MICROPROCESADORES y MICROCONTROLADORES UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE de...

MICROPROCESADORES y

MICROCONTROLADORES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE de INGENIERÍA QUÍMICA y TEXTIL

ÁREA ACADÉMICA DE CURSOS COMPLEMENTARIOS

INTRODUCCIÓN A LOS MICROPROCESADORES Y MICROCONTROLADORES

ÍNDICE

• Parte I Microprocesadores• Parte II Memorias• Parte III Periféricos• Parte IV Integración de periféricos,

memorias y microprocesadores• Parte V Microcontroladores

PARTE I: MICROPROCESADORES

•Concepto y características

•Arquitectura

•Hardware

•Software

•Ejemplo de Arquitectura Básica

•Programación

Concepto y características

• Un microprocesador es un dispositivo digital diseñado para manipular información

• Tienen 3 buses– Datos: Contiene el flujo de información– Direcciones: Controla la posición actual en

memoria– Control: Regula el flujo de información para

evitar conflictos

Parte I Microprocesadores

Arquitectura

• La arquitectura de un procesador consiste en el conjunto de caracteristicas que lo identifican.

• Describe de manera resumida las capacidades y posibilidades de operación del microprocesador.

• Se clasifican según Hardware y Software• Ejemplo de arquitectura básica


Arquitecturas según el Hardware

• Von Neuman

• Segmentada

• Hardware


Arquitecturas según el Software

• CISCCISC

• RISCRISC

• CRISCCRISC

• Máquina secuencial

• Ejecuta solo una operación a la vez

• Bus de datos y direcciones compartidos

• Lenta

• Generalmente se combina con software tipo CISC

Arquitectura Von Neuman


Arquitectura Segmentada

• Máquina secuencial• Buses de datos y direcciones compartidos• Diseño multietapa (Pipeline)

– El diseño multietapa le permite ejecutar más de una operación a la vez

• Se encuentra combinada con software CISC y en pocas ocasiones con RISC

• Más rápida que Von Neuman


Arquitectura Harvard

• Separa los buses de datos, direcciones y control, y los hace totalmente independientes.

• Lo anterior permite leer instrucciones con mayor velocidad

• Pueden direccionar altas cantidades de memoria

• Se combinan con software RISC

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Arquitectura CISC

• Complex Instruction Set Computer• Set de instrucciones grande• Ofrece una amplia gama de operaciones• Facilita el trabajo de programación• Reduce el tamaño del código de programa• Incrementa el costo de aprender la

programación


Arquitectura RISC

• Reduced Instructio Set Computer

• Pocas instrucciones

• Más fácil de aprender el método de programación

• Mayor tamaño del código de programa


Arquitectura CRISC

• Combinación de CISC con RISC

• Complex-Reduced Instruction Set

Computer


Ejemplo de Arquitectura Básica

Bus de Direcciones

Bus de Control

Bus de Datos

BIU

Registros de Uso General

Bus Interno

Unidad Aritmética Lógica

Unidad de

Control

Registro de Banderas


Programación

• El microprocesador no tiene memoria interna• Se debe conectar con una memoria externa

que contenga el programa• El programa se guarda como datos en la

memoria, un dato leido puede ser información o un código de operación

• El procesador lee de manera ordenada cada punto de la memoria del programa

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PARTE II: MEMORIAS

•Concepto

•Principio de funcionamiento

•Tipos

•RAM

•ROM

•Flash

•EPROM

•EEPROM

Concepto

• Una memoria es un dispositivo capaz de guardar el estado de un bit durante cierto tiempo

• Posee casillas o localidades cada una con la capacidad de almacenar un dato generalmente de tamaño byte (8 bits)

• Tiene un bus de direcciones para identificar cada una de las localidades.

• Tiene un bus de datos por donde entran y salen datos a cada una de las casillas o localidades de la memoria.

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Parte II Memorias

Principio de funcionamiento

• CAPACITIVO: Un capacitor se mantiene cargado y representa un 1 lógico, si se descarga represente un 0 lógico.

• FUSIBLES: Un filamento delgado de semiconductor que se quema o se deja completo para representar un 1 o un 0

• ORIENTACIÓN MAGNÉTICA: La orientación de un dispositivo magnético representa un 1 o un 0 lógico.

