Tema 2: Estructura de los Microcontroladores

Transcripción

1 Tema 2: Estructura de los Microcontroladores Grado en Ingeniería Electrónica Industrial. Informática y Comunicaciones Industriales. Prof. Dr. Alejandro Linares Barranco 1

2 Microcontrolador Cygnal 8051F040. Contenido 1. Arduino Introducción y características. 3. CPU Reset. 5. Memoria flash. 6. Memoria externa. 7. Relojes. 8. Puertos de entrada / salida. 2

3 The ATmega168P / 328P 1. Arduino AT = Atmel: Big microcontroller company mega: microcontroller family 16: 16KB Flash memory / 32: 32KB Flash 8: 8-bit architecture P: PicoPower Technology. Optional. For low power battery-based applications. 3

4 1. Arduino 4

5 1. Arduino FTDI Resistors Arrays Regulator 5

6 ATmega16/328P capabilities 1. Arduino System Functions Power and Clock Manager Low Freq Internal Oscillator Watchdog Timer Real-Time Clock Timer Interrupt Controller Fixed priority. One level of interruption. Interruptions with flag (can remember) or without. Global Interrupt Enable (I-bit) is disabled during an interrupt service. NO Universal Serial Bus (USB) This micro hasn t USB. The nano board provide an USB-USART interface from FTDI company. One 16-bit Timer/ Counter (TC) with Auto- Reload and PWM Two 8-bit Timer / Counter (TC) with AR and PWM One 8-channel 10-bit Analog-To-Digital Converter (ADC), 76.9ks/s SPI, USART, I2C 6

7 1. Arduino 7

8 1. Arduino Arduino Nano ATmega328P schematics 8

9 1. Arduino ADC PWM 9

10 Example 1 1. Arduino n Make Arduino pins 3, 5, and 7 (PD3, PD5, and PD7) to be outputs Arduino approach Alternate approach pinmode(3, OUTPUT); pinmode(5, OUTPUT); pinmode(7, OUTPUT); DDRD = 0b ; or DDRD = 0xA8; or DDRD = 1<<PD7 1<<PD5 1<<PD3; 10

11 Example 2 1. Arduino n Make pins Arduino pins 0 and 1 (PD0 and PD1) inputs, and turn on pull-up resistors Arduino approach pinmode(0, INPUT); pinmode(1, INPUT); digitalwrite(0, HIGH); digitalwrite(1, HIGH); Alternate approach DDRD = 0; // all PORTD pins inputs PORTD = 0b ; or PORTD = 0x03; or better yet: DDRD & = ~(1<<PD1 1<<PD0); PORTD = (1<<PD1 1<<PD0); 11

12 1. Arduino Structure of an Arduino Program An arduino program == sketch Must have: setup() loop() setup() configures pin modes and registers loop() runs the main body of the program forever like while(1) { } Where is main()? Arduino simplifies things Does things for you /* Blink - turns on an LED for DELAY_ON msec, then off for DELAY_OFF msec, and repeats BJ Furman rev. 1.1 Last rev: 22JAN2011 */ #define LED_PIN 13 // LED on digital pin 13 #define DELAY_ON 1000 #define DELAY_OFF 1000 void setup() { // initialize the digital pin as an output: pinmode(led_pin, OUTPUT); } // loop() method runs forever, // as long as the Arduino has power void loop() { digitalwrite(led_pin, HIGH); // set the LED on delay(delay_on); // wait for DELAY_ON msec digitalwrite(led_pin, LOW); // set the LED off delay(delay_off); // wait for DELAY_OFF msec } 12

13 Example 3 const int buttonpin = 2; const int ledpin = 13; // the number of the pushbutton pin // the number of the LED pin 1. Arduino // variables will change: int buttonstate = 0; // variable for reading the pushbutton status void setup() { // initialize the LED pin as an output: pinmode(ledpin, OUTPUT); // initialize the pushbutton pin as an input: pinmode(buttonpin, INPUT); } void loop(){ // read the state of the pushbutton value: buttonstate = digitalread(buttonpin); } // check if the pushbutton is pressed. // if it is, the buttonstate is HIGH: if (buttonstate == HIGH) { // turn LED on: digitalwrite(ledpin, HIGH); } else { // turn LED off: digitalwrite(ledpin, LOW); } 13

