Diseño Basado en Microcontroladores.

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1 Diseño Basado en Microcontroladores. Tema 2: Microcontroladores. (2 horas) 2.1. Introducción Estructuras específicas para el control de sistemas Características generales de los microcontroladores Familias de microcontroladores Aplicaciones básicas. Elección del microcontrolador. 1

2 Tema 2. Microcontroladores. Objetivos específicos: -Diferenciar entre microprocesador y microcontrolador. -Conocer los principales fabricantes de microcontroladores y sus familias. -Conocer los campos de aplicación de los microcontroladores. - Decidir entre microprocesador-microcontrolador y elegir el más apropiado para un determinado diseño. 2

3 Tema 2. Microcontroladores. Bibliografía recomendada. [González, 1992]. El capítulo de introducción trata de forma clara, aunque un poco esquemática los conceptos. [WEB]. En las páginas Web de los fabricantes se pueden obtener información detallada de las distintas familias de microcontroladores y notas de aplicación sobre diversos diseños. Tratamiento didáctico específico. Es un tema descriptivo cuyo objetivo es situar a la asignatura tanto en lo que respecta a la necesidad del microcontrolador como a sus prestaciones y campos de aplicación. Puesto que en los demás temas se tratan con detalle la arquitectura y los distintos bloques de un microcontrolador, la exposición del tema será de tipo lección magistral. 3

4 2.1. Introducción. Un microcontrolador es un circuito integrado (IC, Integrated Circuit) digital diseñado para aplicaciones que requieren de procesadores que realicen cálculos aritmético-lógico de forma programada y de dispositivos que lleven a cabo, por sí solos, las tareas propias de un sistema de control. (System-on-chip) (Embedded controller) Principales características: - su bajo coste, - su alto grado de integración, - su simplificación de periféricos adicionales, y - su cada vez mayor capacidad y velocidad de ejecución - su cada vez mínimo consumo de potencia a un precio razonable. 4

5 PERIFÉRICOS PUERTOS DE ENTRADA/SALIDA TIMERS WaTchDog PWM DMAC CONVERTIDOR A-D Y D-A UART s I2C CRC CPU R0H R0L Contador de Programa PC R0H R0L 20 R1H R1L Tabla Vector Interrup. INTB R2 R3 A0 (=R4) A1 (=R5) Base Marco FB Base Estático SB 16 x 16 Multiplicador RELOJ RAM ROM 16 Banderas 16 Pila Interrupciones ISP Pila Usuario USP 5

6 2.2. Estructuras específicas para el control de sistemas. 1/2 6

7 DIAGRAMA DE BLOQUES M16C 2/ I/O Ports P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 Watch dog timer (20 bit) DMAC 2 channel D-A converter 8 bit 2 ch. Timer 5 x A Timer (16 bit) 6 x B Timer (16 bit) CRC operation circuit UART / Clock sync. serial I/O 5 channels A-D converter (10 bit x 8 channel expanded to 10 ch) System clock generator Xin - Xout Xcin - Xcout P7 8 R0H R0H R1H R0L R0L R1L Program Counter PC Vector Table INTB MEMORIAS P8 8 R2 R3 Address Reg. A0 Address Reg. A1 Frame Base Reg. FB Static Base Reg. SB Flag Register FLG Stack Pointer ISP USP (User Stack Pointer) Multiply circuit 16X 16 ROM/Flash 256 K bytes RAM 20 K bytes P9 P

8 2.2. Estructuras específicas para el control de sistemas R0H R0L Program Counter PC R0H R0L 20 R1H R1L Interrupt Vector Table INTB R2 R3 16 A0 (=R4) Flags A1 (=R5) Frame Base 16 x 16 Multiplier 16 Interrupt stack ISP Static Base User stack USP 8

9 2.3. Características generales. BUS DATOS/ DIRECCIONES BIU CRC RAM 10 Kb ROM 64 Kb DMAC CPU CONTROL BUS ADC MULTIPLICADOR TIMERS B A UART DAC INTERRUPCIONES C WDT BRG 9

10 8XC151SX 10

11 2.4. Familias de microcontroladores. Itinerarios. Itinerario de los M16C 11

12 2.4. Familias de microcontroladores. Familias de microcontroladores de Renesas FAMILIAS SERIES GRUPOS M32R (32-bits CISC) M16C (16-bits CISC) M32C/80 (CISC+RISC) M16C/80 M16C/60 M16C/30 M16C/20 Tiny M16C/10 M16C/60 M16C/61 M16C/62 A, M, N M16C/62P M16C/30 M16C/30L M16C/30P M16C/26, 26A, 28, (8-bits) 12

13 2.4. Familias de microcontroladores. M S 8 - XXX FP Se omite para versiones Flash Familia M16C Serie o Grupo 60/62 Capacidad RAM Tipo de memoria: M: ROM máscara S: ROM externa F: Flash Empaquetado FP: rectangular 100 pines GP: cuadrado 100 pines Capacidad ROM: 4: 32 Kbytes 8: 64 Kbytes A: 96 Kbytes C: 128 Kbytes G: 256 Kbytes W: 320 Kbytes H: 384 Kbytes J: 512 Kbytes M F G - XXX FP M F H - XXX FP M30600S8FP / M30624FGAFP / M30626FHPFP Figura 2.2. Descripción de los microcontroladores de Renesas 13

