UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE LA COSTA SUR DIVISIÓN DE DESARROLLO REGIONAL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍAS

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE LA COSTA SUR DIVISIÓN DE DESARROLLO REGIONAL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍAS Ingeniero en Teleinformática Técnico Superior Universitario en Teleinformática ANTOLOGÍA Lecturas de Apoyo de Arquitectura de Computadoras Por: M. I. E. Jorge Arturo Pelayo López M. C. Karen Hernández Rueda Junio de 2009

2 ANTOLOGÍA Lecturas de Apoyo de Arquitectura de Computadoras Ingeniero en Teleinformática Técnico Superior Universitario en Teleinformática Créditos: M. I. E. Jorge Arturo Pelayo López M. C. Karen Hernández Rueda Junio de 2009

3 ÍNDICE Unidad 1: Introducción a la estructura de computadoras Introducción El modelo de von Neumann El modelo de interconexión a través de bus La arquitectura Harvard... 7 Tipos de computadoras Lenguajes, compiladores e interpretadores.. 10 Qué es un microcontrolador? Unidad 2: Introducción al microprocesador Z Arquitectura del microprocesador Z Programación Mnemónicos Modos de direccionamiento Unidad 3: Introducción al microcontrolador ATtiny Características del Arquitectura microcontrolador ATtiny Configuración de los pines Diagrama de bloques Descripción de los pines Memorias del microcontrolador ATtiny El oscilador de cristal El reloj externo. 49 Auto programador del flash.. 50 Corriente vs frecuencia. 51 Mnemónicos del attiny Características físicas del chip. 54 Referencias bibliográficas i

4 PRÓLOGO La presente antología está dirigida a estudiantes que cursan la materia de Arquitectura de Computadoras, asignatura que se imparte en las carreras de Ingeniero en Teleinformática y Técnico Superior Universitario en Teleinformática que se ofertan en el Centro Universitario de la Costa Sur. En la primera unidad se describe se describen las dos grandes arquitecturas de computadoras como lo son la de von Neumann y la arquitectura Harvard. También se muestra una clasificación de los tipos de computadoras existentes. Así mismo, define al lenguaje de programación, a los compiladores e interpretes. Por ultimo se describe al microcontrolador y la comparación con el microprocesador. En la segunda se describe la arquitectura del microprocesador Z80. También se describe la programación y los mnemónicos así como los modos de direccionamiento para este microprocesador. En la tercera unidad se describe al microcontrolador ATtiny2313 de la familia Atmel. Se describen sus principales características, la configuración de sus pines, el diagrama de bloques. También se describen sus 120 mnemónicos para su programación. Finalmente en la sección de referencias bibliográficas se muestran las fuentes de donde se obtuvo la información para la elaboración de esta antología. ii

5 UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA ESTRUCTURA DE COMPUTADORAS RESUMEN En esta unidad se describen las dos grandes arquitecturas de computadoras como lo son la de von Neumann y la arquitectura Harvard. También se muestra una clasificación de los tipos de computadoras existentes. Así mismo, define al lenguaje de programación, a los compiladores e interpretes. Por ultimo se describe al microcontrolador y la comparación con el microprocesador. 1

6 INTRODUCCIÓN Fuente: monografias.com, (2009). Arquitectura de las computadoras. Extraído el 17 de junio de 2009, desde El concepto de arquitectura en el entorno informático proporciona una descripción de la construcción y distribución física de los componentes de la computadora. La arquitectura de una computadora explica la situación de sus componentes y permite determinar las posibilidades de que un sistema informático, con una determinada configuración, pueda realizar las operaciones para las que se va a utilizar. En la actualidad es muy familiar el aspecto exterior de una computadora o, por lo menos, de una microcomputadora; pero se ha de advertir que, salvando las diferencias de tamaño y la posibilidad de teleproceso (manejo del sistema informático a grandes distancias a través de líneas de comunicaciones de diferentes tipos), en general, los sistemas informáticos se dividen físicamente en la unidad central del sistema y los periféricos que permiten conectarlo al mundo exterior. La Unidad Central del Sistema es un habitáculo en forma de caja donde se sitúa el «cerebro» de la computadora, esto es, la unidad central de proceso (CPU), así como los distintos componentes que van a ayudar al sistema informático en sus operaciones habituales (bus, memorias, fuentes de alimentación eléctrica, etcétera). La unidad central de proceso se compone de: Una Unidad de Control que manejará los diferentes componentes del sistema informático así como los datos a utilizar en los diferentes procesos. Una Unidad Aritmético-Lógica que realizará las diferentes operaciones de cálculo en las que la computadora basa su funcionamiento. Unos Registros del Sistema que sirven como área de trabajo interna a la unidad central de proceso. La unidad central de proceso se conecta a una serie de memorias que le sirven como soporte para el manejo de los datos y programas que se han de utilizar mientras se encuentre operativa. Las diferentes memorias del sistema informático (Random Access Memory o RAM y Read Only Memory o ROM) son componentes fundamentales de la computadora ya que van a ser, en el caso de la RAM, el área de trabajo donde el microprocesador va a realizar las diferentes operaciones en que se van a descomponer los procesos solicitados por el usuario, mientras que la ROM va a servir para ayudar a la computadora a realizar las diferentes 2

