UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA MIXTECA. Ingeniería en Electrónica EL MICROCONTROLADOR PIC16F84 PRESENTA: M. C. Felipe Santiago Espinosa
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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA MIXTECA Ingeniería en Electrónica EL MICROCONTROLADOR PIC16F84 PRESENTA: M. C. Felipe Santiago Espinosa Noviembre de 2007 Objetivos 2 Que los participantes adquieran el conocimiento relacionado con los dispositivos electrónicos conocidos como Microcontroladores. Que comprendan la arquitectura del microcontrolador PIC16F84, desarrollado por Microchip. Que puedan desarrollar aplicaciones basadas en el PIC16F84. 1
2 Temas del curso 3 El interior del procesador Repertorio de Instrucciones Recursos Fundamentales Recursos Auxiliares UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA MIXTECA Ingeniería en Electrónica 1. INTRODUCCIÓN En esta sección se pretende cubrir : Los elementos que integran una computadora Un bosquejo general de microcontroladores y microprocesadores Las características de los microcontroladores de Microchip Ubicar a nuestro caso de estudio: El microcontrolador PIC16F84 Noviembre de
3 Qué es una computadora? 5 Es un sistema que procesa información, recibe datos de entrada, los procesa y produce resultados en la salida. Capaz de efectuar complejas tareas aritméticas y lógicas. Está construida por Hardware y Software. 6 La presencia de las computadoras pasa desapercibida en una gran cantidad de productos comerciales. Encontramos computadoras dentro de cajas registradoras, hornos de microondas, video juegos, video cámaras, instrumentos musicales, máquinas de escribir, equipos de sonido, fotocopiadoras, etc. En estas aplicaciones las computadoras están desempeñando funciones de control interactuando con el mundo real para encender o apagar dispositivos y monitorear condiciones. Los microcontroladores son frecuentemente encontrados en tales aplicaciones. Los microcontroladores se desarrollaron posteriormente a los microprocesadores, y muchos sistemas electrónicos actuales no hubieran sido posibles sin la presencia de estos dispositivos. 3
4 Qué es una computadora? 7 Sistema capaz de operar sobre datos sin intervención humana (siguiendo un programa). Que puede almacenar y recuperar datos. Incluye dispositivos I/O para la interacción con los humanos. Qué es un microcontrolador? 8 Un microcontrolador es un Circuito Integrado con tecnología VLSI que contiene una Unidad Central de Procesos (CPU), memoria para código, memoria para datos, además de otros recursos necesarios para el desarrollo de aplicaciones, por lo general con un propósito específico. Un microcontrolador puede considerarse una computadora en un CI. 4
5 Microprocesadores vs. Microcontroladores 9 Aunque los microprocesadores y microcontroladores son dispositivos con algunas similitudes, existen diferencias importantes entre ellos, las cuales revisaremos desde 3 perspectivas diferentes: Hardware Aplicaciones Características del repertorio de instrucciones. Hardware 10 Microprocesadores Es una Unidad Central de Procesamiento en un circuito integrado. Microcontroladores Además de la CPU, contiene: RAM, ROM, interfaz serial, interfaz paralela, manejo de interrupciones, temporizadores, etc. Todo en un circuito integrado. Las limitantes en el microcontrolador son: Velocidad de procesamiento Tamaño de los datos Espacio de direccionamiento de memoria 5
6 Aplicaciones 11 Microprocesadores Los microprocesadores son comúnmente usados como CPU en las computadoras. Aunque también existen tarjetas de evaluación y desarrollo con base en algún microprocesador (SBC, Single Board Computer), pero éstas cada vez son menos comunes. Son la base para la construcción de sistemas de propósito general. Microcontroladores Los microcontroladores son encontrados en sistemas mínimos desempeñando actividades orientadas a control. Son la base para sistemas con propósito específico. Características del repertorio de instrucciones 12 Microprocesadores Los microprocesadores deben incluir modos de direccionamiento capaces de manejar grandes cantidades de datos. Se espera que sus instrucciones operen sobre palabras (32 bits) o palabras dobles (64 bits). Microcontroladores Un microcontrolador debe poder manjar bits directamente. Por ejemplo: para encender o apagar un motor basta con cambiar el estado de un bit. La mayoría de microcontroladores incluyen un procesador booleano que permite hacer operaciones lógicas directamente sobre bits. 6
7 Hardware de una computadora 13 Hardware de un microcontrolador 14 Timer CPU Vcc Oscillator Watchdog Timer Program Memory Gnd UART (Serial Port) RAM 8-bit DATA Bus Analog I/O Port Digital I/O Port 7
8 La Unidad Central de Procesos 15 Administra todas las actividades en el sistema y ejecuta todas las operaciones sobre los datos. Su tarea puede reducirse a las siguientes operaciones: Atrapar una instrucción. Decodificarla. Ejecutarla. Cada instrucción contiene un código de operación (opcode) y uno o más operandos sobre los que se realizará la operación. Estas instrucciones usualmente incluyen: Aritméticas: suma, resta, producto, división, etc. Lógicas: AND, OR, NOT, etc. Transferencia de datos. Bifurcaciones (condicionales o incondicionales) La Unidad Central de Procesos (Visión simplificada) 16 IR (Instruction Register) Contiene la instrucción que actualmente se está ejecutando. PC (Program Counter) Contiene la dirección de la instrucción a ejecutar. Unidad de decodificación y control ALU (Unidad Aritmético Lógica) REGISTROS De función específica Y De propósito general 8
