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Introducción a los Microcontroladores

Introducción a los Microcontroladores

Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers/PWM Interfaces y Otros Periféricos

Introducción

Uso de los microcontroladores Microondas, Lavarropas,

Televisores, ... Automóviles, aviones, barcos Teléfonos Automatización industrial Pequeños dispositivos ad-hoc ...

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)

Oferta de Microcontroladores Estructurada por “familias” y

“subfamilias”. Por ejemplo, cada familia tiene el

mismo nucleo del procesador (su código será compatible): 8051,PIC,HC,ARM

O son familias orientadas a la aplicación O por performance (de diferente tipo)

Oferta de Microcontroladores

Oferta de Microcontroladores

Oferta de Microcontroladores

Oferta de Microcontroladores Dentro de cada “familia” hay

mucha varidad de dispositivos Pueden estar agrupados en

“subfamilias” Una forma de clasificación es en

base a los perifericos que integran o memoria

Oferta de Microcontroladores MC9RS08KA Family

Arquitectura

Arquitectura: Procesador

REPASO

Arquitectura Von Neuman vs. Hardvard CISC vs. RISC Tamaño/variedad de las

instrucciones Velocidad: clock; 8/16/32 bits

Arquitectura de las instrucciones

Por stack Por acumulador Dos direcciones Tres direcciones

REPASO

Arquitectura Modos de direccionamiento

REPASO

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

REPASO

Memoria: Atención 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

Memoria: Direccionamiento Separado

Memoria: Direccionamiento 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?

I/O

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

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

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

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.

Conversión Analógica-Digital (CAD)

Conversion de valor

REPASO

Conversión Analógica-Digital (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.

La conversion lleva tiempo: para asegurar la estabilidad se usa una etapa de retención (sample-hold)

REPASO

Conversión Analógica-Digital (CAD)

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

REPASO

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

Conversión Analógica-Digital (CAD)

Seguidor (tracking): muy lenta (2r bit times) y variable; barata.

REPASO

Conversión Analógica-Digital (CAD)

Aproximaciones sucesivas: velocidad media y fija en r+1

REPASO

Este es el modo mas utilizado

Conversión Analógica-Digital (CAD)

Control del CAD

Habilitación

Tensión de Referencia

Entrada Salida (registro)

Conversion Complete

Start Conversion

Conversión Analógica-Digital (CAD) Los MCU pueden tener de 4 a 16 o más entradas

(canales) y un solo CAD, de 8 a 12 bits de precisión. Se multiplexan los canales (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;

Conversión Analógica-Digital

Conversión Analógica-Digital

Introducción a los Microcontroladores

Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers Interfaces y Otros Periféricos

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 cuando cambia un “estado”.

Permiten la reacción ante eventos Restricciones de tiempo real Polling vs. Interrupts Interrupt Service Routine (ISR)

REPASO

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 interrupcion 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)

REPASO

Interrupciones: IVT En el Atmega128 (Atmel):

MC

9S0

8Q

G8

(F

rees

cale

)

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

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)

Introducción a los Microcontroladores

Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers Interfaces y Otros Periféricos

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 Ejemplo de registros (un solo

timer)

Este timer es muy versátil y trabaja tambien como PWM

Timers

Timers

Timers Ejemplo de uso simple:

Clock=BUSclk=>8 Mhz

Introducción a los Microcontroladores

Introducción Arquitectura Memoria I/O Interrupciones Timers Interfaces y Otros

Periféricos

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

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

Interfaces y Otros Periféricos SCI (UART)

Provee una (o mas) interface 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

Interfaces y Otros Periféricos SCI (UART)

Generalmente los modulos 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

Interfaces y Otros Periféricos

SPI (Serial Peripherical Interface) 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. Si hay mas de una linea,

con un decodificador externo se pueden atender 2n slaves.

Interfaces y Otros Periféricos

Interfaces y Otros Periféricos IIC (I2C)

Inter-IC bus, de Phillips, es un bus sincrónico que opera en modo master-slave con dos hilos SCL y SDA en modo half duplex, para distancias cortas, hasta 3.4 Mbps, mediante el intercambio de tramas.

No hay límites al numero de dispositivos a conectar (capacidad total en el bus < 400pF)

Cada nodo (uno debe ser master, por lo menos) tiene una dirección de 7 o 10 bits

Interfaces y Otros Periféricos

IIC (I2C)

Interfaces y Otros Periféricos 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”.

Interfaces y Otros Periféricos 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 ...

Interfaces y Otros Periféricos

Arquitectura

MC9S08LC60

MCF52235