Introduccion_a_los_Microcontroladores_v2.ppt

Microcontroladores y microprocesadores

1. Introducción a los
Microcontroladores

2. Introducción a los
Microcontroladores

Introducción

Arquitectura

Memoria

I/O

Interrupciones

Timers/PWM

Interfaces y Otros Periféricos

3. Introducción
Uso de los microcontroladores

Microondas, Lavarropas, Televisores, ...

Automóviles, aviones, barcos

Teléfonos

Automatización industrial

Pequeños dispositivos ad-hoc

...

4. Introducción
Ejemplo. Se quiere:

Leer periódicamente una temperatura

Prender y apagar un calefactor

Mostrar en un display la temperatura

Permitir al usuario ajustar la
temperatura

Posibilidad de actualizar la funcionalidad
con un interfase serie

5. Introducción
Diseño discreto. Se requiere:

Un microprocesador

20 líneas de I/O (2 chips de 16 c/u)
1 Interfaz serie (1 chip)

1 Timer (1 chip)
Memoria SRAM (para variables)

Memoria Flash (para programa)

Memoria EEPROM (para constantes)

6. Introducción
Diseño discreto.

7. Introducción
Diseño Integrado.
ATmega16 (atmel)

8. Oferta de
Microcontroladores

Estructurada por “familias” y
“subfamilias”.

Por ejemplo, cada familia tiene el mismo
nucleo del procesador (su código será
compatible): 8051,PIC,HC,ARM

O son familias orientadas a la aplicación

O por performance (de diferente tipo)

9. Oferta de
Microcontroladores

10. Oferta de
Microcontroladores

11. Oferta de
Microcontroladores

12. Oferta de
Microcontroladores

Dentro de cada “familia” hay mucha
varidad de dispositivos

Pueden estar agrupados en
“subfamilias”

Una forma de clasificación es en base
a los perifericos que integran o
memoria

13. Oferta de
Microcontroladores

MC9RS08KA Family

14. Arquitectura

15. Arquitectura: Procesador
REPASO

16. Arquitectura

Von Neuman vs. Hardvard

CISC vs. RISC

Tamaño/variedad de las instrucciones

Velocidad: clock; 8/16/32 bits

17. Arquitectura

de las instrucciones

Por stack

Por acumulador

Dos direcciones

Tres direcciones
REPASO

18. Arquitectura

Modos de direccionamiento
REPASO

19. Memoria
Registros (memoria de corto plazo):

Pequeña (relativamente)

Almacenamiento temporario p/CPU
Memoria de datos

Relativamente Grande

Almacena datos mientras el MCU funciona
Memoria de programa

Relativamente Grande

De preferencia, mantiene el programa incluso
con el MCU apagado.

20. Memoria: Tipo físicos
REPASO

21. Memoria: Atención

S/DRAM: sin limite de escrituras

EEPROM: 100.000 ciclos de borrado

Flash: 10.000 ciclos de borrado

22. Memoria: Direccionamiento
Separado:

Cada tipo físico se direcciona por
separado (por ejemplo, usando diferentes
registros índices)
Hay direcciones repetidas
Contínuo:

Se accede siempre igual y la logica interna
accede a la memoria que corresponde

No hay direcciones repetidas

23. Memoria: Direccionamiento

Separado

24. Memoria: Direccionamiento

Continuo

25. Memoria: ejercicio
For (i=100;i>=0;i--)
Inadvertidamente i es almacenada en EEPROM
Inadvertidamente i esta implementada como
unsigned
Como la EEPROM es lenta, cada iteración lleva,
digamos, 10 ms
¿Que pasa al conectar el MCU?:

el programa se cuelga

Me doy cuenta, digamos, a los 10 segundos

Empiezo a “debuggear” el programa (pero no apago el MCU)
¿En cuanto tiempo me quedo sin microcontrolador?

26. I/O

27. Digital I/O
Implementadas por pines de conexión
directa al exterior:

Los MCU tienen en general de 8 a 32 pines (o
más).

Se agrupan en “ports” de a 8 pines.

En general, los pines se pueden configurar
como entrada o salida

La lógica puede ser positiva o negativa.
Los pines pueden tener otras funciones
alternativas.

28. Digital I/O
•pin 1 del port B
•Módulo de
Interrupción 1 -
entrada 5
•Pin Tx de puerto
serie
•Conversor AD canal
5

29. Digital I/O

Los pines se controlan mediante 3 registros:

Data Direction Register (DDR): hay uno por cada
puerto y cada bit determina la dirección de un pin.

Port Register (PORT): uno por cada puerto y cada
bit controla el estado del puerto (si es de salida)

Port Input Register (PIN): uno por cada puerto y
cada bit da el estado de su respectivo pin, esté
este configurado como entrada o salida.

