Electrónica Industrial Tema 11. Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores
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Unidad 11
Introducción a los microprocesadores y
microcontroladores
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Septiembre 2002
Electrónica Industrial Tema 11. Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores
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CONTENIDO
Unidad 11. Introducción a los microprocesadores y microcontroladores.
11.1 Elementos básicos de un sistema microprocesador. 11.2 Microprocesadores frente a microcontroladores. 11.3 Arquitectura del PIC16F84. 11.4 Fundamentos de programación del PIC16F84. 11.5 Ejemplos de programación del PIC16F84.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ! Estudiar los bloques básicos de un microprocesador. ! Comprender la diferencia entre lenguaje máquina y lenguaje
ensamblador. ! Comprender el funcionamiento básico de una CPU. ! Estudiar la arquitectura básica del microcontrolador PIC 16F84 ! Distinguir entre puerto de E/S dedicado y puerto de E/S “mapeado” en
memoria. ! Estudiar la E/S por sondeo (“polling”), la E/S controlada por
interrupción, y las interrupciones software. ! Saber programar aplicaciones sencillas en un PIC16F84.
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1. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA
MICROPROCESADOR
El microprocesador
El microprocesador es un circuito integrado digital que puede programarse con una serie de instrucciones, para realizar funciones específicas con los datos. Cuando un microprocesador se conecta a un dispositivo de memoria y se provee de dispositivos de entrada salida, pasa a ser un sistema microprocesador.
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1. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA
MICROPROCESADOR
• Existen tres bloques funcionales básicos: CPU, memoria y puertos. • Los tres se encuentran conectados mediante buses. • Los dispositivos de entrada y salida se conectan mediante puertos. • Un puerto es una interfaz física de una computadora a través del la cual
pasan los datos hacía y desde los periféricos. • Los programas son un conjunto de instrucciones que entiende la CPU y que
se ejecutan para resolver un problema específico. El programa se almacena en memoria.
• Cada posición de memoria tiene asignada una dirección exclusiva. • Las instrucciones son leídas por la CPU a través del bus de datos cuando
ésta las solicita. • La CPU las interpreta, y las ejecuta secuencialmente. Con frecuencia las
instrucciones vienen acompañadas de datos o direcciones, con objeto de modificarlos.
• La CPU genera señales de control para coordinar las transacciones.
Memoria
Puerto de entrada
CPU (µP)
Puerto de salida
Periférico (Teclado,
ratón, monitor)
Periférico (Impresora,
monitor)
Bus de direcciones
Bus de datos
Bus de control
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1. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA
MICROPROCESADOR
Unidad central de proceso(CPU) (I). Unidades funcionales
Es un circuito de gran escala de integración que contiene la CPU completa de una computadora en un único circuito integrado. Los microprocesadores contienen diversas unidades funcionales que realizan trabajos específicos. El modo de relacionarse entre ellas establece la arquitectura interna del µP, el conjunto de instrucciones disponibles y el modo de ejecutarse cada una de ellas.
6800 de Motorola Unidad aritmético lógica (ALU) Es el elemento clave de procesamiento del µP. Esta gobernada por la unidad de control. Se utiliza para realizar operaciones aritméticas y lógicas. Los datos de la ALU se obtienen de la matriz de registros. Matriz de registros Es la colección de registros disponibles pro el programador dentro del microprocesador. Existen también, registros invisibles no disponibles por el programador. Unidad de control Proporciona las señales de temporización y control.
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1. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA
MICROPROCESADOR
Unidad central de proceso(CPU) (II). Buses
Bus de direcciones Es un bus de un solo sentido a través del cual el microprocesador envía un código de dirección a una memoria o dispositivo externo.
16 líneas = 216= 65.536 posisiones = 64 K (8080) 20, 24 bits
32 líneas = 232= 4.294.467.296 = 4 Gigas (Pentium)
Bus de datos Es un bus de dos sentidos (8, 16, 32 o 64 bits). Bus de control Señales para ciclos de lectura / escritura, ciclos de espera, interrupciones, etc.
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1. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA
MICROPROCESADOR
Unidad central de proceso(CPU) (III)Programación. Todos los µP disponen de un conjunto básico de instrucciones que se pueden agrupar según su funcionalidad. En el Pentium se pueden distinguir siete grupos básicos:
• Transferencia de datos. • Aritmética. • Manipulación de bits. • Bucles y saltos. • Cadenas de caracteres. • Subrutinas e interrupciones. • Control del procesador.
