Introducción a los sistemas basados en microprocesador y microcontrolador

Transcripción

1 Introducción a los sistemas basados en microprocesador y microcontrolador Lección 1 Ing. Jorge Castro-Godínez MT7003 Microprocesadores y Área de Ingeniería Mecatrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2014 Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 1 / 45

2 Contenido Historia 1 Historia Cronología Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 2 / 45

3 Era mecánica Historia Cronología Desde cuando existen las computadoras? Aún antes de dispositivos eléctricos y electrónicos, había computación. El ábaco, el odómetro, máquina anaĺıtica. Ábaco y diseño de la máquina anaĺıtica Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 3 / 45

4 Cronología Era eléctrica (1) Surgimiento del motor eléctrico. Tarjetas y código de Hollerith, IBM. ENIAC: primer sistema computacional programable. ENIAC: tubos al vacío, millas de cable, 30 toneladas, operaciones/segundo. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 4 / 45

5 Historia Cronologı a Era ele ctrica (2) La Whirlwind fue una computadora disen ada a finales de los 40 s en el MIT para controlar el simulador de bombarderos. Fue la primera que soportaba tiempo real. Fı sicamente era muy grande, contenı a alrededor de 4000 tubos al vacı o. Circuiterı a y pila de memoria de la Whirlwind. Jorge Castro-Godı nez Sistemas Basados en µp y MCU 5 / 45

6 Cronología Cronología (1) Tecnología de computadoras: John Atanasoff y Clifford Berry crearon el primer prototipo de Atanasoff-Berry Computer (ABC), la primera computadora digital Depuración: La primera pulga de computadoras fue encontrada por Grace Hopper Tecnología de computadoras: ENIAC la primera computadora digital con programas almacenados del mundo fue creada. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 6 / 45

7 Cronología Cronología (2) El primer bug reportado. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 7 / 45

8 Cronología Cronología (3) 1950s - Evolución de lenguajes: Los lenguajes de ensamblador fueron creados Compiladores: Grace Hopper escribió el primer compilador para una computadora digital Evolución de lenguajes: John Backus y su equipo en IBM empezaron el desarrollo de FORTRAN (FORmula TRANslator) Electrónica: Jack St. Clair inventó el circuito integrado en Texas Instruments. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 8 / 45

9 Cronología Cronología (4) Primer CI desarrollado. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 9 / 45

10 Cronología Cronología (5) Electrónica: Texas Instruments introdujo la serie 7400 de circuitos integrados Tecnología de computadoras: Gordon Moore publica en un artículo la famosa ley de Moore Evolución de lenguajes: Niklaus Wirth empieza el desarrollo de PASCAL Electrónica: Texas Instruments desarrolla un circuito integrado programable llamado PLA (programmable logic array) Tecnología de computadoras: Intel libera el chip 1103, el primer chip de memoria DRAM. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 10 / 45

11 Cronología Cronología (6) Tecnología de computadoras: Intel libera el primer microprocesador, el 4004, que es una unidad central de proceso (CPU) de 4 bits. El mismo fue creado para el diseño de la primera calculadora digital Electrónica: General Electric desarrolla el primer dispositivo de lógica programable y borrable (PLD), basado en la tecnología PROM Evolución de lenguajes: Dennis Ritchie desarrolla C en los laboratorios Bell para ser empleado en el sistema operativo UNIX Tecnología de computadoras: Ethernet fue desarrollado Compiladores: Bill Gates and Paul Allen enviaron el compilador BASIC a MITS. Microsoft fue fundado. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 11 / 45

12 Cronología Cronología (7) Evolución de lenguajes: Bjarne Stroustrup desarrolló C++ en los laboratorios Bell como una mejora al lenguaje C Tecnología de computadores: Laboratorios Bell introdujo el primer procesador de señales digitales (DSP) Tecnología de computadores: Un equipo liderado por John L. Hennessy en la Universidad de Standford empezaron a trabajar en el primer procesador MIPS Sistemas operativos: Richard Stallman anuncia el sistema operativo GNU Electrónica: Xilinx desarrolló el FPGA. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 12 / 45