30. Digital I/O

31. Digital I/O

32. Digital I/O
PTBDD = 0x80; // initialize PTB7 as output
PTBD = 0; // initialize PTB to 0
PTBD_PTBD7 = ~PTBD_PTBD7; // invert the output

Ejemplo:
bit 7 bit 0

33. Digital I/O

PORT Register: de preferencia debe
escribirse con operaciones de
escritura de bit, si estan disponibles

Caso contrario usar : Read-Modify-
Write con cuidado.

34. Digital Input

La entrada se muestrea con cada pulso
(flanco ascendente normalmente) del
clock, lo que ocasiona
“metaestabilidad”:

35. Digital Input

Normalmente incorporan un Schmitt-
trigger.

Para reducir la “metaestabilidad” se
introducen “sincronizadores”

36. Digital Input

Cancelación de ruidos

Resistencias de pull-up/down en las
entradas: puede (debe) programarse su
conexión/desconexión (a veces mediante el
registro PORT).

37. Digital Output

Apenas el DDR setea un pin como
salida, el MCU excita el pin de
acuerdo al contenido del registro
PORT correspondiente.

Cuidado con los cortocircuitos

Orden de seteo de DDR y PORT

38. Analog I/O

Conversión DIGITAL a ANALOGICA:

Usando un modulador de ancho de
pulso

39. Conversión DIGITAL a ANALOGICA:

Por redes del tipo R-2R. Para r bits sería:
REPASO

40. Conversión Analógica-Digital (CAD)

Comparador: determina si V1 >V2 y
arroja 1, ó 0 en caso contrario.

41. Conversión Analógica-Digital (CAD)

Conversion de valor
REPASO

42. Conversión Analógica-Digital (CAD)

La velocidad de muestreo determina la
máxima frecuencia posible de muestrear
(fmax<fs/2). Además, hay que tener en
cuenta el tiempo que puede llevar la
conversión.

La conversion lleva tiempo: para asegurar
la estabilidad se usa una etapa de
retención (sample-hold)
REPASO

43. Conversión Analógica-Digital (CAD)

Directa (flash): muy rápida (1 bit
time); muy cara
REPASO
Este modo de
conversión rápido es
utilizado en algunos
MCU y por lo general,
no hay mas de 1 o 2
canales “rápidos”.

44. Conversión Analógica-Digital (CAD)

Seguidor (tracking): muy lenta (2
r
bit
times) y variable; barata.
REPASO

45. Conversión Analógica-Digital (CAD)

Aproximaciones sucesivas: velocidad media
y fija en r+1
REPASO
Este es el modo mas utilizado

46. Conversión Analógica-Digital (CAD)

Control del CAD
Habilitación
Tensión de
Referencia
Entrada
Salida (registro)
Conversio
n
Complete
Start Conversion

47. Conversión Analógica-Digital (CAD)

Los MCU pueden tener de 4 a 16 o más entradas
(canales) y un solo CAD, de 8 a 12 bits de precisión.

Se multiplexan los canales (aumentan los tiempos)

Autoincremento: al leer un canal, se pasa al
siguiente y se efectúa un SC automáticamente.

Existe el “modo contínuo” y de disparos sucesivos
mediante el RTC

Una conversión puede “dispararse” por eventos
como un timer, una variación de una entrada
digital o una señal externa.

48. CAD: Ejemplo de características en
un MCU
Linear successive approximation algorithm with 12 bits resolution.
Up to 28 analog inputs.
Output formatted in 12-, 10- or 8-bit right-justified format.
Single or continuous conversion (automatic return to idle after
single conversion).
Configurable sample time and conversion speed/power.
Conversion complete flag and interrupt.
Input clock selectable from up to four sources.
Operation in wait or stop3 modes for lower noise operation.
Asynchronous clock source for lower noise operation.
Selectable asynchronous hardware conversion trigger.
Automatic compare with interrupt for less-than, or greater-than or
equal-to, programmable value.

49. CAD: Ejemplo de implementación
en un MCU
Estado,
control
y
configuración
reloj
multiplexor
comparador

50. CAD: Ejemplo de un registro de
configuración

51. // Configures ADC peripheral (ADC clock = 6.25MHz)
// Bus clock as clock source, 12-bit conversión and divisor=4
ADCCFG = 0x44;




52. Conversión Analógica-Digital

53. Conversión Analógica-Digital

54. Introducción a los
Microcontroladores
Introducción
Arquitectura
Memoria
I/O
Interrupciones
Timers
Interfaces y Otros Periféricos

55. Interrupciones

Un programa sin uso de interrupiones (polling):
¿inconvenientes?
Procesar
Producir
salidas
. . .
do_init();
. . .
for (;;) {
do_inputs();
do_some_process();
set_outputs()
}
Inicializa-
ciones
Leer
entradas

56. Interrupciones

Con interrupciones:
Pueden no existir
Procesar
Producir
salidas
. . .
do_init();
. . .
interrupts_on;
for (;;) {
do_some_process();
set_outputs()
}
Atender
evento 1
Atender
evento 2
Atender
evento n
. . .
Inicializa-
ciones

57. Interrupciones

Las interrupciones se generan
cuando cuando cambia un “estado”.