14 2.5. Aplicaciones básicas. 1/4 14

15 2.5. Aplicaciones básicas. 2/4 Safety Airbag, tyre monitoring, anti-crash systems... AUTOMOTIVE APPLICATIONS Chassis stabilisation Antiskid, active suspension... Engine and gear box air pressure injection, gas exhaust control, oil quality, automatic gear box control... Instrumentation air conditioning, anti-theft system, guidance system... 15

16 2.5. Aplicaciones básicas. 3/4 Speech compression & playback #1 GSM codec algorithm #2 ADPCM Telecom DTMF detection & reception Soft Modem V23 now V22 under dev Caller ID DES encryption I2C multimaster S/W I2C for M16C/20 Software UART Security System Security/ Fire panel now Access control under dev Flash on chip programming Using power down features Mask ROM correction 3 phase motor control AC & DC brushless now, Switch Reluctance under development LCD control using I/O Real time clock & Low power operation 16

17 2.5. Aplicaciones básicas. Aplicaciones básicas de los microcontroladores Sector Automovilístico Electrónica de Consumo Oficina Redes Control Industrial Médico Dispositivos Empotrados (Aplicaciones) Sistema de Encendido Sistema de Control Sistema de Frenado T.V. digital y analógica DVD, VCR, PDA, Juguetes Teléfonos, teléfono móvil GPS Tarjetas de crédito, de seguro médico, Electrodoméstico gama blanca (lavadora, microondas, frigorífico, tostadora, ) FAX, fotocopiadora, impresora, monitor, escaner Routers, Hub, Gateway Sistemas de Control Sistemas de Fabricación Robótica Máquina de diálisis Monitores Cardíacos Bombas de Infusión Prótesis 17

18 2.5. Aplicaciones básicas. 4/4 Low Power Key * 0 # Small Package LCD 3V SIO PORT PORT SIO M16C/60 Output multiple clock Built-in in pull-up up resistor Small ROM Code size on C A Digital Cellular System TXD CLKS1 CLK1 AN0 ALE CS2 CS0 CS3 A0 ~ A18 D0 /A0~ D7/A18 No need external circuit to connect bus Low Power D0 ~ D7 RD W PLL1 PLL2 Multiplex Bus A0 A7 RAM ANT RF Radio Control D0 D7 A0 /D0 A7 /D7 Address Bus modulator TDMA A0 A1 A2 A3 A18 DSP ROM Data Bus ASSP/GA D0 D7 SP Mic khz 10 MHz 18

19 2.5. Elección del Microcontrolador 1/7 La elección de un microcontrolador es más un arte que una ciencia. El poder de decisión es tremendamente extenso, se pueden elegir entre decenas de fabricante y dentro de éstos entre microprocesadores de la misma familia, y entre distintas arquitecturas (CISC, RISC, VLIW, superescalar). Reglas básicas: -Nivel de rendimiento (performance or throughput): Se debe determinar el nivel de tiempo de funcionamiento en el peor de los casos. Los parámetros más importantes son el tiempo del ciclo de instrucción y la velocidad del bus, que deben ser evaluados conjuntamente. Un bus de mayor velocidad con el menor número de ciclos por instrucción es el que proporciona mayor rendimiento. -Tamaño del código: La simplificación de código de programa pasa por disponer de eficientes conjuntos de instrucciones y de modos de direccionamiento (óptimas arquitecturas). Motorola 68HC12 19

20 Reglas básicas: 2.5. Elección del Microcontrolador 2/7 -Latencia de las interrupciones y rendimiento de los periféricos onchip: Condicionados por las especificaciones de la aplicación. - Consumo de potencia: En diversas áreas, el consumo de potencia es el factor determinante, incluso por encima del rendimiento (telefonía móvil, en aparatos médicos como audífonos, marcapasos, etc). La relación MIPS/watt es el parámetro utilizado para catalogarlos. Se produce un balance con respecto a los demás requerimientos del microcontrolador, por ejemplo, puede ser deseable una velocidad del bus más lenta para conseguir menor consumo de potencia. Los micros con tecnología CMOS normalmente tienen un menor consumo que los de tecnología NMOS. Es deseable usar microcos con modos standby o slepp que limitan el consumo de intensidad a varios microamperios cuando están inactivos los circuitos. El consumo de potencia, grosso modo, se suele repartir como un 25% para el procesador, un 50% para las memorias y el 25% restante para los periféricos. Actualmente, existe un amplio abanico de 20 posibilidades de elección de microcontroladores de ultra-bajo consumo.

