPU

Memoria RAM

Memoria ROM

Puerto E/S

BUS DE DIRECCIONES BUS DE CONTROL

RELOJ

Puerto Entrada

Puerto Salida

Microcontroladores

CPU Memorias PERIFERICOS

Microcontroladores

Programa

Memoria

Display

switch 1 4 7


A B C !

. .

Entradas

Unidad Central De procesamiento (CPU)

Teclado

Salidas

Beeper

Reloj Sensor de temperatura

Cristal

Relevador

Microcontroladores

Un microprocesador es un sistema abierto (configuración variable) con el que puede construirse un computador con las características que se desee, acoplándole los módulos necesarios.

 Requieren de otros chips para crear un sistema completo.  Tienen alta capacidad de procesado.  Memorias masivas de datos, con caché, etc.  Suelen ser de propósito general.  Costo elevado

Microcontroladores

ALU (Unidad AritméticoLógica)

Unidad de control

Registros auxiliares

Microcontroladores

Intel 8086 80286 80486 Celeron Pentium

Motorola 6800 6802 68020 68060 Power PC

Amd K6 K6-2 K6-3 Duron Athlon

Microcontroladores

Es un sistema cerrado que contiene un computador completo y de prestaciones limitadas que no se pueden modificar.

Periféricos

mC

Periféricos

DISEÑADO ORIGINALMENTE PARA FINES DE CONTROL CON CAPACIDADES LIMITADAS

Microcontroladores

Una microcomputadora completa empaquetada (EMPOTRADA O EMBEBIDA) en un solo chip BUS DE DATOS

CPU

Memoria RAM

Memoria ROM

Puerto E/S

BUS DE DIRECCIONES BUS DE CONTROL

RELOJ

Puerto Entrada

Puerto Salida

Microcontroladores

Microcontroladores

Microcontroladores

En la actualidad existen una gran variedad de microcontroladores

Microntrolador MSP430 de TI

Microcontroladores

Display LCD . .

1 4 7


INTERFASE

A B C !

Teclado de Entrada de Datos

Beeper

MICROCONTROLADOR

INTERFASE

INTERFASE

Sensor de temperatura Interior

Ventilador

Sensor de temperatura Exterior

Relevador Calentador Relevador Frío

Cristal

Relevador

Microcontroladores

Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: FLASH

RAM

TIMER

ADC

Clk_ext fin_cuenta E_analog_1 E_analog_n

EEPROM UART reset Int_ext

CPU

GEN. DE RELOJ

DAC

Puertos E/S

Rxd Txd S_analog_1

I/O_1 I/O_n

Microcontroladores

1.2 - 1.3 Arquitectura interna y externa del microcontrolador.

Las partes principales que lo constituyen son: 

Procesador o Unidad Central de Proceso (CPU).



Memoria no volátil para contener el programa.



Memoria de lectura y escritura para guardar los datos.



Líneas de E/S para los periféricos (comunicación serie, paralela, etc.).



Recursos auxiliares: 

Circuito de reloj.

 Temporizadores. 

Perro guardián (Watchdog).



Convertidores A/D y D/A.



Comparadores analógicos.

 Protección ante fallos de alimentación.y estado de reposo en bajo consumo.

Microcontroladores

Integran diversos módulos en un chip. RAM/FLASH/EEPROM.  Puertos E/S.  Puertos de comunicación. Control de Interrupciones. Módulos de temporización. Capacidad de proceso menor  recursos escasos.  Costo de 1 a 25 dlls.  Son de propósito específico.

Arquitecturas de Microcontroladores

Arquitecturas de Microcontroladores

Arquitecturas de Microcontroladores

Arquitecturas de Microcontroladores

Arquitectura VON NEUMAN MEMORIA DE PROGRAMA

CPU

INTERFACE E/S

LÓGICA DE INTERRUPCIONES

MEMORIA DE DATOS

Arquitecturas de Microcontroladores

Clock

Memoria de DATOS

Bus de

Bus de Datos

Direcc.

