INDICE. Introduction a los microcontroladores Ejemplo de microcontrolador minimalista: PIC10F200 El microcontrolador ARM7 LPC2103

Transcripción

1 INDICE Introduction a los microcontroladores Ejemplo de microcontrolador minimalista: PIC10F200 El microcontrolador ARM7 LPC2103

2 Microcontroladores Idea «SoC»: Computador en un solo chip Posible si la cantidad de memoria es pequeña. Ideal para aplicaciones «embedded» Microcontroller MEMORY CPU ROM RAM CLK PERIFERALS TIMER ADC GPIO COMM ETC

3 Clasificaciones de los uc. Por anchura de palabra de la CPU 8 bits: 8051, PIC10-18, AVR, 68HC11, Suelen presentar arquitectura Harvard 16 bits: PIC24/dsPIC, H8, 68HC12-16, 32 bits: principalmente basados en CPUsARM LPC2xxx: ARM7 (NXP) AT91SAM: ARM7 (Atmel) PIC32: MIPS (Microchip) AVR32 (Atmel)

4 Arquitectura de la CPU Von Neumann Architecture Harvard Architecture Modified Harvard Architecture CPU CPU CPU addr. data addr. instr. addr. data addr. instr. addr. data MEMORY Program MEMORY Data MEMORY Instruction CACHE Data CACHE - One memory space - Two memory spaces Memory Management Unit Von Neumann: ARM7, 68HCxx... addr. data Harvard: I8051, PIC, AVR... Modified Harvard: ARM9, MIPS... Main MEMORY - One logical memory space

5 Características Generales Memoria de DATOS RAM Almacena las variables de los programas (variables estáticas, las de tipo «auto» suelen estar en registros) En algunos micros también contiene la PILA Memoria interna de unos pocos KB máximo Bancos de registros E/S Los registros de la CPU suelen estar visibles en ciertas direcciones de la memoria de datos Los registros de los periféricos también están visibles en la memoria de datos (memory-mapped-i/o)

6 ROM Memoria de Programa programada en fábrica. No se puede modificar su contenido. OTP: One-time-programming. Se puede programar pero no se puede borrar. Flash Programable y borrable (>1000 ciclos garantizados). Se borra por bloques, no por posiciones individuales. EEPROM Se permite la reprogramación de posiciones individuales. Ideal para guardar datos de configuración.

7 Simples Interrupciones Se salta a una dirección fija. La causa de la interrupción se indaga por programa. Vectorizadas Se salta a una dirección distinta por cada causa. Se usa una tabla de saltos o de punteros. Flags de interrupción Se activan cuando un periférico causa una interrupción. Puede que haya que borrarlos por programa. Máscaras de interrupción Seleccionan que interrupciones se permiten y cuales no.

8 Periféricos típicos GPIO: E/S de propósito general Dirección de pines: entrada o salida GPIO o funciones especiales Pull-ups programables Características eléctricas especiales: Drenador abierto Schmitt-trigger (histéresis) Corriente de carga (conexión directa de LEDs ) Tolerantes a 5V (en micros con tensiones de alimentación baja)

9 UART Comunicaciones serie Asíncronas idle 5 to 8 data bits START D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PARITY (optional) STOP STOP idle Formato de los datos Nº de bits de datos Nº de bits de stop Paridad Velocidad de los datos Flags e interrupciones Interfaz eléctrica RS232 Bus RS485 Bus LIN Tbit character length (Nbit+1+Nstop+(parity?))*Tbit 1 or 2 Tbit

10 Periféricos típicos Comunicaciones serie síncronas Bus SPI Bus I2C Temporizadores / Contadores Temporizadores básicos Eventos de captura y comparación PWM Perro guardian (Watchdog) Conversión Analógico/Digital Comparadores analógicos ADC de aproximaciones sucesivas

11 Gestión del reloj Generación de la señal de reloj Osciladores internos. Calibración. Osciladores externos. Cristales de cuarzo. PLL Modos de bajo consumo CPU dormida (sin reloj). Modo Idle. Control de alimentación de periféricos. Oscilador principal parado. Modo power-down. Interrupciones tipo «despertador»

12 Otros Circuitería de reset Reset externo. Power-on. Reset al encender. Brown-out. Reset en fluctuaciones de la alimentación. Perro guardián. Bootloaders Programas en ROM para la reprogramación del microcontrolador dentro del sistema. Protección del código contra copia.