21 Reglas básicas: 2.5. Elección del Microcontrolador 3/7 - Adaptación a la aplicación: Una vez considerado los requerimientos del sistema en cuanto a rendimiento (elegir entre varias familias de microcontroladores), el siguiente paso es exigir que cumpla los requerimientos de funcionalidad de los periféricos: tamaño de memoria, tipo de memoria (EPROM, Flash,...), número de timer, requerimientos de puertos de E/S, etc. - Compatibilidad: Otro factor importante es contemplar la posibilidad de ampliación del diseño, esto es, que sea compatible con la siguiente generación y proporcione mayores prestaciones, como más memoria, mayor frecuencia,... Esto evitará una nuevo re-diseño del sistema. - Disponibilidad: Se debe asegurar la disponibilidad futura en el mercado, por ello es interesante que existan varios fabricantes del microprocesador, además de que esto proporciona un abaratamiento del coste del micro. Otras consideraciones son asegurarse de que el 21 microcontrolador esté ya en producción y libre de fallos.

22 Reglas básicas: 2.5. Elección del Microcontrolador 4/7 -Soporte y documentación: Debe existir un buen manual de usuario (User's Guide), hoja de datos software y hardware, la mayor cantidad de documentación de aplicaciones ya resueltas (Application Guide) con códigos fuente completos y artículos técnicos y científicos, así como un servicio de consultas accesible cómodamente y con respuestas rápidas ( , fax, teléfono). - Herramientas de desarrollo: Las herramientas de desarrollo, tanto de hardware como de software, son imprescindibles para el desarrollo de la aplicación. Se debe asegurar que sean de alta calidad, no tengan errores (bugs), y con memorias RAM y memorias programables, entre las que se están consolidando las memorias OTP y las FLASH. También, es importante la conexión con un ordenador vía el estándar serie RS-232 o USB. La mayoría de las herramientas de desarrollo actuales tratan de forma totalmente separada el diseño hardware y el diseño software, aunque se están desarrollando herramientas para el co-diseño hardware/software que permite un proceso integrado y más óptimo 22de cada una de las partes del diseño completo.

23 2.5. Elección del Microcontrolador 5/7 23

24 2.5. Elección del Microcontrolador 6/7 Fabricantes de Microcontroladores y DSP s: Analog Devices: DSP SHARC, DSP Blackfin Advanced RISC Machines: ARM11, ARM7, ARM9, CORTEX Atmel: AT91, AVR, VLIW DSP+ ARM7 DSP Group: Palm, Teak, Teaklite Fujitsu: F2MC-16 Infineon: 80C16x, C166S V2 (XC16x), TriCore Intel: 80x51, 80x86, 80x51 Microchip Technology: PIC18Cxxx, dspic Motorola: 68HCXX, 68K, Coldfire, DSP 56K National Semiconductor: CR16x NEC: 78Kx, V850 Philips Semiconductor: XA Renesas (Hitachi+Mitsubishi): , H8/300, H8S/2000, SH, 7700, M16C/6X, M16C/80, M32C STMicroelectronics: STxx, Super 10 Texas Instruments: MSP430, C3x, C4x, C54x, C6x Toshiba: TLCS-900 XEMICS: CoolRISC816, XE8000 Zilog, Inc. : Z80, Z180, ez8 (Z8 Encore), ez80 24

25 2.5. Elección del Microcontrolador 7/7 Empresas de software (RTOS y compiladores): Cosmic: CMX: Hi-Tech: IAR Systems: Keil Software: Paradigm Systems: Tasking: 25

26 URL docente y de aplicaciones: Empresa/Universidad/Dpto. Advanced Micro Devices, Inc. (AMD) URL Advanced RISC Machines Ltd. & Partners Analog Devices, Inc. Atmel Dallas Semiconductor DSP Group, Inc. Hitachi Inc. Universidad de Sevilla. Dpto. Electrónica y Electromagnetismo Universidad de Granada. Dpto. de Electrónica y Tecnología de Computadores Universidad Politécnica de Cataluña. Dpto. de Ingeniería Electrónica Universidad Politécnica de Valencia. Dpto. de Informática de Sistemas y Computadores Universidad Politécnica de Valencia. Dpto. de Ingeniería Electrónica NEC Philips Semiconductors Siemens Components, Inc. (See Infineon) Standard Microsystems Corp. STMicroelectronics Texas Instruments, Inc. Toshiba Triscend XEMICS ZiLOG semiconductor.hitachi.com

27 Bibliografía recomendada [González, 1992]. El capítulo de introducción trata de forma clara, aunque un poco esquemática, los conceptos que se manejarán en este tema. [WEB]. En las páginas Web de los fabricantes se pueden obtener información detallada de las distintas familias de microcontroladores y notas de aplicación sobre diversos diseños. Referencias [1] Bannatyne, R. y Viot, G., "Introduction to Microcontrollers, Part I, Motorola Semiconductor Products Sector, Austin, Texas. WESCON 97, Conference Proceeding, pp [2] Axelson, J., "The Microcontroller Idea Book: Circuits, Programs & Applications featuring the 8052-BASIC", Lakeview Research, 1997, ISBN