Las instrucciones son decodificadas antes de que sean ejecutadas. A las instrucciones en código binario se denomina lenguaje máquina. Con objeto de no escribir los programas en lenguaje máquina se utilizan nemónicos que constituyen lo que se conoce como lenguaje ensamblador. Los programas ensambladores se encargan de traducir los nemónicos en código máquina. También incluyen pseudo-instrucciones necesarias para facilitar la programación (reserva de zonas de datos, código, stack, variables, etc.). Un compilador traduce las instrucciones de un lenguaje de alto nivel máquina.
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2. MICROPROCESADORES VS MICROCONTROLADORES.
Concepto general de microcontrolador.
" Es un C.I. que contiene todos los componentes de un computador.
Aplicaciones
1. Periféricos y dispositivos auxiliares de los computadores. 2. Electrodomésticos. 3. Aparatos portátiles y de bolsillo (tarjetas, monederos, teléfonos..) 4. Máquinas expendedoras y juguetería. 5. Instrumentación. 6. Industria de automoción. 7. Control industrial y robótica. 8. Electromedicina. 9. Sistema de navegación espacial. 10. Sistemas de seguridad y alarma. 11. Domótica en general.
Control del motor
Antideslizamiento
Panel de instrumentos Control de velocidad Sistema de navegación Control climatización
Sistema antirrobo
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2. MICROPROCESADORES VS MICROCONTROLADORES.
Arquitectura Von Newman VS Harvard
Algunos microcontroladores optimizan su operatividad mediante una arquitectura Harvard.
Memoria
Procesador (CPU)
Entrada/Salida
Bus de
Bus de direcciones
Bus de control
Bus de control
Bus de direcciones
Bus de datos
Memoria datos
Procesador
Memoria programa
Bus de datos (instrucciones) Bus de datos de memoria de programa
Bus de direcciones de memoria de programa
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2. MICROPROCESADORES VS MICROCONTROLADORES.
Implantación en el mercado
Algunos fabricantes de µC con algunos modelos.
Fabricante Modelos de µC
INTEL 8048, 8051, 80C196, 80186, 80188, 80386EX
MOTOROLA 6805, 68HC11, 68HC12, 68HC16, 683XX
HITACHI HD64180
PHILIPS Gama completa de clónicos del 8051
SGS-THOMSON (ST) ST-62XX
MICROCHIP PICs
NATIONAL SEMICONDUCTOR COP8
ZILOG Z8, Z80
TEXAS INSTRUMENTS TMS370
TOSHIBA TLCS-870
INFINEON C500
DALLAS DS5000
NEC 78K
Ranking europeo de ventas de MCU de 8 bits (año 1999).
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Microcontroladores PIC de Microchip
En la actualidad se emplean cada vez más debido a:
# Velocidad # Precio # Facilidad de uso # Información y herramientas de apoyo.
Gamas # PIC12C5X, gama baja o clásica ( palabra de programa de 12 bits). # PIC16CXXX, gama media (palabra de programa de 14 bits). # PIC17CXXX, PIC18XXX, gama alta (palabra de programa de 16 bits).
