Introducción a los microcontroladores y microprocesadores

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1 Introducción a los microcontroladores y microprocesadores 1/25

2 Índice 1.1 Introducción Evolución de los up Rendimiento de un microprocesador RISC /CISC. 1.2 Sistemas basados en microprocesador Componentes de un sistema Jerarquía de buses. 1.3 Microcontrolador Recursos específicos ficos Aplicaciones. 1.4 Metodología del diseño de sistemas. 2/25

3 1.1 Introducción En el presente capítulo vamos a repasar el microprocesador Las Unidades funcionales básicas son: Unidad de control. Unidad aritmético lógica. Registros internos. Contador de programa. FPU (Unidades de procesamiento funcional). Cache interna. MMU (Unidad de gestió de memoria). El funcionamiento del up se basa en la siguiente secuencia: Búsqueda de instrucción. Decodificación de la instrucción. Lectura de operandos. Fase de ejecución. 3/25

4 1.1.1 Evolución de los up El primer up se desarrolló en º up INTEL 4004, de 4 bits, 0,5 Mhz,, 16Kb M. Ha habido un incremento en : Ancho de palabra. Paralelismo. Señal de reloj de entrada. Velocidad de ejecución. Nivel de integración de unidades funcionales (FPU, cache, MMU) se reducen las distancias y señales entre ellos. Avances en arquitectura. Segmentación, escalabilidad (menos ciclos / Instrucción). Anchura del bus externo.. Se aumenta el ancho de banda Actual Nº pines Nº transistores 2K 20K 100K 800K 1M 4,5M Longitud palabra 4 8(16) (64) 64(128) Bus datos 4 8(16) (128) 128 Reloj (16) 20(30) G Nº ciclos/instrucción ,5-0,25 Mem oria Principal 16K 64K(1M) 16M 4GB 4GB 4GB Tam año m em Ram 1K 4K 64K 256K 1M 512MB 4/25

5 1.1.2 Rendimiento de un microprocesador. El primer factor en el que podemos fijarnos para medir el rendimiento de un up son los MIPS: Rendimiento(MIPS) ) = velocidad de reloj (Mhz)/ nº n ciclos por instrucción CPI (medio( medio). Ej.: up a 40Mhz. CPI MIPS El segundo factor es el tiempo de CPU por tarea: Rendimiento(tiempo de CPU por tarea)=ni*cpi*c. NI: número de instrucciones. C: tiempo de un ciclo de reloj. Depende de la tecnología VLSI del chip. CPI: depende de la arquitectura interna y de la eficiencia de planificación de las instrucciones. El objetivo es reducir cualquiera de estos tres parámetros metros. 5/25

6 1.1.3 RISC RISC procesadores con un conjunto de instrucciones reducido. Características sticas: CPI es menor porque el formato de las instrucciones es simple y corto. Permite una decodificación más rápida.. (CPI=1 normalmente). C también es menor por la simplicidad de la arquitectura y el menor número de accesos a memoria. Arquitectura simple transferencia (load/store). La mayoría de instrucciones son de transferencia entre registros. Instrucciones simples: formato fijo, longitud fija y pocos modos de direccionamiento. Circuitos de control simples.. La decodificación es simple, por tanto los circuitos que la implementan son reducidos. Mayor número de registros internos.. Los operandos residen en los registros.. Se reduce el acceso a memoria externa. Relojes más rápidos. Segmentación.. Es más frecuente encontrarla en RISC. Arquitectura Harvard. Buses de datos e instrucciones separados. Programas más largos, pero menos complejos. El rendimiento depende mucho del compilador. R5000(MIPS), 88110(Motorola),i860(Intel),16cxx(Microchip). 6/25

7 1.1.3 CISC CISC procesadores con un comjunto de instrucciones complejo. 8031,pentium(Intel), 68040( Motorola). Suelen tener arquitectura del tipo Von Neumann. Programas más cortos. Muchas veces contienen varias microoperaciones en la misma instrucción. Instrucciones complejas. Varios modos de direccionamientos. Los formatos de instrucción son de diferente longitud. Actualmente se hacen diseños híbridos RISC/CISC, como el pentium. Tiene unidades de ejecución segmentadas. 7/25

8 Comparación arquitectura Von Neumann vs Harvard 8/25

9 1.2 Sistemas Basados en Microprocesador Los módulos que componen un sistema se diferencian funcionalmente en dos clases muy amplias: Maestros de bus: Controlan el acceso al bus. Inician las transferencias activando las líneas de direcciones y datos. Para ello disponen de un up o de la lógica necesaria para iniciar los ciclos de bus, generan señales de estado o funciones de control para avisar a los otros módulos. Esclavos de bus. Responden a las peticiones que se solicitan en el bus. Para ello están continuamente monitorizando los ciclos de bus y las señales de estado y funciones de control. 9/25