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Parte II Memorias

Tipos de memorias

RAM

• Random Access Memory

• Almacenamiento temporal de datos

• Pierde la información capturada cuando se le desconecta alimentación

ROM

• Read Only Memory

• Memoria que conserva el contenido aun cuando se desconecta

• Tipos de memorias ROM

Parte II Memorias

Tipos de memorias ROM

• EPROM (Erasable-Programable Read Only Memory)– Funciona con el principio de fusibles– Puede borrarse mediante luz ultravioleta– Se reprograma eléctricamente

• EEPROM (Electrically Erasable-Programable Read Only Memory)– Funciona con el principio de fusibles– Puede borrarse con impulsos eléctricos controlados– Se reprograma eléctricamente

• Flash– Funciona igual que la EEPROM pero a una velocidad

de operación y programación mayor.

Parte II Memorias

PARTE III: PERIFÉRICOS

•Definición

•Puertos del procesador

•Ejemplos

•Convertidores Analógico a Digital

•Salidas\Entradas seriales

•Salidas moduladoras de ancho de pulso (PWM)

Definición de periférico

• Dispositivo externo que intercambia datos con el procesador.

• La comunicación entre el procesador y el periférico está regulada por el procesador de acuerdo con los métodos:– POLING: El procesador revisa ordenadamente todos

los periféricos para atender a cada uno de ellos secuencialemente.

– INTERRUPCIONES: El periférico que está listo para ser atendido por el procesador solicita una “interrupción” de la ejecución del programa para que el procesador lo atienda.

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Parte III Periféricos

Puertos del procesador

• Ventanas por las cuales el procesador se comunica con los periféricos.

• Tienen un canal de datos por el cual circula la información

• El procesador genera las señales de control que permiten habilitar a cada uno de sus periféricos

• Cuando un periférico es habilitado, este pone información en el bus de datos. Esta información es leida por el puerto correspondiente.

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Ejemplos de periféricos

• Convertidor analógico a digital

• Puerto bidireccional de comunicación serie

• Salidas de modulación de ancho de pulso


Convertidor de analógico a digital

• Dispositivo que recibe una señal analógica y la muestrea con cierta frecuencia para generar un valor digital representativo de la señal al momento de la toma de la muestra.

• Tiene un voltaje de referencia que se utiliza para definir la escala de valores digitales.

• La salida se presenta como un código de varios bits, estos se leen todos al mismo tiempo.

• Están diseñados para generar una señal de interrupción cada vez que han concluido una conversión a digital.

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Puerto de comunicaciones seriales

• EMISOR: Dispositivo que toma un dato de “n” bits y lo descompone para extraer el dato bit por bit por un solo pin.

• RECEPTOR: Dispositivo que recibe una secuencia de bits y las almacena hasta componer un código de “n” bits.

• PROTOCOLO: Debe ordenarse y marcarse el tiempo que dura un bit en ser transmitido para interpretar correctamente la transmisión de los bits, así como definir mecanismos que marquen el final y el inicio de una transmisión.


Modulador de ancho de pulso (PWM)

• Dispositivo que recibe un código digital de “n” bits, y de acuerdo

con el valor, genera una señal cuadrada con un pulso alto de

duración proporcional al valor recibido.

• Este dispositivo se utiliza puesto que la señal de salida (PWM) se

utiliza para controlar dispositivos reguladores de potencia como

SCR y TRIAC

• Con el uso de ambos dispositivos (TRIAC y PWM) se regula la

potencia que se aplica a una carga de corriente alterna, por

ejemplo motores, bombillas, resistencias de hornos,etc

• Regular la potencia de un motor de corriente alterna significa

regular la velocidad de giro del mismo.

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PARTE IV: MICROPROCESADORES Y SU

INTEGRACIÓN CON LOS PERIFÉRICOS

Indice

•Se fabrican procesadores y en el mismo encapsulado se incluyen dispositivos periféricos comunes como el ADC, PWM, o puerto de comunicación serie

•Se reduce la circuitería de soporte para el procesador

•Se facilita el desarrollo de aplicaciones específicas

•Se incluye memoria interna en el procesador para manejar lso periféricos integrados

•Se inicia la programación del sistema interno del chip para ejecutar una función particular

PARTE V: Microcontroladores

¿Que son?