Familia Descripción PIC12C5XX 8-Pin, 8-Bit CMOS PIC12C67X 8-Pin, 8-Bit CMOS con Convertidor A/D PIC12F6XX 8-Pin, 8-Bit Flash con EEPROM y A/D PIC16C5X EPROM/ROM 8-Bit CMOS PIC16C55X EPROM-Based 8-Bit CMOS PIC16C6X 8-Bit CMOS PIC16X62X 8-Pin EPROM-Based 8-Bit CMOS con Comparador PIC16C64X 8-Bit EPROM con Comparador analógico PIC16C7X 8-Bit CMOS con convertidor A/D. PIC16C71X 18 Pin, 8-Bit CMOS con convertidor A/D. PIC16C43X 18/20 Pin, 8-Bit CMOS con bus LIN. PIC16C78X Convertidor A/D, D/A, amplificador operacional, comparadores y PSMC. PIC16C7X5 8-Bit CMOS, A/D , para aplicaciones de USB, PS/2 y dispositivo serie. PIC16C77X 20-pin, 28-pin y 40-Pin, 8-Bit CMOS con convertidor A/D 12-bit. PIC16F87X 28/40-Pin, 8-Bit CMOS FLASH con convertidor A/D 10-bit . PIC16X8X 18-Pin, 8-Bit CMOS FLASH/EEPROM Microcontrollers PIC16F7X 28/40-pin 8-bit CMOS FLASH PIC16C9XX LCD, convertidor A/D 8 y 10-bit . PIC17C4X 8-Bit CMOS EPROM/ROM, alto rendimiento. PIC17C75X 8-Bit CMOS EPROM, alto rendimiento PIC18CXXX 8-Bit, arquitectura mejorada. PIC18F0XX 8-Pin, 8-Bit FLASH con EEPROM, PLVD, BOR y PWM. PIC18FXX2 Protección de código, 256 EEPROM, LVD, PLL, SLEEP ,multiplicador 8x8 , PSP. PIC18FXX31 28/40-Pin FLASH con EEPROM, PLVD, PBOR, A/D 10-bit PWM.
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Arquitectura general
Características generales.
# Consta de una ALU, decodificador de instrucciones, y una matriz de registros.
# Incluye también un módulo de memoria para programa y una memoria auxiliar para datos del tipo EEPROM, por si falla la alimentación.
# Arquitectura Harvard. # Bus de datos de 8 bits, bus de instrucciones de 14 bits. # Conjunto de instrucciones reducido, RISC (35 instrucciones). # Las instrucciones se ejecutan en 1 ciclo, excepto los saltos (2 ciclos). # Dispone de dos puertos de entrada salida. # Entradas multiplexadas para interrupciones y el contador/temporizador. # Dispone de un perro guardian o watchdog.
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Memoria de programa
# Tipo Flash integrada en el propio chip. # Memoria de 1K x 14 (000h – 3FFh).
# En la posición 000h está el Vector de Reset.
o Conexión alimentación o Al aplicar 0V al terminal MCLR o Desbordamiento perro guardián (watchdog).
# En la posición 04h está el Vector de Interrupción. o Activación del pin INT o Desbordamiento del temporizador TMR0 o Cambio de estado en pines RB4 - RB7 o Final de escritura en la EEPROM de datos.
# Todo lo grabado (datos y programa) se puede modificar sobre el circuito por las antradas series RB6(clk)/RB7(datos)
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Memoria de datos
Tipo SRAM
Dos bancos o páginas de 128 registros de 8 bits. o Página ‘0’ ⇒ 80 registros: 12 especiales
(SFR) y 68 generales (GPR). o Página ‘1’ ⇒ 12 registros de funciones
específicas (SFR). Tipo EEPROM
• 64 registros de 8 bits cada uno. La información puede permanecer hasta 40 años.
• No se puede acceder a los mismos de una manera directa, sino que hay que hacerlo por medio del los Registros de Función Específica (SFR).
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Puertos de entrada /salida
PUERTO RA0-RA4
Puerto bidireccional de Entrada/Salida. RA4/T0CKL puede comportarse como una Entrada/Salida normal, o bien como una entrada de reloj del contador/temporizador TMR0. PUERTO RB0-RB7
Puerto bidireccional de Entrada/Salida. RB0/INT puede ser utilizado como una entrada de interrupciones. RB4/RB7 pueden ser utilizados para generar interrupciones ante un cambio de nivel. RB6/RB7 pueden ser utilizados para programa el PIC.
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Recursos auxiliares (I)
Oscilador
# Mediante los condensadores y el oscilador se puede seleccionar la frecuencia del reloj: 455KHz, 2 MHz, 4MHz, 8MHz y 10 MHz.
# Ciclo de instrucción = 4 · Periodo de reloj
Ejemplo: Frecuencia de reloj = 4MHz ⇒ Periodo de reloj = 250ns.
Ciclo de instrucción = 1/Fosc x 4 = 250 ns x 4 = 1 µs.
Estado de reposo (SLEEP)
# Consumo < 3µA
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Recursos auxiliares (II)
Temporizador/Contador Consiste en un contador cíclico de 00h a FFh. Cuando se llega a FF se produce un desbordamiento. Dos modos de trabajo:
# Temporizador: determinar intervalos concretos de tiempo. Se incrementa con cada ciclo de instrucción o divisor.
# Contador: contar impulsos producidos en el exterior del sistema. Perro guardián (watchdog)
# Temporizador independiente del reloj principal. Tiene su propio oscilador, luego sigue funcionando en modo de bajo consumo.
