1. Introducción: Diseño basado en Microcontroladores · 1.1. Contexto de la asignatura: Diseño...

1.1. Contexto de la asignatura: Diseño basado en Microcontroladores

1.2. Reseña histórica de la electrónica.

1.3. Reseña histórica de los microprocesadores/microcontroladores.

1.4. Diseño de sistemas basados en microprocesadores.

1.5. Componentes Básicos de un Sistema Digital Microprogramable:

1.5.1. Hardware: CPU, memoria, puertos de Entrada/Salida,interrupciones de Entrada/Salida, controladores de periféricos;

1.5.2. Software: Lenguajes máquina, ensamblador y de alto nivel.Programación del microprocesador

1.6. Metodología didáctica. Bibliografía.

1. Introducción: Diseño basado en Microcontroladores

1.1. Contexto de la asignatura: Diseño basado en Microcontroladores.

Objetivos Generales de la asignatura: - Describir la estructura de un microcontrolador y su aplicabilidad frente a

los microprocesadores.- Analizar la arquitectura interna y el diagrama de bloques de un microcontrolador.- Estudiar el hardware de los bloques de un microcontrolador.- Analizar el mapa de memoria de un microcontrolador.- Utilizar el lenguaje ensamblador, las instrucciones básicas y los modos de

direccionamiento del microcontrolador.- Utilizar manuales del fabricante.- Manejar un sistema de desarrollo basado en microcontroladores.- Manejar las interrupciones y los distintos tipos de temporizadores, incluyendo el Watchdog.- Modular señales con diferentes anchura de pulso, usando el PWM.- Establecer comunicaciones asíncronas usando los UART del microcontrolador.- Conocer el controlador de acceso directo a memoria (DMAC).- Realizar conversiones analógica-digitales y digitales-analógicas.- Analizar la implementación de los interfaces paralelos de entradas/salidas.- Conectar distintos periféricos al microcontrolador.- Describir brevemente la arquitectura y la aplicabilidad de los DSP’s.- Realizar un diseño completo hardware/software de un caso práctico.

Objetivos específicos del tema:

- Ubicar la asignatura en la titulación y dar la metodología didácticay la bibliografía.

-Conocer la evolución histórica de los sistemas microprogramablesy las tendencias actuales.

-Afianzar los conceptos sobre la estructura básica y los componentes funcionales de un sistema microprogramable genérico.

- Describir la arquitectura interna de una CPU genérica:bloques, funciones y modo general de funcionamiento.

-Describir los distintos lenguajes de programacióny los pasos a realizar para generar un programa ejecutable.



Bibliografía recomendada.

[Floyd, 2000]. Los capítulos 11, 12 y 13 sirven de repaso de los sistemasmicroprogramables. Es muy recomendable su lectura.

Tratamiento didáctico específico.Este tema es de introducción y, aparte de ubicar a la asignaturaen la titulación y dar la metodología didáctica y la bibliografía,sólo pretende repasar los conceptos más importantes que senecesitarán en los siguientes temas. Esto es importante puesto

que el alumnado que cursa la asignatura no es homogéneo.Existen alumnos de segundo o de tercer curso y de las titulaciones

técnicas de ingeniero de sistemas y de gestión. Además, esta asignatura está ofertada como de libre configuraciónpara otras titulaciones.

La Electrónica en el Plan de Estudios de Ing. Informática.

Primer Curso, Primer Cuatrimestre

SISTEMAS ELECTRÓNICOSDIGITALES (4.5+4.5)

- Herramientas Matemáticas- Circuitos Combinacionales: Análisis,

Síntesis. Bloques funcionales MSI/LSI.- Circuitos Secuenciales: Análisis y

Síntesis.Bloques funcionales MSI/LSI.- PLD´s

- Prácticas afines: Manejo básicodel instrumental de laboratorio.

Esquemáticos y Simulacióncon OrCAD.

Programación PLD´s con ABEL








Esquemáticos y Simulacióncon OrCAD .

Programación PLD´s con ABEL









Programación PLD´s con ABEL Asig

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Físi

co -M

atem

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS (4.5+1.5)

- Teoría de Circuitos.- Diodos.

- Transistor Bipolar.- Transistor MOS.

- Familias Lógicas.- Memorias.

- Fabricación de CircuitosIntegrados.

TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES(4.5+4.5)

- Descripción estructural y funcionala nivel de registros (RTL).

- Algoritmos aritméticos.- Estructura básica de un procesador.

- Control cableado y microprogramado.- Prácticas de Laboratorio OrCAD.