13 Cronología Cronología (8) Tecnología de computadoras: Fujio Masuoka inventó la memoria flash (NAND y NOR) mientras trabajaba para Toshiba Tecnología de computadoras: Acorn Computers lanza el ARM Sistemas operativos: Linux es diseñado por un estudiante avanzado de universidad llamado Linus Torvarlds Tecnología de computadoras: IBM, Apple y Motorola liberan la arquitectura PowerPC. 1990s - Métodos de programación: Agile aparece en escena. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 13 / 45

14 Cronología Cronología (9) Evolución de lenguajes: Sun Microsystems libera Java Sistemas operativos: Microsoft libera la primera versión de Windows Embedded CE Tecnología de computadoras: IBM, Intel y AMD liberan sus primeros procesadores de múltiple núcleo. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 14 / 45

15 Era del microprocesador Primer microprocesador: Intel bits, 4096 posiciones de memoria (4 bits) ISA: 45 instrucciones. Tecnología MOSFET de canal tipo p instrucciones/segundo. Aplicaciones de videojuegos. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 15 / 45

16 4004 (1) Encapsulado DIP del Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 16 / 45

17 4004 (2) Arquitectura del Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 17 / 45

18 Chips de soporte del 4004 (1) 4001: ROM de 256 bytes (256 instrucciones de programa de 8bits), y un puerto incorporado de I/O de 4 bits. 4002: RAM de 40 bytes (80 palabras de datos de 4 bits), y un puerto de salida incorporado de 4 bits. La porción de RAM del chip está organizada en cuatro registro de veinte palabras de 4 bits: 16 palabras de datos (usadas para los dígitos significativos en el diseño original de la calculadora). 4 palabras de estado (usadas para los dígitos de exponente en el diseño original de la calculadora). Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 18 / 45

19 Chips de soporte del 4004 (2) 4003: shift register (registro de desplazamiento) de salida paralela de 10 bits para explorar teclados, pantallas, impresoras, etc. 4008: latch de 8 bits de dirección para acceso a chips de memoria estándar, y un chip incorporado de 4 bits de selección y puerto de I/O. 4009: programa y convertidor de acceso I/O a memoria estándar y a chips de I/O. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 19 / 45

20 8008 Historia Versión extendida de 8 bits del microprocesador Direccionamiento de memoria de 16 Kbytes (recordar que 1 B = 8 bits y 1 K son 1024). 48 instrucciones. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 20 / 45

21 8080 (1) Microprocesador de 8 bits. 10x más rápido que el 8008 Compatible con tecnología TTL. 4x direccionamiento de memoria (64 Kbytes) Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 21 / 45

22 8080 (2) Primera computadora personal MITS Altair Bill Gates y Paul Allen desarrollan intérprete de BASIC escrito para esta computadora, Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 22 / 45

23 8080 (3) Publicidad impresa del MITS Altair Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 23 / 45

24 8080 (4) Apple I basada en Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 24 / 45

25 8085 Historia El 8085 fue una versión actualizada del ,3 µs / instrucción. Ventas por más de 100 millones de microprocesadores. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 25 / 45

26 Microprocesador moderno Intel lanza el microprocesador 8086 en Un año después lanza el Ambos de 16 bits, con tasa de procesamiento de 400 ns/instrucción. Direccionamiento 1M de memoria, 16x más que el Caché o cola de 4-6 bytes, precargar instrucciones. CISC (computadoras de conjunto de instrucciones complejas) debido al número y la complejidad de las instrucciones. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 26 / 45

27 Computadora genérica Diagrama Bloques Computadora. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 27 / 45

28 Diagrama Bloques 8086 Diagrama Bloques Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 28 / 45

29 Diagrama Bloques 8088 Diagrama Bloques Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 29 / 45

30 Microprocesadores y Microcomputadora consiste básicamente de: Unidad central de procesamiento (CPU), memoria y sistema de entrada/salida (I/O). Las ĺıneas eléctricas de interconexión entre los componentes se llaman buses. Buses de dirección: Transportan direcciones de memoria o I/O. Buses de datos: Transportan datos o instrucciones. Buses de control: Transportan señales de control. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 30 / 45