14 2. Introducción y Características. Características del Cygnal 8051F040. Microcontrolador compatible 8051 con pipeline de alta velocidad (hasta 25 MIPS). Controlador bus CAN 2.0B con 32 mensajes, cada uno con su máscara de identificación. Interfaz de depuración integrada y de alta velocidad. ADC de 12 bits, 100ksps, 8 canales, ganancia programable y con multiplexor analógico integrado. ADC de 8 bits, 500ksps, 8 canales, ganancia programable y multiplexor analógico integrado. 2x DCA de 12 bits Amplificador diferencial de entrada de alto voltaje (60v pico a pico) y ganancia programable. 64K de memoria Flash integrada bytes de RAM interna. Interfaz de Memoria RAM externa de hasta 64Kb de espacio direccionable. SMBus / I 2 C, 2xUART, SPI integrados. 5 timers de propósito general. PCA: contador / timer programable con 6 capturadores / comparadores y Watch Dog. Watch-Dog timer, Vdd Monitor y Sensor de temperatura. 64 puertos I/O tolerantes 5v. 14

15 15

16 2. Introducción y Características. Microcontrolador de alta velocidad Pipeline de instrucciones. El 70% de instrucciones se ejecutan entre 1 y 2 ciclos de reloj. Hasta 25 MIPS con un reloj de 25 MHz. Control de interrupciones extendido. Periféricos analógicos. Convertidor A/D de 12 bits de precisión. Hasta 100 Kmuestras/seg. Hasta 8 entradas externas. Convertidor A/D de 8 bits de precisión. Hasta 500 Kmuestras/seg. Hasta 8 entradas externas. 2 DACs de 12 bits. Comparadores analógicos. Power-on Reset Controlador CAN 2.0B Depuración On-chip. Memoria. 4K RAM interna. 64Kbyte Flash. Periféricos digitales. 64 I/O bits (8x8). SPI, 2xUART, SMBus/I 2 C. 6 contadores/timers 16-bits. 1 PCA 16-bits. Fuentes de reloj. Oscilador interno. Recuperación de reloj. Oscilador externo. Cambio de reloj on-the-fly. 16

17 3. CPU Aumenta el throughput respecto al 8051 estandar, debido al pipeline. 26 instrucciones se ejecutan a razón de 1 ciclo de reloj. 50 instrucciones a razón de 2 ciclos. 5 instrucciones entre 2 y 3 ciclos. 14 instrucciones a razón de 3 ciclos. 7 instrucciones entre 3 y 4 ciclos. 3 instrucciones a razón de 4 ciclos. 1 instrucción entre 4 y 5 ciclos. 2 instrucciones a razón de 5 ciclos. 1 instrucción a razón de 8 ciclos. Total 109 instrucciones en el juego de instrucciones. Las instrucciones de salto condicional tardan un ciclo menos si el salto no se toma. Permite debugging y programación de la Flash en tiempo de ejecución, mediante la interfaz C2. 17

18 3. CPU Juego de Instrucciones. Operaciones Aritméticas. ADD, ADDC, SUBB, INC, DEC, MUL, DIV, DA Operaciones Lógicas. ANL, ORL, XRL, CLR, CPL, RL, RLC, RR, RRC, SWAP Transferencia de datos. MOV, MOVC, MOVX, PUSH, POP, SCH, XCHD Manipulación booleana. CLR, SETB, CPL, ANL, ORL, MOV, J(N)C, J(N)B, JBC Saltos de programa. ACALL, LCALL, RET, RETI, {JMP}, JZ, JNZ, CJNE, DJNZ NOP. Opcode no usado: 0xA5. 18