CPU

Memoria de INSTRUCCIONES

Arquitectura HARVARD

Arquitecturas de Microcontroladores

Arquitecturas computacionales Arquitecturas computacionales CISC: Complex Instruction Set Computer Muchas instrucciones diferentes. Potentes y especializadas.  Facilita la programación. Código muy compacto  P.e.: Motorola

RISC: Reduced Instruction Set Computer Pocas instrucciones muy sencillas. La sencillez de las instrucciones permite liberar área de silicio para implementar caracteristicas que mejoren las prestaciones. Chips más baratos, de menor consumo, de menos pines.  P.e.: PIC

Microcontroladores (Familias I)

• 8051 (Intel) – Arquitectura Harvard (direccionamiento separado para datos e instrucciones) – Bus de 8 bits de datos – Puede direccionar 64K de programa (los 4K ó 8K bajos pueden residir en chip) y 64K de memoria de datos externa. 128 bytes de RAM interna + registros especiales. E/S direccionadas en espacio propio. • Bus de direcciones de 16 bits – Gran potencia en instrucciones de bit – Timers y puertos serie (no A/D ni PWM) – 8048 serie baja – 80c196 de 16 bits – 80186: microcontrolador con un 8086 como núcleo (PC XT)

Microcontroladores (Familias II)

• 68HC11 (Motorola) – Arquitectura Von Neuman (datos, programa, E/S, timers comparten el mismo espacio de memoria) – Bus de 8 bits de datos, 16 bits de direcciones – Pueden tener: EEPROM/OTPROM, RAM, E/S digitales, timers, A/D, PWM, acumuladores de pulsos, comunicación serie síncrona y asíncrona – Serie baja 68HC05 – 683xx: microcontrolador con un 68xxx como núcleo

Microcontroladores (Familias III)

• PIC (MicroChip)

– Arquitectura Harvard (direccionamiento separado para datos e instrucciones) • solapamiento de instrucciones(ejecución actual y búsqueda de la siguiente.)

– Primer microcontrolador RISC – 16Fxx principal línea de la casa • 35 instrucciones • 8 bits de datos • 14 bits de instrucción (hasta 8K instrucciones) • Pueden tener: EEPROM/OTPROM, RAM, E/S digitales, timers, A/D, PWM, acumuladores de pulsos, comunicación serie síncrona y asíncrona

Arquitecturas de Microcontroladores

Memorias en un mControlador Tipos de memorias en un mControlador

Memoria de Datos

SRAM

Memoria de programa

EEPROM

FALSH

Facultad de Ciencias/UASLP

Microcontroladores

Memorias de datos EEPROM: Electrically Erasable Programable Read Only Memory – Los µC suelen tener pequeñas cantidades de esta memoria que permite almacenar un limitado número de parámetros que cambian poco – Lenta, número de ciclos lectura/escritura limitado

RAM estática con batería de respaldo – Mucho más rápida y sin limitación de ciclos lectura/ escritura – Grandes cantidades de memoria no volátil de acceso rápido (datos o aplicaciones de grandes prestaciones)

Microcontroladores

Memorias de programa (de sólo lectura) M-ROM (Mask ROM) –

Programada en fábrica, conveniente para grandes cantidades

OTP: One Time Programmable – Dispositivo PROM. Es una EPROM sin ventana de borrado. – Una vez que el programa ha sido grabado no puede ser borrado ni modificado – Alternativa a la máscara ROM para pequeñas cantidades

Reprogramación: – El uso de EPROM, EEPROM, EPROM y FLASH para la memoria de programa facilita el desarrollo y puesta a punto de dispositivos

FLASH – Mejor solución que la EEPROM cuando se requiere grandes cantidades de memoria no volatil – Más rápida, mayor número de ciclos lectura/escritura, permite la

reprogramación del µC sin extraerlo del sistema que controla.

Microcontroladores

UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter SCI: Serial Comunication Interface. SSP: Synchronous Serial Port

SPI: Serial Periferal Interface(Motorola) USART: Universal Synchronous /Asynchronous Receiver Transmiter

I2C: Inter-Integrated Circuit bus (Philips) CAN: Controller Area Network

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aparatos electrodomésticos: microondas, refrigeradores, hornos, TV, reproductores y grabadores de CD y DVD, equipos de sonido, teléfonos,... Equipo de Cómputo: impresoras, módems, unidades de disco, ratones, teclados,.. Automóviles: mando de sistemas del automóvil (ABS, inyección, encendido, climatizador..) Domótica: sistemas antirrobo, climatizadores,. los sistemas de

Instrumentación: equipos de medida Robótica

supervisión, vigilancia y alarma en los edificios utilizan estos chips para optimizar el rendimiento de ascensores, calefacción, alarmas de incendio, robo, etc..

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los mC´s en un automóvil

 Más del 30% del coste de un coche es Electrónica El 90% de las innovaciones se basan en sistemas electrónicos.