9 Tareas de la CPU 17 1) Atrapar la instrucción: es una etapa fundamental que involucra los siguientes pasos: a) El contenido del PC es colocado en el bus de direcciones. b) Una señal de control (READ) es activada. c) Un dato (la instrucción) es leído de la RAM y puesto en el bus de datos. d) El dato es colocado en el registro de instrucción (IR). e) El PC es preparado para la siguiente instrucción. Tareas de la CPU (2) 18 CPU N Program Counter OPCODE Instruction Register Addres Bus Data Bus Clock Read Control Bus OPCODE N + 2 N + 1 N N - 1 Memoria 9
10 Tareas de la CPU (3) 19 2) Decodificación: consiste en descifrar el opcode para generar las señales de control necesarias, dependiendo del tipo de instrucción. 3) Ejecución: consiste en la habilitación de la ALU para obtener algún resultado, cargar datos desde memoria, almacenar datos en memoria, modificar el valor del PC, etcétera (según las señales generadas por el control). Una serie de instrucciones combinada para realizar tarea significativa es llamado programa. alguna El grado en el cual las tareas son realizadas eficiente y correctamente depende en mucho del software, no de qué tan sofisticado sea el CPU. Tipos de CPUs CISC : Complex Instruction Set Computers RISC : Reduced Instruction Set Computers Una arquitectura RISC tiene pocas instrucciones y generalmente del mismo tamaño y muchas veces corresponde con el tamaño de los datos. 20 En la CISC hay demasiadas instrucciones con diferentes tamaños y formatos, que pueden ocupar varios bytes, uno para el opcode y el resto para los operandos. Una instrucción CISC puede corresponder a varias instrucciones RISC. Un procesador RISC típico tiene una capacidad de procesamiento de dos a cuatro veces mayor que un CISC y su estructura de hardware es tan simple, que se puede realizar en una fracción de la superficie ocupada por el circuito integrado de un procesador CISC. 10
11 Sistema de Memoria Una computadora (y por lo tanto, también un microcontrolador) debe contar con memoria de código y memoria para datos. 21 Existen 2 modelos o Arquitecturas, de acuerdo con la organización de la memoria: CPU Bus de Direcciones Memoria de Código y Datos Arquitectura Von Neumann Bus de Datos e Instrucciones Arquitectura Harvard Memoria de Código Bus de Direcciones CPU Bus de Direcciones Memoria de Datos Bus de Instrucciones Bus de Datos Sistema de Memoria La mayoría de Microcontroladores utilizan una Arquitectura Harvard. La memoria de código (o de instrucciones o de programa) almacena las instrucciones que forman al programa. Para acomodar programas grandes, la memoria de código se puede particionar como memoria interna y memoria externa, en algunos microcontroladores. Usualmente la memoria de programa es no volátil y puede ser del tipo EPROM, EEPROM, Flash, ROM enmascarable o OTP (one-time programmable). Para la memoria de datos, los microcontroladores pueden contener RAM o EEPROM, para el uso de variables o de una pila. Todos los microcontroladores tienen memoria interna de datos, en diferentes magnitudes, algunos además cuentan con la capacidad de expansión usando una memoria externa
12 Microcontroladores Los microcontroladores son la base de muchos sistemas actuales. 23 Aplicaciones de los microcontroladores 24 Industria 10% Computadoras 15% Automóviles 18% Comunicaciones 30% Consumo 27% 12
13 Microcontroladores comunes Familia MCS-51 de Intel Microcontroladores de Dallas Semiconductor DS5000T DS80C400 Microcontroladores PIC de Microchip PIC16F84 Microcontroladores AVR de ATMEL ATINY461 ATMega8 ATMega16 25 Técnicas en las que se basan los Microcontroladores PIC 26 Los microcontroladores PIC combinan tres técnicas en su construcción: Arquitectura Harvard Son RISC Utilizan segmentación (pipeline) Con ellas se consigue alto rendimiento y elevada velocidad de operación. 13
14 Microcontroladores PIC de 8 bits Sencillez de manejo Información accesible Precio Diseño rápido Elevada velocidad de funcionamiento. Juego reducido de instrucciones 35 en promedio. Bajo consumo y varios voltajes de alimentación. Herramientas gratuitas Gran variedad de modelos. 27 Escalabilidad en los dispositivos de Microchip 28 14
15 El PIC16X8X 29 MEMORIA DE PROGRAMA: 512 o 1K de palabras de 14 bits MEMORIA DE DATOS RAM: 36 o 68 bytes MEMORIA DE DATOS EEPROM: 64 bytes PILA (Stack): de 8 niveles INTERRUPCIONES: 4 fuentes JUEGO DE INSTRUCCIONES: 35 ENCAPSULADO: Plástico DIP de 18 terminales FRECUENCIA DE TRABAJO: Hasta 10 MHz TEMPORIZADORES: 1 de 8 bits + WDT (Perro Guardián) Variantes en la familia PIC16X8X 30 15
16 Aspecto externo 31 Características Eléctricas 32 Lineas de E/S digitales: 13 (5 Puerto A y 8 Puerto B) Corriente máxima absorbida: 80 ma, Puerto A y 150 ma Puerto B Corriente máxima suministrada: 50 mapuerto A y 100 ma Puerto B Corriente máxima absorbida por línea: 25 ma Corriente máxima suministrada por línea: 20 ma Voltaje de alimentación (VDD): De 2 a 6 Voltios de CD Voltaje de grabación (Vpp): De 12 a 14 voltios de CD 16
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