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Tema 1 : INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES INDICE 1. Controlador y microcontrolador 2. Microprocesador y microcontrolador 3. Aplicaciones 4. Recursos comunes 

Arquitectura básica

CPU

Memoria

Puertos de E/S

Reloj principal

5. Recursos especiales 6. Lenguajes de programación

Bibliogafía  

“Diseño práctico de aplicaciones”, JM.Angulo, I.Angulo. Mc.Graw Hill 1999 “Diseño práctico de aplicaciones 2ª parte, PIC 16F87X”, JM.Angulo, S.Romero, I.Angulo. Mc.Graw Hill 2000

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CONTROLADOR Y MICROCONTROLADOR CONTROLADOR: dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Evolución: antiguamente se utilizaban puertas lógicas >>> microprocesadores rodeados de chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso >>> en la actualidad, todos estos elementos se integran en un chip: microcontrolador. MICROCONTROLADOR: circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador. Componentes habituales de un microcontrolador: 

Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).

Memoria RAM para contener los datos.

Memoria de programa tipo ROM/PROM/EPROM.

Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.

Diversos módulos para el control de periféricos: temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD (Conversores Analógico/Digital y Digital/Analógico), etc. Generador de impulsos de reloj > sincroniza funcionamiento de todo el sistema.

Ventajas de utilizar un microcontrolador: 

Aumento de prestaciones <> mayor control sobre el proceso.

Aumento de la fiabilidad: disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.

Reducción del tamaño en el producto acabado.

Mayor flexibilidad: un cambio de control sólo necesita cambios en el software.

Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna: controlador empotrado (embedded controller).

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MICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR MICROPROCESADOR: circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (CPU). Se comunica a través de buses y líneas de control con la memoria y los dispositivos de I/O. Sistema abierto de configuración variable de acuerdo a la aplicación a la que se destine.

MICROCONTROLADOR: Contiene todos los elementos del computador. Sistema cerrado. Sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos.

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APLICACIONES DE LOS MICROCONTROLADORES 

Periféricos y módulos auxiliares de los computadores Electrodomésticos: microondas, frigoríficos, televisores…

Aparatos portátiles y de bolsillo

Máquinas expendedoras

Juguetería

Instrumentación

Industria de automoción

Control Industrial y Robótica

Electromedicina

Sistemas de navegación espacial

Sistemas de seguridad y alarmas

Domótica: termorregulación, gestión inteligente de la energía …

RECURSOS COMUNES DE LOS MICROCONTROLADORES Todos los microcontroladores tienen una estructura fundamental muy parecida. Todos disponen de los bloques esenciales: 

Procesador

Memoria de datos y de instrucciones,

Líneas de E/S

Oscilador de reloj

Módulos controladores de periféricos.

Cada fabricante potencia los recursos necesarios para la aplicación a la que se destina. ITT SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES

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ARQUITECTURA BÁSICA Arquitectura tradicional Von Neumann: 

Una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control)‫‏‬

Arquitectura Harvard (PIC): 

2 memorias independientes: 

Memoria de instrucciones

Memoria de datos

Ambas disponen de sus respectivos buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias.

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EL PROCESADOR (CPU)‫‏‬ Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP, decodificarlo, buscar operandos, ejecutarlo y almacenar el resultado. Existen tres orientaciones en cuanto a su arquitectura y funcionalidad: Arquitectura CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo)‫‏‬ 

Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos de reloj para su ejecución.

Arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido)‫‏‬ 

El repertorio de instrucciones máquina es muy reducido, las instrucciones son simples y la mayoría se ejecutan en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador. Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los microcontroladores están decantándose hacia la filosofía RISC.

Arquitectura SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico)‫‏‬ 

Microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas.

El juego de instrucciones, además de ser reducido, es "específico“.

Las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista.

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LA MEMORIA En los microcontroladores, la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip: 

Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa (instrucciones). Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.

Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de los computadores personales: 

No existen sistemas de almacenamiento masivo como disco duro o disquetes.

En la memoria ROM sólo se almacena un único programa de trabajo (una tarea).