Ventajas

ArquitecturasElementos ComunesFabricantes

Aplicaciones Comunes

¿Que es un microcontrolador?

• Sistema electrónico que integra las capacidades de una arquitectura especifica de microprocesador, junto con las capacidades de acople a otros sistemas que brindan los periféricos, todo, en un solo empaquetado.

• Se logra integración, disminución del costo en implementación de aplicaciones especificas.

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Ventajas del uso de microcontroladores

• Reducción de la cantidad de espacio en la implementación de un diseño dado.

• Reduce el costo de implementación.• Permite desarrollo de aplicaciones especificas

de manera mas rápida y eficiente.• Los fabricantes dan mucho soporte sobre las

aplicaciones más comunes.• Se adaptan mejor a aplicaciones especificas

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Arquitecturas(1)

• La arquitectura de un procesador define el modo de operación del mismo en cuanto a conjunto de instrucciones y modo de ejecución de las mismas.

• En cuanto al conjunto de instrucciones, se clasifican en dos grupos principalmente CISC(Complex Instruction Set Computer ), RISC(Reduced Instruction Set Computer )

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CISC

• Instrucciones especializadas

• se requieren un set de instrucciones amplio para dar soporte a una arquitectura

• Duración de la ejecución de las instrucciones no es homogéneo.

• programas requieren menos código fuente.

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RISC

• Set de instrucciones reducido

• Instrucciones de carácter general

• Duración homogénea de la ejecución de las instrucciones.

• Se requiere mas código para describir una operación que con una arquitectura CISC

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Arquitecturas(2)

• En cuanto al modo de ejecución de las instrucciones las arquitecturas se clasifican en: Von neuman, Segmentada, paralela.

• En esta clasificación es importante conocer como esta dispuesto el bus de direcciones y el bus de datos.

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Von Neuman

• Ejecución secuencial de las instrucciones

• Existe solo una unidad de búsqueda y una unidad de ejecución

• La instrucción siguiente se busca hasta que se ejecute la instrucción actual

Siguiente

Segmentada

• Divide la búsqueda de las instrucciones de manera que cuando se ejecute la instrucción actual, ya se este buscando la siguiente.

• Multiplica la velocidad de ejecución al doble que la Von Neuman

Harvard

• Conocida como arquitectura de ejecución paralela.

• Posee varias unidades de ejecución

• Divide los procesos

• Orientada a sistema multitarea

• Bus de direcciones y de datos separados en la arquitectura

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Elementos Comunes en los microcontroladores

• ADC

• USART

• RTC

• Puertos entrada/salida paralelos

• PWM

• USB

ADC(Convertidor analógico Digital)

• Permite que el sistema microcontrolador pueda procesar una variable analógica

• Valor mínimo y máximo ajustable• Resolución: indica la precisión de la

conversión realizada• Entre más cantidad de bits, más es la

resolución del convertidor• Requieren configuración a través de

registros especiales del microntrolador

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USART(ADDRESSABLE UNIVERSAL SYNCHRONOUSASYNCHRONOUS RECEIVER TRANSMITTER)

• Permite conexión serie a otros dispositivos

• Se configura a través de registros internos.

• Velocidad de transferencia variable

• Formato de la trama variable

• Puede manejarse a través de interrupciones

Siguiente

Puertos entrada Salida

• Unidireccionales o bidireccionales

• Se configuran a través de un registro especifico

• Debe estar mapeados

• Se accesan por medio de una dirección

• Pueden ser TTL, CMOS, ST, según sea el dispositivo con el que se comunican.

Fabricantes Comunes de Microcontradores

• Microchip: Familas de PIC´s

Arquitecturas RISC, Harvard

• Motorola: Familia 68XX

Arquitecturas CISC, segmentada

• Intel: Familias 80XX

Arquitecturas CISC, Von neuman

• NEC

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Aplicaciones Comunes

• Sistemas de Monitoreo y control de variables analógicas

• Computadoras de uso especifico

• Sistemas de desarrollo y experimentación

• Sistemas embebidos

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