Permiten la reacción ante eventos

Restricciones de tiempo real

Polling vs. Interrupts

Interrupt Service Routine (ISR)
REPASO

58. Interrupciones
Control de Interrupciones

Interrupt Enable (IE): bit que se setea para
habilitar al controlador que llame a la ISR
cuando se produce el evento.

Interrupt Flag (IF): lo setea el MCU cuando se
produce el evento. Se limpia automatica o
manualmente.
Interrupt mode (IM): mas de un bit para indicar
si la interrupcion se produce por flanco
ascendente, descendente, , etc.

Global Interrupt Enable.

59. Interrupciones

Control de Interrupciones

Inhabilitar las interrupciones no implica
perder eventos.

Cuidado al limpiar la IF

Normal Interrupts and NMI

60. Interrupciones

Interrupt Vector Table: es una tabla
donde se indica para cada
interrupcion en donde se encuentra
la ISR que la atiende.

Puede contener la dirección de la
primera instrucción de la ISR
respectiva o una instrucion jump (JSR)
a la ISR (depende el MCU)
REPASO

61. Interrupciones: IVT

En el Atmega128 (Atmel):

62. M
C
9
S
0
8
Q
G
8

(
F
r
e
e
s
c
a
le
)

63. Interrupciones

Prioridades: fijas o variables

Dentro de una ISR se puede
establecer cuales interrupciones se
permiten (sin hacerlo “a mano” vía los
IE)

Cancelación de ruidos

Eventos internos

64. Interrupciones

Pasos que ocurren ante una interrupción:
1.MCU setea la IF (esté o no habilitada la
interrupción
2.Se termina la instrucción en curso o si el MCU
está en estado “sleep”, se despierta.
3.Se identifica la ISR considerando los IE y la
interrupcion de mas alta prioridad (si hay mas
de un IF seteado).
4.Se llama a la ISR (... y ya pasó un tiempito)

65. Interrupciones
KBI1P2
El controlador de interrupciones 1 (KBI1)
tiene 8 entradas conectadas a determinados
puertos

Ejemplo:

66. Interrupciones

Registros de control (ubicación en la
memoria)

Son 3
dirección mnemónicos de funcion de cada bit

67. Interrupciones

69. Interrupciones

Mapeo a variables:

70. Interrupciones

Ejemplo inicialización:
void InitKBI() {

/*KBI1 Init*/
KBI1SC_KBIE = 0; // Mask KBI1 interrupts
KBI1ES_KBEDG3 = 0; // KBI1P3 internal pull-up, falling edge/low level
KBI1ES_KBEDG2 = 0; // KBI1P2 internal pull-up, falling edge/low level
KBI1PE_KBIPE3 = 1; // Enable KBI1P3 interrupts
KBI1PE_KBIPE2 = 1; // Enable KBI1P2 interrupts
KBI1SC_KBIMOD = 0; // Detect edges only
KBI1SC_KBACK = 1; // Clear possible false interrupts
KBI1SC_KBIE = 1; // Enable KBI1 interrupts
} //end InitKBI

71. 
Atención de la interrupción
Interrupciones

72. Interrupciones
Calificador: dice que la función es
una subrutina de interrupción
Número de vector que
debe atender esta rutina
Alternativa:
Se le puede definir al linker (archivo .prm)
que guarde la direccion de la funcion
directamente:
VECTOR ADDRESS 0xFFDA KBIx-ISR
Y entonces la sintaxis queda:
interrupt void KBIx_ISR(void) { ...

73. Interrupciones

En el main:

74. Interrupciones

75. Interrupciones
Polling vs. Interrupts
Siempre hay que analizar la situación puntual,
pero en general, usar interrupciones cuando:

Los eventos son infrecuentes

Hay mucho tiempo entre eventos

El cambio de estado es importante

Quiero detectar impulsos cortos

Hay eventos generados por hardware (no hay
rebotes o picos)

Hay muy poco para hacer así que conviene estar
en modo sleep

76. Interrupciones

Conviene “polear” cuando:

El operador es humano

No se requiere una temporización precisa

El estado es mas importante que el cambio

Los “impulsos” duran mucho

Hay ruido en la señal

Hay cosas para hacer en el main (pero no
demasiado)

77. Introducción a los
Microcontroladores
Introducción
Arquitectura
Memoria
I/O
Interrupciones
Timers
Interfaces y Otros Periféricos

78. Timers

Son contadores que suben o bajan
con cada pulso de reloj.

El valor actual se lee de un registro o
se setea en el mismo.

