Introducción a los Microcontroladores · EJEMPLOS DE BOOTLOADING: X86 BIOS (ROM) Etapa 1 (512...

MICROCONTROLADORES

MICROCONTROLADORES

Introducción

Arquitectura

Memoria

I/O Digital

Interrupciones

I/O Analógica

Timers/PWM

Interfaces y Otros Periféricos

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

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)

INTRODUCCIÓN

Diseño

discreto.

INTRODUCCIÓN

Diseño

Integrado.

ATmega16 (atmel)

INTRODUCCIÓN

Uso de los microcontroladores

Microondas, Lavarropas, Televisores, ...

Automóviles, aviones, barcos

Teléfonos

Automatización industrial

Pequeños dispositivos ad-hoc

...

INTRODUCCIÓN

OFERTA DE MICROCONTROLADORES

Estructurada por “familias” y “subfamilias”.

Por ejemplo, cada familia tiene el mismo núcleo del

procesador (su código será compatible):

8051,PIC,HC,ARM

O son familias orientadas a la aplicación

O por performance (de diferente tipo)


Año: 2014

ARQUITECTURA

ARQUITECTURA: PROCESADOR

ARQUITECTURA

Von Neuman vs. Hardvard

CISC vs. RISC

Tamaño/variedad de las instrucciones

Velocidad: clock; 8/16/32 bits

ARM – CORTEX-M

Cortex-M

Arquitectura de la

Memoria

Arquitectura

ARM

Cortex-M0 Von Neumann ARMv6-M

Cortex-M0+ Von Neumann ARMv6-M

Cortex-M1 Von Neumann ARMv6-M

Cortex-M3 Harvard ARMv7-M

Cortex-M4 Harvard ARMv7E-M

Cortex-M7 Harvard ARMv7E-M

SISTEMAS EMBEBIDOS

Dos alternativas:

“BARE METAL”

Sobre un Sistema Operativo

básico (administrador de tareas)

de tiempo real (QNX, FreeRTOS, …)

genérico (Linux, Android, Windows, …)

SISTEMAS EMBEBIDOS: BOOTLOADING

Un”bootloader” es una pieza de código que se puede

encargar de:

Inicializar el harware en forma básica

Cargar la aplicación o el sistema operativo en la memoria tomándolo de una

flash, la red u otro medio no-volatile

Ejecución de la Aplicación

Puede no haber “bootloader” o este estar implícito en el

proceso de arranque de la CPU

Puede haber “bootloaders” para completar el proceso de

“bootloading”

EJEMPLOS DE BOOTLOADING: X86

BIOS

(ROM)

Etapa 1

(512 bytes de algún dispositivo

de almacenamiento)

Etapa 2

(el bootloader propiemente

dicho)

El Sistema Operativo

(Kernel

del Filesystem)

EJEMPLOS DE BOOTLOADING:

ARM TI OMAP3 CON LINUX

ROM Code

(en la CPU)

X-loader / U-Boot 1

U-Boot 2

Linux Kernel

Inicializa la RAM y trata de encontrar una imagen ejecutable en varios lugares y la carga en SRAM o RAM

Corre en la SRAM, inicializa la DRAM, el controlador NAND or MMC y carga en la RAM la siguiente etapa y la ejecuta.

Corre en la RAM. Inicializar algún harware (red,USB, etc.). Carga el kernel y lo ejecuta

Toma el control del sistema completamente. (los “bootloaders” ya no existen)

EJEMPLOS DE BOOTLOADING:

MCS08- BAREMETAL

De la hoja de datos:

“…

3.3 Run Mode

Run is the normal operating mode for the MC9S08LC60 Series. This mode is selected upon the MCU exiting reset if the BKGD/MS pin is high. In this mode, the CPU executes code from internal memory with execution beginning at the address fetched from memory at 0xFFFE:0xFFFF after reset.

…”

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.

MEMORIA: TIPO FÍSICOS

MEMORIA

S/DRAM: sin limite de escrituras

EEPROM: 100.000 ciclos de borrado

Flash: 10.000 ciclos de borrado

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


Separado


Continuo

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?

ENTRADA/SALIDA DIGITAL

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.

DIGITAL I/O •pin 1 del port B •Módulo de Interrupción 1 - entrada 5 •Pin Tx de puerto serie

•Conversor AD canal 5

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.