SEGUNDO CUATRIMESTRE








Descripción estructural y funcionala nivel de registros (RTL).

Algoritmos aritméticos.Estructura básica de un procesador.

Control cableado y microprogramado.Prácticas de Laboratorio OrCAD.




ESTRUCTURA DECOMPUTADORES (4.5+4.5)

- Procesador.- Rendimiento del procesador.

- Memoria del computador.- Entrada/Salida (E/S).

- Buses de Comunicación.LABORATORIO:

- Lenguaje ensamblador.- Instrucciones del 8086.- Control de periféricos.

- Aplicaciones.

Segundo CursoANUAL








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Procesador.Rendimiento del procesador.Memoria del computador.

Entrada/Salida (E/S).Buses de Comunicación.

LABORATORIO:Lenguaje ensamblador.Instrucciones del 8086.Control de periféricos.

Aplicaciones.

Segundo CursoANUAL








- Aplicaciones.

Segundo CursoANUAL








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a

DISEÑO BASADOEN MICROCONTROLADORES

(4.5+4.5)- Microcontrolador M16C/62.

- Temporizadores e Interrupciones.

- E/S por puerto serie.

- Convertidores A/D y D/A.

- Buses externos.

- Procesador Digital de Señales.

- Diseños.

ELECTRÓNICA DIGITAL (4.5+4.5)

- Dispositivos Electrónicos: Diodos, Transistores Bipolares,

MOSFET. Amplificadores. Familias Lógicas.

- Monoestables, Biestables, Astable , Multivibradores,

Temporizadores.


- Optoelectrónica. Displays.

OPTATIVAS DE PRIMER CICLO

















- Buses externos.


- Diseños.




- Monoestables,Biestables, Astable, Multivibradores,

Temporizadores.











- Aplicaciones.

Segundo CursoANUAL








natu

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Físi

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atem

átic

a

Diseño de Sistemas VLSIDiseño de Equipos y Sistemas Electrónicos

MicroelectrónicaHerramientas de Diseño Electrónico

OPTATIVAS DESEGUNDO CICLO






- Buses externos.


- Diseños.




- Monoestables, Biestables, Astable , Multivibradores,

Temporizadores.














• Tubo de rayos catódicos (Braum, 1897)• Teoría Electrónica (Thomson, 1897)• Diodo de vacío (válvula) (Fleming, XX)• Triodo (audión) Ganancia > 1 (Forest, XX)• Transistor (Barden y Bratain, 1948)• Circuitos Integrados (Noyce y Kilby, 1959)

(biestables con 4 transistores y 2 resistencias, 2’3mm2, Nobel en 2000)

1.2. Reseña histórica de la Electrónica.

Año 1947 1950 1961 1966 1971 1980 1990 2000

TecnologíaInvencióndeltransistor

Comp.discretos SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI

Númeroaproximadodetransistorespor chip encircuitoscomerciales

1 1 10 100-1001.000-20.000

20.000-1.000.000

1.000.000-10.000.000

>10.000.000

Productotípico -

Transistorde unión

diodo

Dispositivosplanares,Puestaslógicas,Flip-flop

ContadorMultiplexSumador

Micro 8bitsROMRAM

Micros 16y 32 bitsPeriféricosGHMDRAM

Procesadorespecial,Máquinasde realidadvirtual

Evolución de la escala de integración.

FuncionesAnalógicas y

Digitalesindistintamente


Evolución de la complejidad de las CPUs

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

1,00E+10

1978 1982 1986 1990 1993 1996 2000 2003 2006

Año

Núm

ero

de b

it/ch

ip

1.0-1.2 um

2.5-3 um.1.6-2.4 um.

0.7-0.8 um.0.5-0.6 um

0.35-0.4 um.0.25-0.3 um.

0.15-0.2 um.

0.15 um.

64 Kb.

256 Kb.1 Mb.

16 Mb.4 Mb.

64 Mb.256 Mb.

1 Gb.4 Gb.

Evolución de la complejidad de las memorias DRAM


Elementos para el diseño de sistemas electrónicos

Circuitos Integrados Estándares.

Funciones específicas establecidas por el fabricante.Aplicables a un gran número de sistemas.Válidos para sistemas de pequeña producción.y sin restricciones de velocidad, consumo y tamaño.