7 operaciones de arranque del sistema informático previas a que el sistema operativo tome el control de las diferentes tareas a realizar. La unidad central de proceso y las memorias se conectan entre ellas por medio del bus. El bus es un enlace de comunicaciones que conecta todos los componentes que configuran el sistema informático y permite la transferencia de información entre ellos. Esta información se compone de datos y órdenes de comandos para manipular los datos. Existen varias tecnologías de diseño y construcción de buses entre las que se pueden distinguir las arquitecturas ISA, EISA y MCA que se verán más adelante. Otros componentes que se conectan al bus son los puertos de conexión de los diferentes periféricos asociados a la unidad central del sistema de la computadora y que van a permitir configurar el sistema informático para una serie diferente de operaciones funcionales que siempre han de cubrir las necesidades del usuario. Es evidente que la configuración de un sistema informático ha de realizarse en función de los objetivos operativos que vaya a cubrir la citada computadora. Así, un sistema informático que se va a dedicar exclusivamente a CAD/CAM (diseño asistido por computadora) no tendrá una configuración similar a la de una computadora que va a dedicarse a controlar los diferentes enlaces de comunicaciones que componen una red informática. Los diferentes periféricos que se pueden conectar a un sistema informático se dividen en cuatro grupos principales: Periféricos de Entrada de Información. Periféricos de Almacenamiento de Información. Periféricos de Salida de Información. Periféricos de Comunicaciones. 3

8 EL MODELO DE VON NEUMANN Fuente: Murdocca, M. J., (2002). Principios de arquitectura de computadoras. El modelo de von Neumann. Editorial Prentice Hall. Pág Las computadoras digitales convencionales presentan un aspecto común que se atribuye a Von Neumann, aunque los historiadores coinciden en que el diseño en cuestión fue obra de todo el equipo. El modelo de Von Neumann consta de cinco componentes principales, tal como lo ilustra la siguiente figura. La unidad de entrada provee las instrucciones y los datos requeridos por el sistema, los que se almacenan en la unidad de memoria. Las instrucciones y los datos se procesan en la unidad aritmético-lógica (ALU) bajo la dirección de la unidad de control. Los resultados obtenidos se envían a la unidad de salida. El conjunto construido por las unidades aritmético-lógico y de control se designa habitualmente bajo el nombre de unidad central de proceso (CPU). La mayoría de las computadoras comerciales pude descomponerse en estas cinco unidades. Unidad de memoria Unidad de Entrada Unidad Aritmetico -logica Unidad de Salida Unidad de control Una computadora digital según el modelo de Von Neumann. Las flechas gruesas representan rutas de datos. Las flechas más finas representan rutas de control. 4