10 1.2.1 Componentes de un Sistema Microprocesador (maestro del bus): Longitud de palabra indica el tamaño de los registros internos y de la ALU o en general de su arquitectura interna. Componentes básicos ALU: Unidad aritmetico-lógica gica. Registros Internos. Bus Unidad de Control. 10/25

11 1.2.1 Componentes de un Sistema Memoria principal: SRAM: : Se emplea en memorias rápidas especiales: : caches. DRAM: : Mayor densidad, más baratas, menor consumo. Requieren circuitos especiales de refresco. Este periodo las hace más lentas. ROM: : Es una memoria cuyo contenido se graba en el momento de la fabricación del chip. Es de elevado coste y se utiliza sólo en grandes tiradas. PROM (OTP): memoria ROM grabable sólo una vez. EPROM: es reprogramable.. Se borra mediante luz ultravioleta. EEPROM: es reprogramable eléctricamente ctricamente. FLASH: es reprogramable eléctricamente por bloques. 11/25

12 1.2.1 Componentes de un Sistema Unidades de E/S: Protocolos de comunicación. Convierte tensiones y corrientes del mundo externo al up y viceversa. El up se comunica con estos módulos a través de los puertos de E/S que pueden estar direccionados en el mapa de E/S (Intel) o en el mismo mapa de memoria (Motorola). Coprocesadores: Son chips de soporte, compatibles y fácilmente conectables al up a través de sus pines. Liberan de tareas complejas al up principal que requeriría mucho tiempo de CPU. Tienen un conjunto de instrucciones propio: FPU. Procesadores de comunicaciones. Controla las comunicaciones síncronas y asíncronas. Coprocesadores gráficos. Coprocesadores multimedia. (compresión / descompresión de video y audio). 12/25

13 MMU: Unidades de gestión de memoria. Proporcionan técnicas para manejar grandes espacios de memoria de una manera flexible. Dividen el espacio total en bloques (páginas o segmentos) con direcciones lógicas y direcciones físicas. Evitan el problema de colisiones en el acceso a un mismo espacio desde distintas tareas, o cuando varios usuarios comparten datos o programas comunes. Suele integrarse con el microprocesador Caches: Componentes de un Sistema Pequeña memoria de alta velocidad entre la CPU y la memoria principal para aumentar la velocidad de acceso. Contiene copias de las posiciones más recientemente empleadas. La palabra caché se refiere tanto a la memoria SRAM que la compone como al controlador que la maneja. 13/25

14 Elementos internos del procesador 14/25

15 Buses de la CPU Jerarquía de buses Pines de E/S, conexión de coprocesadores u otros controladores, depende del up utilizado. Bus local.. (o bus de memoria si ésta está conectada directamente a la CPU). Interconexión del up al resto de componentes.. En muchos diseños el bus local y el del procesador(cpu) puede ser el mismo. Este bus es independiente de up (a diferencia del bus de la CPU) debe estar estandarizado. Bus del sistema. Interconecta las distintas tarjetas que componen el sistema: memoria, adaptadores. Este bus también es independiente de up y tiene sus propias especificaciones que deben cumplir los distintos fabricantes de tarjetas para él. Ej: Multibus, VMEbus, Futurebus,, PCI, etc. Ej: up funcionando a 100Mhz. Periféricos ricos locales (gr( gráficos) conectados al bus local a 33Mhz y periféricos ricos de baja velocidad conectados al bus global a 8MHz 15/25

16 Sistema microprocesador 16/25

17 1.3 Microcontrolador Un controlador es un dispositivo que se emplea en el gobierno de uno o varios procesos. Antiguamente se construían con elementos electrónicos discretos o lógica discreta.. Hoy se utilizan up. Cuando estos mp se integran dentro del sistema que va a controlar o monitorizar,, se denominan microcomputadores o sistemas empotrados (embedded systems). Son el tipo de microcomputadores más numeroso, ya que se integra en una multitud de dispositivos: Electrodomésticos sticos, teléfonos fonos, sistemas para automoción,, y un gran etc. Actualmente se ha generalizado el uso de microcontroladores: Son circuitos integrados de alta escala de integración, que incorporan todos los elementos que configuran un computador y están orientados a tareas de control de procesos. 17/25