La RAM en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa. Tamaño de la memoria (orden de magnitud): 

Computadores personales : Megabytes

Microcontroladores: 4 - 16 Kbytes (ROM) y 256 - 512 Bytes (RAM)‫‏‬

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TIPOS DE MEMORIA NO VOLATIL ROM con máscara : memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. Recomendable grandes series de fabricación. OTP (One Time Programmable) : El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura "programable una sola vez" por el usuario mediante un PC. Recomendable en prototipos y series muy pequeñas. EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) : La EPROM pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Para borrar su contenido dispone de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta. EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory) : memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente mediante un PC. Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse sin ser retirados de dicho circuito, utilizando para ello, un grabador implementado en el mismo circuito. El número de ciclos de borrado/grabación es limitado.. FLASH : Memoria no volátil, de grabación y borrado en circuito. Mas rápida, mayor densidad (capacidad) y tolera mas ciclos de escritura/borrado que la EEPROM. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir ser reprogramados "en circuito“, adaptándose fácilmente a los cambios del objeto que controla ó a las mejoras del software de control.

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PUERTAS DE ENTRADA / SALIDA La principal utilidad de los pines ('patitas') que posee la cápsula que contiene un microcontrolador es soportar las líneas de E/S que comunican al computador interno con los periféricos exteriores. El número de líneas de E/S dependerá del modelo y encapsulado del microcontrolador.

RELOJ PRINCIPAL Todos los microcontroladores necesitan un circuito oscilador que genere una onda cuadrada de alta frecuencia para marcar el ritmo y sincronizar el funcionamiento de todas las operaciones del sistema. Generalmente, el circuito de reloj es de los pocos componentes externos que requiere el microcontrolador, formado habitualmente por un cristal de cuarzo con algunos elementos pasivos, un resonador cerámico o una red R-C. Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el tiempo en que se ejecutan las instrucciones y aumentar consumo de energía. La frecuencia máxima de trabajo viene determinada por el fabricante del microcontrolador.

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RECURSOS ESPECIALES Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará el coste, el hardware y el software. Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son: TEMPORIZADORES o "Timers“ Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores). PERRO GUARDIÁN o "Watchdog" Provoca el RESET (reinicio) del microcontrolador cuando se desborda un contador. El software debe reiniciar periódicamente el contador del perro guardián antes de que se desborde. Si el microcontrolador se bloquea o entra en un bucle infinito, el contador del perro guardián no se reiniciará y se desbordará, provocando el reinicio del microcontrolador. PROTECCIÓN ANTE FALLO DE ALIMENTACIÓN o "Brownout" Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo ("brownout"). Mientras el voltaje de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado, comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor.

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ESTADO DE REPOSO o BAJO CONSUMO (SLEEP) En las situaciones en que el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo, es conveniente mantener el micro en estado de reposo, reduciendo el consumo al mínimo hasta que una interrupción externa le „despierte‟ y reanude su trabajo. Le entrada en este estado se realiza por software. CONVERSOR A/D (CAD)‫‏‬ Dispositivo que procesa señales analógicas externas. Suelen disponer de un multiplexor para poder trabajar con varias entradas analógicas. CONVERSOR D/A (CDA) Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su correspondiente señal analógica que envía al exterior por una de los pines de la cápsula. COMPARADOR ANALÓGICO Módulo que compara dos señales analógicas, una de ellas fija (interna) y la otra procedente del exterior, ofreciendo un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra. MODULADOR DE ANCHURA DE PULSOS o PWM Circuito que proporciona en su salida impulsos de anchura variable, que se ofrecen al exterior a través de las patitas del encapsulado. PUERTOS DE E/S DIGITALES Todos los micros destinan algunas de sus patitas a soportar líneas de E/S digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos. Las líneas digitales de los Puertos pueden configurarse como Entrada o Salida cargando un „1‟ ó un „0‟ en el bit correspondiente de un registro destinado a su configuración. ITT SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES

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PUERTOS DE COMUNICACIÓN UART adaptador de comunicación serie asíncrona. USART adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona PUERTO PARALELO ESCLAVO destinado a comunicarse con buses de otros microprocesadores. USB (Universal Serial Bus) moderno bus serie para los PC. Bus I2C interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips.

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN LENGUAJE ENSAMBLADOR La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los microcontroladores más populares. LENGUAJES DE ALTO NIVEL: C / BASIC La programación en un lenguaje de alto nivel permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el código resultante puede ser mucho más ineficiente que el programado en ensamblador. Los COMPILADORES más potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos. ITT SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES

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Título Tema 1  

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