Circuitos de Lógica Programable

Elementos lógicos con interconexionado configurable.Posibilidad de integrar gran cantidad de circuitos discretos.Reconfigurabilidad.Facilidad de diseño (Herramientas CAD)


Elementos para el diseño de sistemas electrónicos

Circuitos Integrados de Aplicación Específica (ASIC)

Implementa funciones especificadas por el usuario.Posible integración de todo el sistema en un único C.I.Posibilidad de optimizar el diseño.Existencia de herramientas CAD.Producción a gran escala.

Circuitos Híbridos

Construidos sobre subtratos aislantes.Compuestos de microcomponentes,pastas resistivas y pastas conductoras.Miniaturización, alta frecuencia, conexionado.


ELECTRÓNICA FUNDAMENTAL

ELECTRÓNICAAPLICADA

ELECTRÓNICAINDUSTRIAL

ELECTRÓNICA DEL

ESTADO SÓLIDO

DISPOSITIVOSELECTRÓNICOS

CIRCUITOSELECTRÓNICOS

SISTEMASELECTRÓNICOS

APLICACIÓN A PROCESOS

INDUSTRIALES

1.2. Reseña histórica de la Electrónica. Clasificación

Intel: Ordenadores IBM PC y compatibles PCMotorola: Ordenadores Macintosh de Apple

1971 – 1975 (Primeros pasos):

Intel: 4004, bus de datos de 4-bits. 8008 (8-bits)8080,8085, bus de direcciones de 16 líneas (Direcciona64 Kbytes de memoria).

Motorola: 6800, bus de datos de 8-bits y bus de direcciones de 16-bits. Frecuencia de reloj de 2MHz.6802, RAM de 128Kbytes; 6803, con frecuencia de reloj de 3,58MHz y con una UART6809, con mayor juego de instrucciones.

1.3. Reseña histórica de los Microprocesadores/Microcontroladores

1978 – 1981 (Primera generación):

Intel: 8086, bus de datos de 16-bits, bus de direcciones de 20 líneas (Direcciona 1 Mbytesde memoria) y frecuencias de reloj de 5, 8 y 10 MHz..

8088, bus de datos interno de 16 bits multiplexado como bus externo de 8-bits (IBM).

80186, generador de reloj, controlador de interrupciones y DMA. Frecuencia de 12,5 MHz.Motorola: 68000, bus de datos de 16-bits y bus de direcciones de 24-bits. Frecuencia de reloj de 16MHz.



1982 – 1984 (Segunda generación):Intel: 80286, bus de datos de 16-bits, bus de direcciones de 24líneas

y frecuencias de reloj de 12,5 MHz.Incorpora el modo de operación avanzado (modo protegido) que permite el acceso a posiciones de memoria adicionales y presenta características de programación avanzada.

Motorola: 68020, micro de 32-bits y direcciona 4 Gbytes.Frecuencia de reloj de 33 MHz.Incluye memoria cache.

1985 – 1988 (Tercera generación):

Intel: 80386, bus de datos de 32-bits, bus de direccionesde 32 líneas y frecuencias de reloj de 16, 20, 25 y 33 MHz.Incorpora el método pipe-line de las instrucciones.Compatibilidad con coprocesador matemático.

Motorola: 68030, añade memoria cache de 256 bytestambién para los datos. Frecuencia de reloj de 50 MHz.



1989 – 1992 (Cuarta generación):

Intel: 80486, memoria cache de 8 Kbytes y coprocesadormatemático. Frecuencias de reloj de 66 MHz.

Motorola: 68040/68060, memoria cache de datos e instruccionesde 4-Kbytes. Coprocesador interno.Frecuencia de reloj de 66 MHz. Arquitectura superescalar,con instrucciones pipe-line múltiples

1993 – 1994 (Quinta generación):

Intel: Pentium, bus de datos de 64-bits, bus de direccionesde 32 líneas y frecuencias de 166 MHz.Dos memorias cache de 8 Kbytes.

Motorola: PowerPC (MPC601), bus de datos de 64-bits con arquitectura superescalar que permite ejecutar hastatres instrucciones por ciclo de reloj.Micro tipo RISC (Reduced Instruction Set Computer).



Los microcontroladores surgen debido a la demanda de diversos

sectores, por ejemplo el microprocesador 6800 de Motorola

da lugar al microcontrolador 6801 con CPU, memoria y

circuitos de interfaz aplicados al mercado automovilístico.

En 1985 Motorola lanzó al mercado el microcontrolador

tan popular 68HC11. Intel siguió el mismo camino y de su

microprocesador 8048 de 8-bits lanzó el

también tan popular microcontrolador 8051.

Ventajas (Lógica microprogramada frente a Lógica cableada):

- Fiabilidad: Reducción del número de C.I. s utilizados y del número de conexiones.