18 1.3 Microcontrolador Diferencias entre computador y microcontrolador: El nivel de integración. El microcontrolador incluye todos los elementos del computador en un único chip y se añadenaden módulos orientados al control de procesos. Computador puede correr una gran variedad de aplicaciones y está gestionado por un Sistema Operativo. Un sistema empotrado está dedicado a una única tarea.. No siempre incluye el Sistema Operativo.. El programa no se salva en mem.. de almacenamiento secundario sino en ROM y no se modifica. Existe una gran diversisdad de sistemas empotrados: desde un temporizador eléctrico (programador de riego) hasta un sistema con más de 100 microcontroladores y procesadores que forman un sistema paralelo y distribuido para control de un avión. 18/25

19 1.3 Microcontrolador Elementos que normalmente integra un microcontrolador: Procesador. Memoria RAM. Memoria de programa del tipo ROM. (sólo( hay un programa) Módulos de E/S para comunicarse con el exterior. Módulos para el control de procesos ( Temporizadores, puertos serie de comunicaciones, generadores de señales ales, comparadores,, CAD y CDA...). Oscilador interno para generar la señal de reloj. Ventajas del uso de microcontroladores: Gestión eficiente de procesos.. (Ejemplo( motores de combustión) Aumento de la fiabilidad. Reducción del tamaño, consumo y coste. Mayor flexibilidad (Únicamente se requiere la reprogramación) 19/25

20 1.3.1 Recursos especiales Cada fabricante oferta numerosas variantes de microcontroladores,, con diferentes prestaciones, memoria, módulos, consumo,, etc. El objetivo es encontrar el dispositivo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de la aplicación para minimizar el coste,, el hardware y el software. Recursos especiales: Temporizadores (Timers). Perro guardián (Watchdog). Protección frente a fallo de alimentación (Brown-out). out). Estado de bajo consumo. Conversores AD y DA. Modulador de anchura de pulsos PWM. Comparadores Analógicos gicos. Puertos de E/S digital. Puertos de comunicación: serie,, CAN, USB, I2C, 20/25

21 1.3.2 Aplicaciones La única limitación en las aplicaciones es la imaginación de los diseñadores de sistemas. Por ejemplo en un hogar pueden encontrarse más de 200 microcontroladores distribuidos por los aparatos de la casa. Los campos más destacados son: Periféricos ricos y dispositivos auxiliares de computadores Electrodomésticos Aparatos portátiles tiles (pda, teléfonos fonos, tarjetas, ) Máquinas expendedoras Jugetes Sistemas de seguridad, alarmas y domótica en general Instrumentación Automoción Control industrial y robótica Sistemas de navegación Termorregulación: Aire acondicionado,, calderas de calefacción, 21/25

22 1.3.2 Aplicaciones El mercado mundial de microcontroladores supera al de microprocesadores Evolución del mercado: Billones de unidades Distribución por sectores: Año 8bits 4bits 16-32bits Perifericos Electrod. Comunic. Industria Automoc. 22/25

23 1.3.2 Aplicaciones El mayor vendedor mundial de microcontroladores de 8 bits, del 2000 a la fecha, es Microchip con la familia PIC. Razones: Desarrollo con bajo riesgo. Exisite una gran variedad de dispositivos pero son compatibles pin a pin. No es necesario rediseñar el software y ofrece un entorno de desarrollo sencillo (MPLAB). Tiempo de desarrollo reducido.. El software es reutilizable.. ICSP. Muy bajo coste. Gran variedad de compiladores y herramientas de desarrollo. Otros fabricantes: Motorola: 68HC11 Intel, philips: : 8051 Atmel: : AVR Otros National Semiconductor, SGS-thomson thomson,, Texas-inst., Hitachi, Analog Devices,.. 23/25

24 1.4 Metodología del diseño de sistemas Pasos: 1. Especificación de requisitos: Tipo de aplicación Coste máximo. Rendimiento mínimo. Ampliaciones futuras. Limitaciones: : Software existente, consumo de energía, tamaño,, peso, herramientas de desarrollo. 2. Establecer la arquitectura del sistema. Lo más importante es el micro. Jerarquía de memoria. Subsistema de E/S. Métodos analíticos cálculo rendimiento del up y ancho de banda del sistema de memoria. Simulación del software mediante programas. Simulación del prototipo: representación abstracta y cambios sin esfuerzo. 3. Desarrollo del hardware y software: Prototipo hardware: selección de componentes, memorias,, E/S, interface, caché,, buffers, Diseño de esquemas de la circuitería. Diseño de las tarjetas del sistema (PCB). 24/25

25 1.4 Metodología del diseño de sistemas 4. Test y debug del prototipo. Simulador.. Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador y posibles ruidos en las entradas. Emuladores en circuito.. Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión n y el zócalo z de la tarjeta de circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es ejecutado como si lo hiciese el mismo microcontrolador. 5. Producción. Primera fase. Comprobación de resultados. 6. Comercialización. 25/25

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