9 El programa almacenado es el aspecto más importante del modelo von Neumann. Los programas se almacenan en la memoria de la computadora junto con los datos a procesar. Si bien en la actualidad podemos plantear esto como un hecho concreto, antes del desarrollo de las computadoras de programa almacenado, los programas se almacenaban en un medio externo, tales como los tableros de clavijas-anteriormente mencionados-, cintas o tarjetas perforadas. En la computadora de programa almacenado, el programa puede manipularse como si se tratara de datos. Este concepto da origen a los compiladores y sistemas operativos, y es la basa de la gran versatilidad del as computadoras modernas. EL MODELO DE INTERCONEXIÓN A TRAVÉS DE BUS Fuente: Murdocca, M. J., (2002). Principios de arquitectura de computadoras. El modelo de von Neumann. Editorial Prentice Hall. Pág Si bien el modelo von Neumann prevalece en la estructura de las actuales computadoras el mismo ha sido modernizado. La siguiente figura muestra el modelo de una computadora que utiliza el sistema de interconexión a través, de los que se denomina bus del sistema. El modelo considera que el sistema de computación está constituido por tres subconjuntos la CPU, la memoria y la entrada-salida (E/S). Este refinamiento del modelo con Neumann combina a la ALU y la unidad de control en un solo bloque funcional, la CPU. Las unidades de entrada y salida se combinan, asimismo, en una única unidad de entrada-salida. Lo más importante de este modelo es que realiza las comunicaciones entre los componentes por medio de un camino compartido conocido como bus del sistema, constituido a su vez por un bus de datos (que transporta la información que se está trasmitiendo), un bus de direcciones (que determina hacia donde está siendo enviada dicha información) y un de control (que determina hacia donde está siendo enviada dicha información). Existe también un bus de alimentación, que lleva energía eléctrica a los componentes. Este último no figura en los esquemas pero se sobre entiende su presencia. Algunas arquitecturas pueden tener, además de los anteriores, un bus de entrada-salida. Físicamente, los buses están constituidos por conjuntos de cables agrupados de acuerdo con su función. Un bus de datos de 32 bits contiene 32 cables individuales, cada uno de los cuales trasporta un bit de datos (distinguiéndolo de la información de direcciones duales clasificados de acuerdo con su función. El bus de datos trasporta datos entre los componentes del sistema. Algunos sistemas tienen buses de datos separados para el ingreso o la salida de información hacia o desde la CPU, en cuyo caso existan un bus de entra de datos y otro bus de salida de datos. Pero más a menudo, un único bus de datos cumple con la función de transportar los datos en una u otra dirección, aunque nunca en ambas direcciones en forma simultánea. 5

10 Bus del Sistema Antología de Arquitectura de Computadoras CPU (ALU, registros y unidad de control) Memoria Entrada- Salida (E/S) Bus de datos Bus de direcciones Bus de control El modelo de un sistema de computación basado en un bus. (Aportado por Donald Chiarulli, Universidad de Pittsburg). Si el bus tiene ser compartido por diferentes elementos que se comunican entre sí, los elementos deben tener identidades distintas: direcciones. En algunas computadoras, todas las direcciones se suponen direcciones de memoria sin importar que formen parte de las memoria del sistema o que, en realidad, sean dispositivos de entrada-salida separadas. La localización o dirección de memoria identifica una celda de memoria en la que se almacena información, tal como se utiliza la dirección postal para identificar el lugar en que un individuo recibe o envía correspondencia. Durante una operación de lectura o escritura debe leerse o escribirse el dato. Debe notarse que las expresiones lectura y escritura se plantean con respecto a la CPU: la CPU lee datos desde la memoria y los escribe en la memoria. Si se requiere leer un dato desde la memoria, el bus de datos contendrá el valor leído desde la celda de memoria seleccionada. Si la información se escribiera en memoria, el bus de datos contendría el valor de dato que se pretende almacenar en la memoria. El bus de control es algo bastante más complejo, por lo que el análisis de este bus que dará diferido para capítulos posteriores. Por el memento, el bus de control pude considerarse como el elemento que permite la coordinación de acceso a los buses de datos y de direcciones, y la orientación de datos hacia componentes específicos. 6

11 LA ARQUITECTURA HARVARD Fuente: Angulo Usategui, J. M., Angulo Martínez, I., (2003). Microcontroladores PIC Diseño práctico de aplicaciones, tercera edición. Qué es un microcontrolador? Editorial Mc Graw Hill. Pág En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos cada una dispone de su propio sistema de buses de acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos. También la capacidad de cada memoria es diferente (siguiente figura) UCP BUS DE DIRECCION DE INSTRUCCIONES 14 UCP BUS DIRECCION DE DATOS 8 UCP BUS DE INSTRUCCIONES BUS DE DATOS En la arquitectura <<Harvard>> la memoria de instrucciones y la de datos con independientes, lo que permite optimizar sus características y propiciar el paralelismo. En la figura, la memoria de instrucciones tiene 1 K posiciones de 14 bits cada una, mientras que la de daros sólo dispone de 512 posiciones de un byte. 7