19 3.2. Organización de la memoria. Memoria temporal Instrucción MOVX 4 bancos de 8 reg. Sel. banco PSW(4:3) - Puntero a Pila: SP. Tras Reset vale 0x07. El primer dato se guarda en R0 del banco 1. - Si usamos la pila configurarla en una zona de RAM libre. 19

20 3.2. Organización de la memoria. SFR: Special Function Registers. Desde dirección 0x80 hasta 0xFF. Organización en páginas. Cada dirección puede tener hasta 256 SFR, uno por página. Nuestro micro F040 implementa 5 páginas: 0,1,2,3 y F. La página se selecciona a través del registro SFRPAGE SFR Page Stack. Pila de páginas de SFR. 3-bytes Cuando salta una interrupción se guarda en pila el SFRPAGE y se usa la página asociada a la interrupción (tabla pag. 154). Cuando acaba la interrupción se restaura la página. Ambas operaciones de forma automática. Únicamente se podrán anidar 2 interrupciones. 20

21 21

22 3.2. Organización de la memoria. Registros. 22

26 3.3. Interrupciones. Soporta hasta 20 fuentes de interrupción diferentes (más el Reset) con 2 niveles de prioridades. Cada interrupción tiene asociado uno o más flags en algún registros especial. Cuando se produce una interrupción el flag se pone a 1. Cuando se activa una interrupción se produce un LCALL a la rutina de servicio de interrupción. El código de esta rutina acabará con RETI. Hay un bit de enable global de interrupciones (EA) y enables para cada interrupción. El flag de interrupción debe ser puesto a cero en la rutina de interrupción. El software puede simular cualquier interrupción poniendo a 1 el flag correspondiente. Hay 2 interrupciones externas /INT0 e /INT1, mapeadas a algún puerto digital, y que pueden configurarse como activas por nivel, flanco, nivel alto o bajo. El tiempo de respuesta ante una interrupción depende del estado de la CPU en el momento de la interrupción. Lo más rápido son 5 ciclos de reloj. Y lo más lento son 18 ciclos si estaba ejecutando un RETI y posteriormente una DIV. Cuando se escribe o lee la Flash la CPU se para (stall) y no ve las interrupciones. 26

27 3.3. Interrupciones. Fuentes de interrupión: Reset /INT0 Timer0 Overflow /INT1 Timer1 Overflow UART0 Timer2 Overflow SPI0 SMB0 ADC0 rango de comparación PCA Comparador 0 Comparador 1 Comparador 2 Timer3 Overflow ADC0 fin de conversión Timer4 Overflow ADC2 rango de comparación ADC2 fin de conversión CAN UART1 27

28 3.3. Interrupciones. 28

34 3.4. Gestión de la alimentación. - Dos modos: Idle y Stop. El primero para la CPU pero deja activa la periferia y el reloj. El segundo detiene también la periferia y el reloj. 34

35 4. Gestión del Reset. 35

36 Power-On Reset. 4. Gestión del Reset. 36

37 4. Gestión del Reset. 37

38 Watchdog Timer 4. Gestión del Reset. 38

39 5. Memoria Flash. Destinada para almacenar código y datos no volátiles. Puede ser escrita en fase de ejecución a través de la interfaz JTAG o mediante la instrucción MOVX. La memoria debe ser borrada antes de volver a escribirla. Mientras la memoria flash se borra o escribe, la CPU se detiene. Las interrupciones deben deshabilitarse antes de escribir o borrar la flash. El borrado es una escritura a 1 de todos los bits de una página de 512 bytes. El procedimiento para programar la Flash es el siguiente: 1. Deshabilitar las interrupciones (recomendado). 2. Poner a uno el bit FLWE del registro FLSCL. Enable de escritura y borrado de la flash. 3. Poner a uno el bit PSEE del registro PSCTL. Enable borrado de flash. 4. Poner a uno el bit PSWE del registro PSCTL. Redirecciona MOVX a la flash. 5. Escribir un byte con MOVX en cualquier posición de los 512 byte de la página a borrar. 6. Poner a cero el bit PSEE del registro PSCTL. 7. Escribir un byte con MOVX en una dirección de la página borrada. Repetir este paso n veces. 8. Poner a cero el bit PSWE del registro PSCTL. 9. Habilitar las interrupciones. 39