DIGITAL I/O

(del manual de referencia del MCU)

DIGITAL I/O

DIGITAL I/O

PTBDD = 0x80; // initialize PTB7 as output

PTBD = 0; // initialize PTB to 0

PTBD_PTBD7 = ~PTBD_PTBD7; // invert the output

1 0 0 0 0 0 0 0

Ejemplo: bit 7 bit 0

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.

DIGITAL INPUT

La entrada se muestrea con cada pulso (flanco

ascendente normalmente) del clock, lo que ocasiona

“metaestabilidad”:

DIGITAL INPUT

Normalmente incorporan un Schmitt-trigger.

Para reducir la “metaestabilidad” se introducen

“sincronizadores”

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).

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

PROTECCIÓN DE ENTRADAS Y SALIDAS

Conexión directa: problemas habituales

Aislación galvánica

INTERRUPCIONES

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

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

INTERRUPCIONES

Las interrupciones se generan cuando cambia un

“estado”.

Permiten la reacción ante eventos

Restricciones de tiempo real

Polling vs. Interrupts

Interrupt Service Routine (ISR)

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.

INTERRUPCIONES

Control de Interrupciones

Inhabilitar las interrupciones no implica perder

eventos.

Cuidado al limpiar la IF

Normal Interrupts and NMI

INTERRUPCIONES

Interrupt Vector Table: es una tabla donde se indica

para cada interrupción 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)

INTERRUPCIONES: IVT

En el Atmega128 (Atmel):

MC

9S

08

QG

8

(Fre

esca

le)

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

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)

INTERRUPCIONES

KBI1P2

El controlador de interrupciones 1 (KBI1) tiene 8 entradas conectadas a determinados puertos

Ejemplo:

INTERRUPCIONES

Registros de control (ubicación en la memoria)

Son 3

dirección mnemónicos de funcion de cada bit

INTERRUPCIONES

INTERRUPCIONES

Mapeo a variables:

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

Atención de la interrupción

INTERRUPCIONES

INTERRUPCIONES Calificador: dice que la función es una subrutina de interrupción

Número de vector que debe atender esta rutina

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) { ...

INTERRUPCIONES

En el main:

INTERRUPCIONES

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

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)

MICROCONTROLADORES

Introducción

Arquitectura

Memoria

I/O Digital

Interrupciones

I/O Analógica Timers/PWM


ENTRADA/SALIDA ANALOGICA

ANALOG I/O

Conversión DIGITAL a ANALOGICA:

Usando un modulador de ancho de pulso

CONVERSIÓN DIGITAL A ANALOGICA:

Por redes del tipo R-2R. Para r bits sería:

REPASO

CONVERSIÓN ANALÓGICA-DIGITAL

(CAD)

Comparador: determina si V1 >V2 y arroja 1, ó 0 en caso contrario.


(CAD)

Conversión de valor

Codificación Muestreo


(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.

Y como la conversión lleva tiempo: para asegurar la

estabilidad se usa una etapa de retención (sample-

hold)


(CAD)

Métodos mas comunes de Conversión Analógica-

Digital:

Integrador de simple/doble rampa

Directa (flash)

Seguidor (Tracking)

Aproximaciones sucesivas

Sigma-Delta


(CAD)

Directa (flash): muy rápida (1 bit time); muy cara

Este modo de conversión rápido es utilizado en algunos MCU y por lo general, no hay mas de 1 o 2 canales “rápidos”.


(CAD)

Seguidor (tracking): muy lenta (2r bit times) y

variable; barata.


(CAD)

Aproximaciones sucesivas: velocidad media y fija en

r+1

Este es el modo mas utilizado


(CAD)

Control del CAD

Habilitación

Tensión de Referencia

Entrada Salida (registro)

Conversion Complete

Start Conversion


(CAD)

Los MCU pueden tener varios CADs, con normalmente de 8 a

12 bits de precisión.

Cada CAD puede atender hasta16 o más entradas (canales).

Los canales se multiplexan (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.

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.

CAD: EJEMPLO DE IMPLEMENTACIÓN EN

UN MCU Estado, control y configuración

reloj

multiplexor

comparador

CAD: EJEMPLO DE UN REGISTRO DE

CONFIGURACIÓN

// Configures ADC peripheral (ADC clock = 6.25MHz)

// Bus clock as clock source, 12-bit conversión and divisor=4

ADCCFG = 0x44;

0 1 0 0 0 1 0 0

TIMERS / PWM

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

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.

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.

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.