13 Familias de uc Conjunto de uc con características comunes: Misma CPU Cantidad de memoria interna variable Variedad de periféricos para elegir Con ello se pretende ofrecer el uc más ajustado a la aplicación. La memoria encarece el uc. El disponer de periféricos especializados permite soluciones compactas (pocos componentes).

14 Ejemplo de familia: LPC21xx modelo Flash (kb) RAM (kb) Pines E/S UART SPI I2C PWM CAN LPC LPC LPC LPC Los periféricos tienen los mismos registros y ocupan las mismas posiciones de E/S en todos los uc de la familia.

15 uc minimalista: PIC10F200 6 pines 256 palabras de código de 12 bits 16 bytes de memoria de datos Periféricos: GPIO: 4 pines Contador/Temporizador de 8 bits No soporta interrupciones Reloj de 1 MHz (oscilador de 4MHz) interno en Mouser Electronics

16 PIC10F mm PIC10F200 SOT-23/6 GP0 1 6 gnd 2 5 GP3//MCLR Vdd Flash 256x PC stack 1 stack 2 data bus 8 RAM 16x8 GPIO TRIS GP0 GP1 GP2 GP3 GP1 3 4 GP2/T0KI/FOSC4 Instr. Reg OSCCAL 2.7mm mux Pila hardware: 2 niveles de subrutinas Registro W (working reg) implícito en instrucciones. E/S mapeada en memoria de datos. Instr. decode & control CLK osc. Prescaler Watchdog Reset /MCLR flash registers CONFIG USER ID osccalbak TIMER0 FSR OPTION mux ALU Status R. W

17 PIC10F200: mapa de memoria Data address space Instruction specific registers 0x00 0x01 0x02 INDF* TMR0 PCL Indirect addressing (not a physical register) Timer0 Program counter (lower byte) OPTION: copy W to OPTION OPTION 0x03 STATUS Flags TRIS: copy W to TRIS 0x04 0x05 FSR OSCCAL Indirect addressing: pointer Clock frequency adjust TRIS 0x06 GPIO Pin input/output (see also TRIS) CLRWDT: clear watchdog 0x07 0x0F unimplem. Read as 0x00 SLEEP: clear watchdog, stop osc. 0x10 0x1F general purpose registers User RAM / variables (16 bytes)

18 PIC10F200. Registros STATUS: GPWUF - - /TO /PD Z DC C C: Carry flag from ALU DC: Digit (4th bit) carry (for BCD arithmetic) Z: Zero flag from ALU /PD: Power down. Set to low after executing SLEEP /TO: Time-out. Set to low after a watchdow reset GPWUF: GPIO reset. Set high after a reset due to pin change

19 OPTION: PIC10F200. Registros /GPWU /GPPU T0CS T0SE PSA PS2 PS1 PS0 PS2-0: Prescaler division factor select bits (for TIMER0 or watchdog) value TIMER0 watchdog 000 1/2 1/ /4 1/8 1/16 1/32 1/64 1/128 1/256 1/2 1/4 1/8 1/16 1/32 1/64 1/128 PSA: Prescaler asignement. 0=prescaler asigned to TIMER0 1=prescaler asigned to watchdog T0SE: TIMER0 source edge. 0=rising edge 1=falling edge T0CS: TIMER0 Clock Select. /GPPU: Enable pull-ups (GP0,GP1,GP3). 0=Timer0 clk is Fosc/4 1=Timer0 clk is T0CKI pin (GP2) /GPWU: Enable wake-up on pin change (GP0,GP1,GP3). 0=pull-ups enabled 1=pull-ups disabled 0=enabled 1=disabled