# Permite detectar cuando se ha “colgado” el programa. Cuando llega a FFh, se produce el desbordamiento y se provoca el RESET del PIC.
# El tempo típico de un ciclo es de 18 ms. pero se puede ampliar a 2,5 seg.
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Distribución de los terminales
# VDD y VSS : Alimentación (2 V - 6 V).
# MCLR (Master Clear): Reset cuando la tensión < 1,7V . # RA0- RA4: Entradas/salidas del puerto A.
o IO = 20mA; ∑ IO = 50mA
o II = 25mA; ∑ II = 80mA
o RA4/T0CK1 puede ser contador/temporizador externo TMR0. # RB0-RB7: Entradas/salidas del puerto B.
o IO = 20mA; ∑ IO = 100mA
o II = 25mA; ∑ II = 150mA
o RB0/INT puede ser interrupción externa. # OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT : conexión del oscilador del reloj
principal.
+5V
27pF RA0
RA1
PIC16F84
OSC1 OSC2 VDD RB7
RB6 RB5 RB4
RA2
RA4/T0CKI VppMCLR /
VSS RB0/INT RB1 RB2 RB3
RA3
27pF
Cristal 4MHz
VDD
10K
100
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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Periféricos de entrada/salida
Pulsadores
Interruptores
Diodos LED
Relés
Rebotes
Pulsación
IN R
S
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4. FUNDAMENTOS DE PROGRAMACIÓN PIC16F84
Conceptos generales
Un programa es un conjunto ordenado de instrucciones cuya ejecución determina el procesado de los datos y la obtención de resultados. EL PIC16F84 entiende un juego de 35 instrucciones (14 bits).
Estructura del programa
Modelo de procesador y sistema de numeración List p=16F84 ;Se utiliza el microcontrolador PIC16F84 Radix hex ; Se usará el sistema hexadecimal
Variables ESTADO equ 0x03 ;La etiqueta “ESTADO” está asociada a la dirección 0x03 PUERTAA equ 0x05 ;La etiqueta “PUERTAA” está asociada a la dirección 0x05
Origen del programa
org 0x00 ;Inicio de programa org 0x00 ;La siguiente instrucción estará al inicio de la memoria goto INICIO ;Salta a la dirección etiquetada con INICIO org 0x05 ;La siguiente instrucción estará en la dirección 0x05
INICIO
------- -------
end Cuerpo del programa y final
....... ...... end
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5. EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN
Ejemplo 1 - Sumar el contenido de dos posiciones de
memoria (I)
# Instrucción mov. Permite transferir el contenido de un registro fuente f a un registro destino d. En los PIC todos los datos residen en posiciones de la memoria de datos a excepción del registro W. La instrucción mov puede mover tres tipos fundamentales de operandos:
1. El contenido del registro W. 2. El contenido de una posición de memoria de datos. 3. Un literal o valor.
# movf f,d : mueve el contenido del operando fuente f (posición de la memoria de datos) al destino d (puede ser W o la propia fuente).
# movwf f : mueve el contenido del registro W a la posición de memoria especificada por f.
# movlw k : mueve el valor k al registro W. # addwf f,d : suma el contenido del registro W con el de f y deposita el
resultado en W si d = 0 (o W), o en f si d = 1. # addlw k : suma al contenido del registro W el valor k y deposita el resultado
en W.