TIMERS

TIMERS

Ejemplo de registros (un solo timer)

Este timer es muy versátil y trabaja tambien como PWM

TIMERS

TIMERS

Ejemplo de uso simple:

Clock=BUSclk=>8 Mhz

MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO

(PWM)

Es un timer que genera una señal periódica de

salida con período y ciclo de trabajo configurables

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.

TIMERS Y PWM

INTRODUCCIÓN A LOS

MICROCONTROLADORES

Introducción

Arquitectura

Memoria

I/O

Interrupciones

Timers


INTERFACES Y OTROS PERIFÉRICOS

SCI (UART)

Generalmente los módulos 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


Comunicación serie asincrónica: SCI (UART)

Provee una (o mas) interfaces 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

SCI

Muestreo del receptor

SCI

Baud Rate = BUSCLK/(16XBR)

Configuración y control

Estado

Dato a transmitir o recibido (dos registros)

COMUNICACIÓN SERIE ASINCRÓNICA

Interfaces Físicas para SCI

Interface EIA RS-232 Hasta 25 v

Hasta -25 v


Interface EIA RS-232

Cableado: de 3 a 10 hilos

Longitud máxima por standard: 15m o 2500 pF

(@9600bps)

Susceptible al ruido

Baud Rate (bps) Longitud (aprox.)

56000 2,5

38400 3,7

19200 7,5

9600 15

4800 30

2400 60


Interface EIA RS-422 / 485

Transmisión diferencial (líneas balanceadas)

Distancia: hasta 1200 m y hasta 10 Mbps

EIA-422: simple multi-drop: sólo un driver y hasta 10

receptores

EIA-485: multi-point hasta 32 tranceivers en la línea (a

veces hasta 128).


Circuito RS-422


Circuito RS-485 half duplex


Configuración RS-485 full duplex


Configuración RS-485 Master/Slave


SPI (Serial Peripheral Interface bus) de Motorola

Full duplex (un bit por bit-time)

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..

Velocidad de decenas de megabits/s. Distancia de algunos

centímetros a algunos metros.

Protocolo en general dependiente de cada esclavo (intercambio de

tramas)

SPI (SERIAL PERIPHERAL INTERFACE)


Conexión independiente y daisy chained de

esclavos

SS: Slave select. Si hay mas de una linea, con un decodificador externo se pueden atender 2n slaves


Ejemplo de protocolo de lectura

simple de un acelerómetro digital


IIC (I2C - Inter-IC bus) de Phillps/NXP

Bus sincrónico half duplex de dos hilos: SCL y SDA

Opera en modo master-slave, (permitiendo

múltiples masters, con detección de colisiones).

No hay límites al numero de dispositivos a conectar

(capacidad total en el bus < 400pF)

IIC (I2C - INTER-IC)

IIC (I2C - Inter-IC bus) de Phillps/NXP

Orientado a 8 bits

Opera mediante el intercambio de tramas en

distancias cortas.

De 100 Kbps hasta 3.4 y 5 Mbps,

Cada nodo (uno debe ser master, por lo menos)

tiene una dirección UNICA de 7 o 10 bits

Rol temporal Rol temporal


Definiciones

Transmisor: el dispositivo que envía datos al bus

Receptor: el dispositivo que recibe datos desde el

bus.

Master: el dispositivo que inicia una transferencia,

genera el clock y termina la transferecnia.

Slave: el dispositivo direccionado por un master.


Ejemplo de modo de trabajo

Supongamos que el microcontrolador A quiere enviarle

informacion al B

1. el microcontrolador A (master), direccion al B (slave)

2. el microcontrolador A (master-transmisor), envía datos al B(slave-

receptor)

3. el microcontrolador A termina la transferencia.

Si el microcontrolador A quiere recibir información del B

1. el microcontrolador A (master) direcciona al B (slave)

2. el microcontrolador A (master-receptor) recibe datos de B

3. el microcontrolador A termina la transferencia

Ver codigo de ejemplo


One-Wire de Dallas Semiconductor (Maxim) Solo un cable: datos (incluso sin alimentación)

Orientado al bit con velocidad de 15Kbps

Se usan GIO pins que puedan ser “open drain”

USB Componentes (roles): Host y Device (hubs y function)

4 hilos (V(5v), Data+, Data-, Ground)

De 1.5Mbps (USB1.0) a 10Gbps (USB3.1)

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”.


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

...

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

ARQUITECTURA

MC9S08LC60

MCF52235

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