40 5. Memoria Flash. Dispone de 128-bytes de flash no disponible para ejecutar código. Se accede activando el bit SFLE del registro PSCTL, en el rango de direcciones 0x00 al 0x7F. Bytes de seguridad para accesos a través de interfaz JTAG en las direcciones: 0xFDFE (lectura) y 0xFDFF(escritura y borrado). Cada bit del byte indica si un bloque de 8k está protegido o no. 40

41 5. Memoria Flash. 41

42 5. Memoria Flash. 42

43 6. Memoria Externa. - El Cygnal 8051 cuenta con 4Kb de RAM externa de usuario (XRAM) on-chip. - Cuenta con un interfaz de datos de memoria externa (EMIF) para ampliar la memoria usando los GPIOs. (O bien P0-P3, o bien P4-P7) - La XRAM puede ser accedida con mapeado directo usando el puntero DPTR o con direccionamiento indirecto, mediante registro R0-R8 (para página activa). - Si el direccionamiento se hace con registro (@R1), los otros 8 bits de la dirección los pone EMI0CN. - Configurar la XRAM: - Seleccionar la EMIF en puertos bajos (P0-P3) o altos (P4-P7). PRTSEL (EMI0CF.5) - Configurar el modo de los puertos de salida en push-pull o open-drain. - Seleccionar el modo multiplexado o no multiplexado. - Seleccionar el modo de memoria (solo on-chip, modo split sin selección de banco, modo split con selección de banco, solo off-chip). 43

44 6. Memoria Externa. 44

46 6. Memoria Externa. -EMI0CF[3:2]= 00 => Sólo on-chip XRAM, que son 4k (sólo se usan los 12 bits LSB dir) -EMI0CF[3:2]= 01 => mapa separado en 2 partes: on-chip y off-chip. Sin selección banco. -EMI0CF[3:2]= 10 => idem con selección de banco. -EMI0CF[3:2]= 11 => on-chip XRAM está oculta. Util para acceder a los 4k bajos de offchip XRAM. 46

50 7. Relojes. - C8051F320 incluye: Reloj interno. Circuitería para reloj externo. - La frecuencia del reloj interno puede modificarse usando OSCICL para ajustarlo entre 24 y 25 MHz. Tras el reset el valor de OSCICL se ajusta automáticamente para un frecuencia de 24.5MHz - El reloj externo puede ser de 30 MHz como máximo. 50

51 7. Relojes. 51

52 7. Relojes. 52

53 - 64 pines E/S en 8 puertos de 8 bits. P0, P1, P2 y P3 puede configurarse como GPIO, de periférico. P1 entrada para A D C 2, P 2 c o m p a r a d o r analógico y P3 entrada ADC0. - El Crossbar permite conectar cualquier dispositivo interno con los pines de P0 a P3 según prioridades. - Procedimiento de inicialización de los puertos: 1. Escribir en los reg. PnMDIN los modos analógico (menos P0) o digital de los puertos de entrada. 2. PnMDOUT indica si la salida digital es push-pull o open-drain. 3. Asignar los puertos a los periféricos con XBR0 XBR3. 4. Habilitar el Crossbar (XBARE = 1 ). 8. Puertos Entrada / Salida. 53

54 8. Puertos Entrada / Salida. 54

58 8. Puertos E/S => P0, P4-P7. 58

59 8. Puertos E/S => P1. 59

60 8. Puertos E/S => P1-P3. 60

61 8. Puertos E/S => P2. 61

62 8. Puertos E/S => P2. 62

63 8. Puertos E/S => P3. 63

64 8. Puertos E/S => P3. 64

65 8. Puertos E/S => P4. - P4 a P7 sólo pueden usarse como GPIO o para acceder a la memoria externa. 65

66 8. Puertos E/S => P5. 66

67 8. Puertos E/S => P6. 67

68 8. Puertos E/S => P7. 68