Cuidado al acceder a timers con
longitud de registro mayor a la
palabra del MCU

79. Timers
Los timers generalmente generan una
interrupción cuando hacen overflow
Esto sirve para generar señales o
eventos peródicos (con acotada
precisión)
Pueden tener una señal de clock
independiente del MCU. Con ella se
incrementa la cuenta.

80. Timers

Prescaler

Es otro contador (de 8 o 10 bits) que trabaja
contra el clock y produce una salida que es la
que entra al timer.

Se logra una extension de tiempos a medir por
la division del prescaler. Ejemplo:

8 bit timer, clock de 1 Mhz -> cuenta máxima 255 uS
con una resolución de 1 uS

8 bit timer, clock de 1 Mhz, prescaler en 1024 ->
cuenta máxima 260 ms con una resolución de 1 ms.

81. Timers
Otras fuentes de cuenta:

Pulsos externos

Cristal externo: generlamente de 32.768 KHz que
implementa otro RTC independiente en el MCU

Timestamp (input capture)

Puede setearse un evento para que automáticamente
se copie el valor del contador en un registro de captura.
Ejemplo: cuando un comparador cambia, tomar la
cuenta.

Disparo de salida (output compare)

Se setea el timer una cuenta y cuando se alcanza,
automáticamente se levanta una salida, o similar.

82. Timers

Ejemplo de registros (un solo timer)
Este timer es muy versátil y trabaja tambien como
PWM

84. Timers

85. Timers

86. Timers

Ejemplo de uso simple:
Clock=BUSclk=>8 Mhz

87. Introducción a los
Microcontroladores
Introducción
Arquitectura
Memoria
I/O
Interrupciones
Timers
Interfaces y Otros Periféricos

88. Modulación de Ancho de
Pulso (PWM)

Es un timer que genera una señal
periódica de salida con período y
ciclo de trabajo configurables

89. Modulación de Ancho de
Pulso (PWM)

Además de su uso como CDA, los
PWM se usan para controlar ABS en
autos, niveles de iluminación en
LCDs, control de motores, etc.

90. Timers y PWM

91. Otras características

RTC (Real Time Counters)

Watchdog

Consumo: reduccion de tensión,
frecuencia y modo sleep

Reset, POR y BOR

External, Internal (software) Reset

Keyboard interrupts

92. Interfaces y Otros Periféricos

SCI (UART)

Provee una (o mas) interface de comunicación
asincrónica serie (UART) por medio de dos hiloas (Tx y
Rx)

Parámetros comunes: full o half duplex, data bits, parity
bits, stop bits, baud rate

93. Interfaces y Otros Periféricos

SCI (UART)

Generalmente los modulos generan interrupciones (fin
de transmisión, recepción, etc.)

De las SCI del MCU se pueden generar con componentes
externos interfases físicas RS232, RS422, RS485, etc.

USART (sincrónica)

Agrega un hilo para sincronismo, el cual es generado por
una de las partes

Si se usa como UART, el pin se puede usar como I/O

94. Interfaces y Otros Periféricos

SPI (Serial Peripherical Interface)

Para comunicación serie mediante 4
hilos basada en master-slave:

MOSI: Master Out – Slave In

MISO: Master In – Slave out

SCK: System Clock, generado por el master

SS: Slave select. Si hay mas de una linea, con
un decodificador externo se pueden atender
2
n
slaves.

95. Interfaces y Otros Periféricos

96. Interfaces y Otros Periféricos

IIC (I
2
C)

Inter-IC bus, de Phillips, es un bus sincrónico que
opera en modo master-slave con dos hilos SCL y
SDA en modo half duplex, para distancias
cortas, hasta 3.4 Mbps, mediante el
intercambio de tramas.

No hay límites al numero de dispositivos a
conectar (capacidad total en el bus < 400pF)

Cada nodo (uno debe ser master, por lo menos)
tiene una dirección de 7 o 10 bits

97. Interfaces y Otros Periféricos

IIC (I
2
C)

98. Interfaces y Otros Periféricos
Ethernet

Implementación de 10/100/1000* Ethernet
MAC con PHY

Para conexiones a redes de area local estándar
CAN (Controller Area Network) de Bosh y
Flexcan

Originalmente diseñado para su uso en
automoviles y ahora extendido a otras areas,
permite la comunicación por bus en 1 Mbps
hasta 40 m. mediante “broadcast”.

99. Interfaces y Otros Periféricos
Módulos de criptografía
Stack TCP/IP (para módulos ethernet)
IEEE 1149.1 Test Access Port (JTAG)
DMA Timers
QSPI (Queued SPI)
EzPort, para programar la memoria flash
interna desde flash externas en forma directa
LCD controllers
...

100. Interfaces y Otros Periféricos

101. Arquitectura

103. MC9S08LC6
0

104. MCF52235