Banco 0 00h Registros
especiales 0Bh 5 0Ch OPERANDO1 2 0Dh OPERANDO2
¿?? 0Eh RESULTADO 4Fh
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5. EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN
Ejemplo 1 - Sumar el contenido de dos posiciones de
memoria (II)
List p=16f84 OPERANDO1 equ 0x0C OPERANDO2 equ 0x0D RESULTADO equ 0x0E org 0x00 ;origen INICIO movlw 0x05 ;W ← ‘5’ movwf OPERANDO1 ;OPERANDO1←W movlw 0x02 ;W ← ‘2’ movwf OPERANDO2 ;OPERANDO2←W addwf OPERANDO1,W ;OPERANDO1+W →W movwf RESULTADO ;RESULTADO ←W end
INICIO
Declaración de variables
OPERANDO1 ← ‘5’ OPERANDO2 ← ‘2’
RESULTADO = OPERANDO1 + OPERANDO2
END
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5. EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN
Ejemplo 2 - Leer y sacar datos por los puertos (I)
Banco 0 Banco 1 00h 80h
03h STATUS 83h 05h PORTA TRISA 85h 06h PORTB TRISB 86h 0BH
Registro STATUS (dirección 03h) RP1 RP0
bit7 bit0 # bit 6 – 5: RP0-RP1 Selección del banco de registros
00 = Banco 0 01 = Banco 1
Registro PORTA (dirección 05h Banco 0) -- -
- --
RA4/T0CKI RA3 RA2 RA1 RA0
bit7 bit0 -- : los tres primeros bits de PORTA siempren se leerán como ‘0’
Registro TRISA (dirección 05h Banco 1) -- -
- --
TRISA4 TRISA3 TRISA2 TRISA1 TRISA0
bit7 bit0
2 x 10K
3x 680
+5V
27pF
RA0 RA1
PIC16F84
OSC1
OSC2
VDD
RB7
RB6
RB5 RB4
RA2
RA4/T0CKI
VppMCLR /
VSS
RB0/INT
RB1
RB2 RB3
RA3
27pF
4MHz
10K
100
VDD
VDD VDD
10K
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5. EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN
Ejemplo 2 - Leer y sacar datos por los puertos (II)
Aparecen en este ejemplo algunas instrucciones nuevas: # bsf f,d : pone a ‘1’ el bit d del registro f . # bcf f,d : pone a ‘0’ el bit d del registro f . # goto etiqueta : salta hasta la instrucción que va precedida por la etiqueta.
List p=16f84
STATUS equ 0x03 PORTA equ 0x05 PORTB equ 0x06
org 0x00 goto INICIO org 0x05 ;salta el vector de interrupción
INICIO bsf STATUS,5 ;cambia al banco1 movlw b’00000000’ ;W ← ‘00’ movwf PORTB ;TRISB←W (PORTB salidas) movlw b’00011111’ ;W ← ‘FF’ movwf PORTA ;TRISA←W (PORTA entradas) bcf STATUS,5 ;cambia al banco0 BUCLE movf PORTA,W ;W ← PORTA movwf PORTB ;PORTB ← W goto BUCLE end
INICIO
Declaración de variables
PORTB ← PORTA
Configuración de E/S
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5. EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN
Ejemplo 3 - Leer y sacar datos por los puertos, condiciones
(I)
El LED se ilumina cuando se cierra el interruptor. Este ejemplo incorpora las instrucciones: # btfsc f,d : salta una instrucción si el bit d del registro f es ‘0’, si no, sigue por la
siguiente instrucción. # clrf f : borra el contenido del registro f.
10K
680
+5V
27pF
RA0
RA1
PIC16F84
OSC1
OSC2
VDD
RB7
RB6
RB5
RB4
RA2
RA4/T0CKI
VppMCLR /
VSS
RB0/INT
RB1
RB2
RB3
RA3
27pF
4MHz
10K
100
VDD
VDD
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5. EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN
Ejemplo 3-Leer y sacar datos por los puertos, condiciones (II)
List p=16f84
STATUS equ 0x03 PORTA equ 0x05 PORTB equ 0x06
org 0x00 goto INICIO org 0x05 ;salta el vector de interrupción
INICIO bsf STATUS,5 ;cambia al banco1 clrf PORTB ;Puerto B configurado como salidas movlw b’00011111’ ;Puerto A configurado como entradas movwf PORTA bcf STATUS,5 ;cambia al banco0
BUCLE btfsc PORTA,0 ;¿RA0=0? salta si RA0 es ‘0’ goto RA0_es_1 bsf PORTB,0 ;pone a ‘1’ RB0, enciende el led goto BUCLE
RA0_es_1 bcf PORTB,0 ;pone a ‘0’ RB0, apaga el led goto BUCLE
end
INICIO
Declaración de variables
Configuración de E/S
RA0 ON RA0=’0’
Encender led RB0 =’1’
Apagar led RB0 =’0’
SI
NO
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