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

• Factores a considerar según la aplicación: – – – – – – –

Costo Procesamiento de datos E/S Consumo Memoria Ancho de palabra Diseño de la placa

Aplicaciones de los Microcontroladores

• ¿Hay ayuda disponible ante problemas? • ¿Hay herramientas de desarrollo en mercado?. ¿Cuánto cuestan? • ¿Hay documentación disponible (manuales, libros, ejemplos de uso) ? • ¿Que dispositivos soportan las versiones del microcontrolador elegido? • ¿Que modo de grabación soporta la familia? (flash, EPROM, EEPROM) • ¿Que velocidad tiene?, Modos de direccionamiento, Set de instrucciones • Consumo en modo de uso y modo standby • Otro tipo de soportes adicionales (librerías, foros, etc.)

Aplicaciones de los Microcontroladores

• se venden cientos de microcontroladores por cada microprocesador • existe una gran diversidad de microcontroladores – según tamaño de palabra se clasifican en: • microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits

• la totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS

Aplicaciones de los Microcontroladores

El número de productos que funcionan en base a uno o varios microcontroladores aumenta de forma exponencial. Casi todos los periféricos del computador (ratón, teclado,impresora, etc.) son regulados por el programa de un microcontrolador. Los electrodomésticos de línea blanca (lavadoras, hornos, etc.) y de línea marrón (televisores, videos, aparatos de música, etc.) incorporan numerosos microcontroladores. Igualmente, los sistemas de supervisión, vigilancia y alarma en los edificios utilizan estos chips para optimizar el rendimiento de ascensores, calefacción, alarmas de incendio, robo, etc.

Aplicaciones de los Microcontroladores

Número Promedio de IC Microcontroladores

Campos de aplicación de los µC El HOGAR Enceres Intercom Teléfonos Sistemas de seguridad Control de puertas de garage Máquinas contestadoras Faxes TV´s Sintonizadores de TV cable VCR Camcorder Video juegos Teléfonos celulares Instrumentos musicales Máquinas de coser Control de luces Localizadores Cámaras Máquinas PinBall Equipo de ejercicios

250 200

150 100

50

LA OFICINA Teléfonos Computadoras Sistemas de seguridad Faxes Microondas Impresora Laser Impresora a color TV´s VCR Control remoto Radio Localizadores

AUTOMÓVIL Computadora de viaje Control de la máquina Bolsas de aire ABS Instrumentación Sistemas de seguridad Control de la transmisión Entretenimiento Control del clima Teléfono celular Entada sin Llave

El hogar

69 42

0ficina 18

2

14

0 1970

226

1980

Año

1990

Auto

35

2000

Aplicaciones de los Microcontroladores

Campos de aplicación de los µC 27%

18% 10%

Automotoriz Industria Computadoras

Comunicaciones Consumo

30%

15%

Aplicaciones de los Microcontroladores

Aplicaciones de los Microcontroladores

• • • • • • • • • • • • • • • • •

Freescale 68HC11 (8-bit) Intel 8051 ARM processors (from many vendors) using ARM7 or Cortex-M3 cores are generally microcontrollers STMicroelectronics STM8S (8-bit), ST10 (16-bit) and STM32 (32-bit) Atmel AVR (8-bit), AVR32 (32-bit), and AT91SAM (32-bit) Freescale ColdFire (32-bit) and S08 (8-bit) Hitachi H8, Hitachi SuperH (32-bit) Hyperstone E1/E2 (32-bit, First full integration of RISC and DSP on one processor core [1996] ) MIPS (32-bit PIC32) NEC V850 (32-bit) PIC (8-bit PIC16, PIC18, 16-bit dsPIC33 / PIC24) PowerPC ISE PSoC (Programmable System-on-Chip) Rabbit 2000 (8-bit) Texas Instruments Microcontrollers MSP430 (16-bit), C2000 (32-bit), and Stellaris (32-bit) Toshiba TLCS-870 (8-bit/16-bit) Zilog eZ8 (16-bit), eZ80 (8-bit)

Aplicaciones de los Microcontroladores

Microcontroladores

MICROPROCESADORES -VS MICROCONTROLADORES

•El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (CPU), también llamada procesador de un computador. • Al microprocesador se le conecta la Memoria y Módulos de E/S para configurar un computador implementado por varios circuitos integrados

Microcontroladores

En conclusión…… Microprocesador (µp).- Es una CPU en un sólo circuito integrado. Microcomputadora (µc).- Es una computadora cuya CPU es un µp. Microcontrolador (µcc).- Es una microcomputadora en un sólo circuito integrado.

Computadora.- Una computadora es un sistema secuencial síncrono programable, la cual para desempeñar sus funciones debe poseer además de la CPU: - Conductos para el flujo de la información - Dispositivos para almacenar información - Dispositivos para comunicarse con el exterior.