Sistemas con Microcontroladores y Microprocesadores

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1 Sistemas con Microcontroladores y Microprocesadores Objetivos Al terminar el curso, el estudiante estará capacitado para: 1. Entender funcionalmente cómo trabaja un sistema de computadora: Describir los pasos que se realiza para ejecutar un programa en CPUs con distintas estructuras de buses internos. Comparar las distintas estructuras de buses del CPU en función de la performance. Describir cómo se realiza la comunicación del CPU con el mundo exterior: conexión de Memoria y dispositivos de E/S. Describir características de los dispositivos de E/S. Manejar lenguajes formales para la descripción del Set de Instrucciones. Describir ventajas y desventajas de programar en Assembler Vs. Lenguaje Superior. 2. Interconectar circuitos integrados similares (contadores, registros de desplazamiento) aprovechando y manteniendo la modularidad y regularidad de su diseño. 3. Escribir programas en lenguaje ensamblador y ejecutarlos en un simulador de un microcontrolador MC68HC Describir los diversos módulos internos y el mapa de Memoria del MC68HC08QY4. 5. Ampliar la capacidad limitada de conexión de E/S de un microcontrolador mediante diversos métodos: Decodificador Externo. Conversión Serie / Paralelo y viceversa mediante un Shift Register. Matriz de conexión de contactos. 6. Emplear el módulo de Interrupciones y los puertos de E/S para: Diseño de un sistema con reloj. Conectar y manejar dispositivos externos al microcontrolador. Manejar la entrada y salida de datos sincrónica o asincrónica, en modo byte o modo bloque, por programa principal o por interrupciones. Comparar las diferentes alternativas. Calcular la caída en performance del CPU debido a las interrupciones. Calcular la Cantidad máxima de dispositivos que pueden transferir datos a un CPU a una tasa determinada. Calcular la tasa máxima de transferencia de datos entre un dispositivo y el microcontrolador. 7. Describir el funcionamiento de un sistema de Acceso Directo a Memoria para transferir datos hacia y desde un periférico mediante robo de ciclo o mediante transferencias de bloques completos. Calcular medidas de performance para compararlas con los otros métodos de Entrada / Salida de datos.

2 8. Emplear el módulo de Temporizadores y sus canales en el MC68HC08 para el diseño de diversas soluciones: Medición de tiempo entre dos eventos. Medición de frecuencia de una señal periódica. Medición de Duty Factor de una señal periódica. Generación de señales periódicas. Generación se de una señal modulada en ancho de pulso (PWM). Diseño de un sistema con reloj. 9. Usar manuales del fabricante para aplicar los conocimientos obtenidos en el curso en otros dispositivos internos, como por ejemplo el conversor A/D y el módulo de teclado. 10.Emplear los conceptos aprendidos en el curso para encarar el diseño de un sistema embebido. Nota1: El aprendizaje real de la materia no puede llevarse a cabo sin estudiar y usar un microprocesador o un microcontrolador del mercado. Se ha elegido para ello el microcontrolador MC68HC08. Habida cuenta de que los microcontroladores han reemplazado por completo a los microprocesadores de 8 bits, se toma el núcleo de dicho microcontrolador, el CPU08 (muy similar al M6800), como paso previo para entender el funcionamiento del microcontrolador. Las razones de la selección del microcontrolador son las siguientes: a) Amplia disponibilidad y uso en el mercado, tanto de los microcontroladores como de herramientas de desarrollo. Costos muy accesibles con amplia posibilidad de acceso por parte de los estudiantes y de la Cátedra. b) Disponibilidad en la Cátedra, en consecuencia, posibilidad de realizar prácticas con él. c) No representa pérdida de generalidad. El estudiante necesitará muy poco esfuerzo para usar otros microprocesadores y microcontroladores. Articulación: El aprendizaje de sistemas embebidos se encara de manera vertical. Concretamente, los conceptos básicos se aprenden en profundidad a partir de un microcontrolador de 8 bits. El estudiante contará con una base para encarar el aprendizaje y aplicación a otros procesadores y sistemas embebidos. Sistemas de tiempo real se aprenden en la asignatura Sistemas Operativos. Arquitectura de procesadores embebidos se estudian comparativamente con procesadores de propósito general en la asignatura Arquitectura de Computadoras. El lenguaje que se enseña es assembler, ya que C se enseña en materias previas de programación. Una integración completa se realiza en la materia optativa Laboratorio de Microprocesadores.

3 Requisitos de Regularización y Promoción del Curso La materia es de tipo Promocional, en función de las siguientes condiciones: 1. Aprobación de todos los trabajos de laboratorío. 2. Promedio superior o igual a 40/100 en las evaluaciones de práticos y laboratorios. 3. Asistencia superior o igual al 80% de las evaluciones de prácticos. 4. Aprobar los dos parciales. Evaluación La evaluación será del tipo distribuida, entre los exámenes parciales. Se tendrá en cuenta, además, el rendimiento del estudiante en los ejercicios prácticos, la participación en clase la que se evaluará mediante cuestionarios sorpresa. Horarios Se dictarán clases tres veces por semana: dos clases teóricas y otra práctica de dos horas cada una. El horario definitivo se fijará de común acuerdo con los estudiantes durante la clase inicial. Forma de Dictado La materia se dictará en forma modular. Comprenderá dos módulos, de idéntica duración cada uno de ellos. La evaluación de cada módulo se realizará mediante la aprobación del correspondiente examen parcial.

4 MATERIAS CORRELATIVAS 1. Diseño Lógico I (regular para cursar, aprobada para rendir). 2. Estructura de Datos y Algoritmos (ídem anterior). 3. Electrónica I (aprobada para cursar). Personal Docente A cargo de la materia y su dictado: Ing. Eduardo Daniel Cohen. A cargo de trabajos Prácticos: Ing. Esteban Volentini, Ing Maximiliano Cecilia.