31 Microprocesadores y Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 31 / 45

32 Microprocesadores y El CPU constituye el cerebro de una microcomputadora. Busca las instucciones almacenas en memoria, las interpreta y ejecuta. Incluye la circuitería necesaria para realizar operaciones lógicas y aritméticas (ALU: Arithmetic Logic Unit). En una microcumputadora, el CPU es su microprocesador. Un microcontrolador es considerado como una microcomputadora construida dentro de un solo circuito integrado (CI) o chip. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 32 / 45

33 Microprocesadores Historia Los microprocesadores se encuentran principlamente en estaciones de trabajo. Empleadas donde se requiere una gran potencia computacional y la habilidad de manejar instrucciones grandes. Trabajan a altas velocidades. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 33 / 45

34 Historia Son empleados en una gran variedad de aplicaciones. Se encuentran en electrónica de consumo, aplicaciones médicas, equipos de hospital e industrias, juguetes, y muchos más. Llevan a cabo un número de tareas reducido. Tienen su programa almacenado permanentemente en memoria. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 34 / 45

35 Historia Algunos requerimientos son importantes para el diseño y uso de microcontroladores. Recursos de entrada y salida. Optimización de espacio. Uso apropiado del microcontrolador para la aplicación dada. Protección contra falla. Bajo consumo de potencia. Protección de programas contra copias. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 35 / 45

36 Microcontrolador Historia Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 36 / 45

37 La memoria es donde se almacenan los datos y las instrucciones. La forma en que está organizada la memoria y la forma en que se comunica con el CPU determina la eficiencia de un dispositivo. Existen dos modelos genéricos de HW para estructuras de memoria: von Neumann y Harvard. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 37 / 45

38 von Neunmann Propuesta por el matemático John von Neumann. Se emplea una sola memoria para almacenar los datos y las instrucciones. Un único bus de direcciones permite el acceso a datos e instrucciones. Análogamente solo se posee un bus para obtener las instrucciones y los datos. No hay señales de control independientes. Aún cuando se emplea ROM para instrucciones y RAM para datos, el CPU no está al tanto de esto y los trata de la misma manera sin distinción. (RAM + ROM una sola memoria) Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 38 / 45

39 von Neunmann Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 39 / 45

40 Harvard Historia Emplea diferentes memorias para almacenar instrucciones y datos. Cada memoria posee su propio bus de direcciones, datos y control. La memoria de programa solo puede ser leída, mientras la de datos puede ser leída y escrita. La arquitectura von Neumann posee menos ĺıneas lo que hace más simple la conexión entre la memoria y el CPU, no obstante no permite manejo simultáneo entre instrucciones y datos. La arquitectura Harvard permite accesos simultáneos de instrucciones y memoria, lo que permite mayor velocidad de ejecución de programas. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 40 / 45

41 Harvard Historia Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 41 / 45

42 CISC: Complex set instruction computer. RISC: Reduced set instruction computer. En el inicio de los microprocesadores y microcontroladores se buscó darle el set de instrucciones más poderoso posible. CISC se convirtió en el más popular, aun cuando posee instrucciones muy simples (mover información a memoria), y muy complejas a la vez (mover una cadena de datos entre locaciones de memoria). Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 42 / 45

43 RISC implica instrucciones más simples, encargadas de tareas simples y que se llevan a cabo rápidamente. Los procesadores con RISC poseen menor cantidad de transistores y son más baratos en el proceso de manufactura. Los microcontroladores PIC poseen una arquitectura RISC. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 43 / 45

44 Características generales Los microcontroladores PIC están basados en una arquitectura de memoria Harvard. El acceso a diversas E/S se lleva a cabo mediante registros en la memoria de datos llamados registros de función especial (SFR). Los PIC son microcontroladores RISC. PIC poseen un registro de trabajo (W, working register) y múltiples registros de memoria. PIC posee una pila de tamaño fijo y que no es parte de la memoria de datos. Gran variedad de dispositivos de E/S: temporizadores, puerto serie y paralelo, convertidores A/D y D/A. Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 44 / 45

45 Arquitectura Harvard en PIC 16F877A Jorge Castro-Godínez Sistemas Basados en µp y MCU 45 / 45