20 PIC10F200. GPIO data bus wr GPIO D Q GPIO latch wr /Q not for GP3 ** Vdd p * weak pull-up p ESD protection GP pin W reg. TRIS instr. D Q TRIS latch wr /Q n Vss /GPPU (OPTION reg.) rd GPIO TRIS: 0=output 1=input * No pull-up for GP2 ** GP3 is input-only

21 PIC GPIO read/modify/write El valor del registro GPIO no se puede leer directamente. Lo que se lee es la tensión en el pin. Los pines que estén programados como entradasse van a cambiaren GPIO al ejecutar las instrucciones de tipo read/modify/write en GPIO. Ejemplo: Consta de 3 pasos: BSF GPIO,0 (poner en 1 el pin GP0) 1. Lee GPIO al bus de datos interno (los 4 bits) 2. Se hace una OR lógica con 0x01 3. Se escribe el resultado en GPIO Si GP1 está como entrada el valor que haya en ese momento en el pin se va a escribir en GPIO.1 (supuestamente sólo estábamos cambiando GPIO.0)

22 PIC10F200. Config CONFIG: MCLRE /CP WDTE WDTE: Watchdog enable /CP: Code protection MCLRE: MCLR enable 0=disabled 1=enabled 0=enabled 1=disabled 0=GP3 1=MCLR CONFIG no es accesible desde el propio micro Su valor se graba junto con la memoria de programa (flash) El watchdog es un contador con un periodo de 18ms (sin prescaler) que hace un reset del micro si no se borra antes de ese tiempo con la instrucción CLRWDT Si /CP está activo las posiciones de memoria de programa 64 a 255 se leen como 0x000 desde los programadores.

23 PIC10F200. cjto. de instrucciones Registro W implícito Destino en W o en memoria de datos, a elegir Ejemplos: ADDWF var,w ADDWF var,f W+Mem[var] -> W W+Mem[var] -> Mem[var] Las instrucciones se ejecutan en un ciclo de CPU (4 ciclos de oscilador) salvo los saltos que tardan 2 ciclos: GOTO, CALL, RETLW, y escrituras en PCL. No hay saltos condicionales. En su lugar se tienen instrucciones «SKIP» condicionales, que ejecutan la siguiente instrucción o la convierten en NOP.

24 PIC10F200. Instrucciones Instrucción Descripción Flags comentarios ADDWF f,d W+Mem[f] ->W/Mem[f] C, DC, Z ANDWF f,d W&Mem[f] -> W/Mem[f] Z CLRF 0 -> Mem[f] Z CLRW 0 -> W Z COMF f,d ~Mem[f]-> W/Mem[f] Z DECF f,d Mem[f]-1 -> W/Mem[f] Z DECFSZ f,d Mem[f]-1 -> W/Mem[f] Skipnextinstr. Ifresultis0 INCF f,d Mem[f]+1 -> W/Mem[f] Z INCFSZ f,d Mem[f]+1 -> W/Mem[f] Skipnextinstr. Ifresultis0 IORWF f,d W Mem[f] -> W/Mem[f] Z MOVF f,d Mem[f] -> W/Mem[f] Z MOVWF f W -> Mem[f] - - Útil en bucles -

25 PIC10F200. Instrucciones Instrucción Descripción Flags comentarios NOP - RLF f,d Rotate Left(through carry) C ROT RRF f,d Rotate Right(through carry) C ROT SUBWF f,d Mem[f]-W -> W/Mem[f] C, DC, Z SWAPF f,d Nibble swap - SWAP XORWF f,w W^Mem[f] -> W/Mem[f] Z BCF f,b Mem[f].b=0 (bit clear) - RMW BSF f,b Mem[f].b=1 (bit set) - RMW BTFSC f,b BTFSS f,b Skip next Instr. If Mem[f].b==0 Skip next Instr. If Mem[f].b==1 ANDLWk W&k-> W Z CALL k Subroutine call: PC->stack, k -> PC - - -