- Mayor eficiencia en coste. El coste final de un diseño es proporcional al número de C.I.s

- Menor espacio y consumo y menor tiempo de testeo

- Reducción del tiempo de desarrollo (diseño y testeo)

- Propiedad Intelectual

- Facilidad de diseño. Herramientas de desarrollo más potentes.


C.P.U.MEMORIASPROGRAMA

Y DATOS

INTERFACESE/S

BUS DE DATOS

BUS DE DIRECCIONES

BUS DE CONTROL

DISPOSITIVOPARALELO

E/S

DISPOSITIVOSERIE

E/S

1.5.1. Hardware: CPU, memorias, puertos de Entrada/Salida, interrupciones, controladores de

periféricos…

1.5.1. Software: Lenguajes máquina, ensamblador y de alto nivel. Programación del

microprocesador

Programación del microprocesador:

- Código Máquina- Lenguaje Ensamblador- Lenguajes de alto nivel

Depuración, prueba y análisis:

- EPROM. - Sistemas de Desarrollo. - Simuladores. - Emuladores.

Tema 1: Introducción. Sistemas Basados en Microprocesadores. (2 horas)

1.1. Contexto de la asignatura.

1.2. Reseña histórica de la electrónica.

1.3. Reseña histórica de los microprocesadores/microcontroladores


1.5. Componentes Básicos de un Sistema Digital Microprogramable:

1.5.1. Hardware: CPU, memoria, puertos de Entrada/Salida,

interrupciones de Entrada/Salida, controladores de periféricos...

1.5.2. Software: Lenguajes máquina, ensamblador y de alto nivel.

Programación del microprocesador.

1.6. Metodología didáctica. Bibliografía.

1.6. Diseño Basado en Microcontroladores.Programa Detallado

Tema 2: Microcontroladores. (2 horas)

2.1. Introducción.

2.2. Estructuras específicas para el control de sistemas.

2.3. Características generales de los microcontroladores.

2.4. Familias de microcontroladores.

2.5. Aplicaciones básicas. Elección del microcontrolador.

Diseño Basado en Microcontroladores.Programa Detallado

Tema 3: Hardware del Microcontrolador M16C/62. (4 horas)

3.1. Características generales.

3.2. Arquitectura interna, diagrama de bloques.

3.3. Mapa de memoria.

3.4. CPU.

3.5. Modos de procesamiento y memoria.

3.6. Control del bus.

3.7. Temporizadores e interrupciones.

3.8. Puertos E/S programables.

3.9. Convertidores A/D y D/A.


Tema 4. Software del Microcontrolador M16C/62. (6 horas + 8 horas de laboratorio)

4.1. Modelo de programación: Lenguaje Ensamblador.

4.2. Instrucciones básicas.

4.3. Modos de direccionamiento.

4.4. Escritura de programas fuente.

4.5. Gestión de direcciones.

4.6. Directivas y funciones macro.

4.7. Sistema de desarrollo MSA0652.

4.8. Práctica de laboratorio: Manejo del depurador del sistema de desarrollo.

4.9. Práctica de laboratorio: Análisis del mini-emulador.

4.10. Práctica del laboratorio: Realización de subrutinas. Operaciones con 32 bits.



Tema 5. Temporizadores e Interrupciones. (6 horas + 6 horas de laboratorio)

5.1.Temporizadores A y B. Modos de funcionamiento.

5.2. Temporizador Perro Guardián (Watchdog).

5.3. Interrupciones. Tipos.

5.4. Modulador de la anchura de pulso (PWM).

5.5. Control de interrupciones.

5.6. Secuencia de interrupciones.

5.7. Prioridades.

5.8. Práctica de laboratorio: Uso de los temporizadores.

5.9. Práctica de laboratorio: Uso de las interrupciones.

5.10. Práctica de laboratorio: Uso del PWM.


Tema 6. Entradas/Salidas. Interfaces serie. (4 horas + 6 horas de laboratorio)

6.1. Tipos de comunicación. Serie y paralela.

6.2. Comunicación síncrona.

6.3. Módulo CRC.

6.4. Comunicación asíncrona (UART).

6.5. Acceso directo a memoria (DMAC).

6.6. Práctica de laboratorio: Uso de los UART’s.

6.7. Práctica de laboratorio: Comunicación con el ordenador. Estándar RS-232-C.


Tema 7. Convertidores D/A y A/D. (4 horas + 6 horas de laboratorio)