5 PROGRAMA ANALÍTICO MODULO I: Introducción a Arquitectura de Computadoras, Programación del MC68HC Introducción a la Estructura de Computadoras. Configuración básica. Programa e Instrucciones. Unidad Central de Procesamiento (CPU). Camino de Datos y Control. Bus: implementación mediante conexión con tercer estado y colector abierto. Memorias: Primario y Secundario. RAM, ROM, PROM y EPROM. Tiempos. Interacción CPU-Memoria. Formato de la Instrucción. Ciclo de la instrucción. Tipos de Instrucciones. Arquitectura del Set de Instrucciones. Lenguaje de Transferencia de Registros (RTN) abstracto y concreto. Ejemplo de funcionamiento de un CPU. Interrupciones y Excepciones. Lenguajes: de máquina, ensambladores, superiores. Concepto de Sistema Operativo, ensamblador, compilador e intérprete. 2. ISA del Microcontrolador MC68HC08 (CPU08). Descripción General. Estructura Interna: Camino de Datos, Control, Buses. Tiempo de ejecución de las instrucciones. Ciclo de la Instrucción. Formato de las instrucciones. Modos de direccionamiento: implicado, inmediato, de registros, de registro indirecto, directo, indexado, modo bit, página cero y relativo. Stack. Registro de Código de Condición: Flags. Tipos de Instrucciones. Set de Instrucciones. Ejemplos. 3. Conceptos de Programación. Lazos. Pilas. Subrutinas. Pasaje de Parámetros. Subrutinas Anidadas y Recursivas. Transparencia. Ejemplos. MODULO II: Conceptos de Hardware y su aplicación al MC68HC Sistema de Microcomputador. Mapas de memoria con y sin redundancia. Conexión CPU M E/S. Señales. Conexión de dispositivos externos: registros, contadores, buffers, drivers/receivers. Dispositivos Externos configurables mediante Registro de Configuración y Status. Ejemplos. 5. Sistema de Interrupciones. El concepto de la interrupción. Interrupciones múltiples: conexiones, prioridades, método de polling o encuestas, controlador de prioridades de interrupción (PIC), conexión "Daisy Chain". Interrupciones anidadas. Excepciones. Inicialización del sistema: Reset. Implementación en el CPU08. Módulo de Interrupciones de la familia MC68HC Descripción General del Microcontrolador MC68HC908QY4. El concepto de Familia de Microcontroladores. Pins de conexión externa. Descripción de módulos: Oscilador, SIM (Módulo de Integración del Sistema), Puertos de E/S, Conversor A/D, Temporizadores, Interrupción Externa, KBI (Módulo de Teclado), AWU (módulo de autodespertador), COP (computadora operando propiamente), LVI (inhibidor por baja tensión), BREAK (módulo de parada para debugging), MON (Módulo Monitor), Memoria FLASH y RAM.

6 7. Dispositivos de E/S. Puertos de Entrada/Salida. Modos de Trabajo y Configuración. Esquema Circuital. Ejemplos de aplicación: conexión de Hw Externo. Métodos de expansión de conexiones externas: Shift Register, Decodificador y buffers. 8. Sistema de Entrada-Salida (I/O). Arquitectura de un sistema embebido: control, adquisición de datos, automatización. Interfases. Comparación con Sistemas Analógicos y Digitales de lógica cableada. Confiabilidad y Disponibilidad. Entrada / Salida de Datos. Protocolos de comunicación sincrónicos y asincrónicos. Transferencia de datos entre periféricos y memoria: por programa, por interrupción, por acceso directo a memoria (DMA). Velocidad de transferencia. Comparación. Acceso directo a memoria (DMA): modo de bloques y robo de ciclo. Ejemplos. Limitaciones con dispositivos lentos. Limitaciones con dispositivos rápidos. Efecto de E/S de datos por interrupciones y DMA en la performance del CPU. Ejemplo de un sistema con dos tareas e interconexión entre ellas: E/S y procesamiento de datos con buffers intercambiables. 9. Temporizadores. Descripción General. Esquema Circuital. Configuración. Eventos de Entrada. Modo Input Capture. Eventos de Salida. Modos Output Capture, asincrónico y sincrónico. Nociones básicas de Modulación. PWM. Ejemplos: medición de frecuencia de una señal externa, medición del duty cycle, generación de una señal periódica, generación de PWM. Diseño de un reloj. Módulo III. Seminarios de Diseño. 10.Diseño de Sistemas Embebidos. Esquema general de diseño y programación de un sistema embebido. Ejemplo de diseño completo de un sistema embebido. Seminarios de diseño a cargo de los estudiantes.

7 11.TRABAJOS PRÁCTICOS MODULO I 1. Estructura Interna del Microprocesador. Laboratorio. 2. Programación del CPU Programación del CPU08-2. MODULO II 4. Conexión de Memoria y Dispositivos programables al CPU Interrupciones. 6. Conexión de dispositivos externos al MC68HC08 mediante el puerto paralelo. 7. Interrupciones. 8. Entrada / Salida. Conexión sincrónica y asincrónica. 9. Temporizadores. BIBLIOGRAFÍA 1. CPU08 Reference Manual, Motorola Inc., Rev 3, 2/ MC68HC08 Microcontrolers. Motorota Semiconductors. Rev 0, 8/ Heuring, Vincent.; Jordan, Harry F. Computer Systems Design and Architecture. Addison-Wesley, Tocci Ronald J. Widmer Neal S. Moss Gregory L. Sistemas Digitales, 10ª Edición - Pearson Education México

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