26 PIC10F200. Instrucciones Instrucción Descripción Flags comentarios CLRWDT Clear watchdog TO,PD watchdog GOTOk k-> PC - IORLW k W k-> W Z MOVLWk k-> W - OPTION W -> OPTION - RETLW k k-> W, stack-> PC return from subroutine - Constant arrays SLEEP Stop oscillator TO,PD Power down TRIS f W -> TRIS - XORLW k W^k-> W Z

27 PIC10F200. Instrucciones RLF: Mem[f] C RRF: Mem[f] C H L SWAP: RMW: Read/Modify/Write. Usar con precaución si f=gpio Constant Arrays: Arrays of RETLW k instructions

28 PIC. Estructuras de programa Bucles Contador: equ 0x10 ; variable en RAM Etiqueta: MOVLW MOVWF DECFSZ GOTO 20 ; nº de vueltas Contador Contador,f Etiqueta

29 PIC. Estructuras de programa Tablas de constantes MOVF indice,w tabla: CALL tabla ADDWF PCL,f ;salto múltiple RETLW 0x25 RETLW 0x33 RETLW 0x12 ;tabla[0] ;tabla[1] ;tabla[2]

30 PIC. Estructuras de programa Aritmética de 16 bits ; AH:AL + BH:BL -> AH:AL ; (variables en RAM) MOVF BL,w ADDWF AL,f BTFSC status,c INCF AH,f MOVF BH,w ADDWF AH,f ; acarreo?

31 PIC10F200. Ejemplo de aplicación Artículo de broma: Grillo electrónico Imita el canto de un grillo en la oscuridad El PIC10F200 va a sustituir a toda la lógica de la figura contador 14 bits 1024 ciclos 8192 ciclos Q13 Q10 Q7 128 ciclos 128 ciclos /LUZ (sensor) Reset Q0 altavoz 187 us 187 us OSC 2.66kHz 1 ciclo

32 PIC10F200. Ejemplo de aplicación LDR: disminuye su resistencia con la luz Altavoz piezoeléctrico: Impedancia de unos 2kohm. Se puede conectar directamente a los pines del micro Altavoz entre dos pines: Aumenta el volumen del sonido (recomendable para tensiones de alimentación bajas) +3V LDR /MCLR GP2 PIC10F200 altavoz piezoelectrico GP0 GP1

33 PIC10F200. Código processor p10f200 config 0x01C ; MCLR, no code protection, watchdog ON radix dec ; números en decimal por defecto ; ; Definiciones w equ 0 ; W es destino f equ 1 ; File_reg es destino c equ 0 ; Carry flag en STATUS dc equ 1 ; Digit_Carry flag en STATUS z equ 2 ; Zero flag en STATUS ; Registros especiales indf equ 0x0 tmr0 equ 0x1 pcl equ 0x2 status equ 0x3 fsr equ 0x4 osccal equ 0x5 gpio equ 0x6

34 PIC10F200. Código ; Variables del programa cblock 0x10 ; primera posición libre cnt1 ; contador de 16 bits cnt2 tmp ; variable comodín endc ; RESET org 0 movwf osccal ;calibramos oscilador movlw 0x0c ;GP0,GP1 salidas tris gpio movlw 0x4f ;No Pull-UPs, prescaler 1/128 para WDT option ; BUCLE principal del programa

35 PIC10F200. Código L0: btfss gpio,2 ; probamos luz sleep clrwdt incf cnt1,f ; (cnt1:cnt2)++ btfsc status,z incf cnt2,f movf cnt1,w ; Bits 0,7,10,13 en cero? andlw 0x81 ; bits 0 y 7 movwf tmp movf cnt2,w andlw 0x24 ; bits 10 y 13 iorwf tmp,w movlw 0x01 ; valor en buzzer. Depende de si los bits eran 0 btfsc status,z movlw 0x02 movwf gpio ; cambio en pines del buzzer movlw 56 ; retardo: 20+(56*3-1)=187 ciclos/muestra movwf tmp L1: decfsz tmp,f goto L1 goto L0 end