7.1. Introducción. Interfaces entre el mundo digital y el analógico.

7.2. Convertidores D/A. Características de funcionamiento. Parámetros.

7.3. Convertidores A/D. Modos de funcionamiento.

7.4. Método de conversión A/D. Muestreo y retención.

7.5. Práctica de laboratorio: Uso del convertidor D/A.

7.6. Práctica de laboratorio: Uso del convertidor A/D.


Tema 8. Entradas/Salidas. Interfaces paralelos. (6 horas + 6 horas de laboratorio)

8.1. Introducción.

8.2. Buses Bidireccionales.

8.3. Disparo del bus externo. HOLD y HOLDA.

8.4. Conexión de periféricos: sensores, displays, LCD, teclados, ...

8.5. Práctica de laboratorio: Uso del bus externo.

8.6. Práctica de laboratorio: Conexión de periféricos.


Tema 9. Procesadores Digitales de Señales. (2 horas + 2 horas de laboratorio)

9.1. Introducción: necesidades y aplicaciones.

9.2. Arquitectura interna.

9.3. Familia de DSP’s.

9.4. Aplicación: Aproximación de funciones trigonométricas, funciones matriciales y

filtros FIR e IIR.

9.5. Demostración en el laboratorio de diversas aplicaciones.


Tema 10. Casos Prácticos de Diseño. (20 horas de laboratorio)

10.1. Diseño hardware/software de diversos sistemas, a elegir:

10.1.1. Sistema de control de entrada-salida de vehículos de un aparcamiento y

su gestión.

10.1.2. Control de un sistema de seguridad.

10.1.3. Temporizador programable. Uso de pulsadores para programar

y de un LCD para visualizar la información.

10.1.4. Diseño propuesto por el alumno.

Manuales del fabricante. Disponibles en el laboratorio en formato pdf.

http:// www.renesas.com

[Mitsubishi, 1999] MITSUBISHI SEMICONDUCTOR, User Manual, M16C/62 Group, Single-Chip 16-bit CMOS Microcomputer, Ed. Mitsubishi Electric Corp. Kitaitami Works, Dec,. 1999.

[Mitsubishi, 1998] MITSUBISHI SEMICONDUCTOR, Software Manual, M16C/60 Serie, Single-Chip 16-bit CMOS Microcomputer, Ed. Mitsubishi Electric Corp. Kitaitami Works, 1998.

[Mitsubishi, 2000a] MITSUBISHI SEMICONDUCTOR, Note Applications, M16C/60 Serie, Single-Chip 16-bit CMOS Microcomputer, Ed. Mitsubishi Electric Corp. Kitaitami Works, 2000.

[Mitsubishi, 2000b] MITSUBISHI SEMICONDUCTOR, User’s manual, KD30 V.2.00, Ed. Mitsubishi Electric Corp. Kitaitami Works, 2000.

[Mitsubishi, 2000c] MITSUBISHI SEMICONDUCTOR, User’s manual, M16C/62 MiniEmulator G01/G02, Ed. Mitsubishi Electric Semic. Systems Corp., 3th version, 2000.

Diseño Basado en Microcontroladores.Bibliografía


Bibliografía de consulta

[Floyd, 2000] FLOYD, T.L., Fundamentos Digitales, Ed. Prentice Hall, 7ª edición, 2000. [Cady, 1997] CADY, F.M., Software and Hardware Engineering, Ed. Oxford University Press,

1997.[Cady, 1997] CADY, F.M., Microcontrollers and Microcomputers. Principles of Software and

Hardware, Ed. Oxford University Press, 1997.[González, 1992] GONZÁLEZ VÁZQUEZ, J.A., Introducción a los Microcontroladores.

Hardware, Software, Aplicaciones, Ed. Mc-Graw Hill, 1992.[Colomar, 1993] COLOMAR, E., GARRIGUES, J., BALLESTER, F.J., Y ROIG, D., Diseño y

programación del mp 68000 y periféricos. SPU. Valencia, 1993.[Marven, 1994] MARVEN, C. y EWERS, G:, A simple approach to Digital Signal Processing,

Ed. Texas Instruments, 1994.[Kun-Shan, 1987] KUN-SHAN, L. (ED.), Digital Signal Processing Applications (vol 1 y 2).

Eds. Prentice Hall y Texas Instruments, 1987.[Serna, 2000] SERNA, A. Y GARCÍA, J.V., Lógica Digital Microprogramable. Ed. Paraninfo,

2000.


URL fabricantes:

http:// www.intel.com

http:// www.motorola.com

http:// www.renesas.com

http:// www.microchip.com

http:// www.analog.com

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