12 TIPOS DE COMPUTADORAS Fuente: Martínez Garza, J., Olvera Rodríguez, J. A., 2(000). Organización y arquitectura de computadoras. Tipos de computadoras. Editorial Prentice Hall. Pág De acuerdo con su capacidad, las computadoras digitales han catalogado tradicionalmente como supercomputadoras, equipos principales (MAIN FREAMES), minicomputadoras y microcomputadoras. Las supercomputadoras tienen la mayor capacidad de cómputo y almacenamiento y su costo es del orden de 10 veces el de un equipo principal. Estas maquinas generalmente se utilizan en centros de investigación, algunas universidades y empresas que tienen necesidad de procesar grandes volúmenes de información. Las aplicaciones a que se dedican son cálculos científicos, diseño y simulación principalmente. Los equipos principales incluyen computadoras digitales con gran capacidad tanto de procesamiento como de memoria principal y almacenamiento secundario. Estos sistemas computacionales son costosos y generalmente son utilizados como sistemas centrales corporativos. Las minicomputadoras son equipos que tienen capacitada de procesamiento y almacenamiento en un rango intermedio. Originalmente, el termino se usaba para describir computadoras digitales cuya unidad central de proceso, que es la que ejecuta las instrucciones y controla la operación de la maquina, estaba contenida en una sola tarjeta de circuito impreso. Su costo es del orden de 10 veces menor que el de los equipos principales. Su aplicación es similar a los equipos centrales para empresas pequeñas o medianas. Las microcomputadoras, en su definición original, son computadoras digitales con la característica de que toda la unidad central de proceso esta contenida en un solo circuito integrado. El costo de estos equipos es aproximadamente 100 veces menor que el de un equipo principal pero su capacidad de computo y almacenamiento es menor que el de una minicomputadora. En la actualidad, las definiciones anteriores que no son tan claras, principalmente entre minicomputadoras y microcomputadoras dado que los avances en electrónica de estado sólido han permitido construir computadoras cuyo procesador esta en un solo circuito integrado, pero que tienen una capacidad de computo similar a la que tenían los equipos principales de hace 10 o 15 años. Actualmente tiene mayor sentido pensar en términos de esta otra clasificación: computadoras personales, estaciones de trabajo, equipos principales y supercomputadoras. Las computadoras personales son microcomputadoras de bajo costo, entre las que se incluyen computadoras de escritorio y computadoras portátiles. Tanto su capacidad de computo como de almacenamiento continúan creciendo a medida que avanza la tecnología, sin embargo, son las que tienen la menor capacidad de computo. Las principales que se 8

13 usan en estos equipos son procesamiento de texto hojas de cálculo, diseño de presentaciones, agendas personales, correo electrónico, pequeñas bases de datos, interconexión a redes de cómputo y aplicaciones de tipo personal. Las estaciones de trabajo son computadoras cuyo costo es aproximadamente de 3 a 10 veces el de una computadora personal. Tienen mayor capacitada de cómputo y almacenamiento, lo cual se les permite realizar tareas más complejas. Estos equipos en general se enfocan a aplicaciones industriales o científicas y en la mayoría de las veces están conectadas a unas computadoras principales. En las estaciones de trabajo se visualizan los resultados de las aplicaciones que se ejecutan en un equipo principal y que requieren gran capacidad de cómputo, como sistemas de diseño asistido por computadora. Una característica importante de las estaciones de trabajo es que cuentan con pantallas de video de alta resolución. Actualmente, la definición de equipo principal y supercomputadora siguen siendo validos, si bien es cierto que estas maquinas aumentan su capacidad de computo y almacenamiento a pasos agigantados. Dentro de las supercomputadoras también existen dos tipos principales: las computadoras vectoriales y los multiprocesadores. Las computadoras vectoriales cuentan con procesadoras vectoriales, los cuales pueden realizar una misma operación sobre un conjunto de datos en forma simultánea. Por otro lado, los multiprocesadores son computadoras que tienen varios procesadores independientes entre los cuales se distribuyen las operaciones que tienen que realizarse para resolver un mismo problema. Finalmente, existen cierto tipo de computadoras de propósito especial, como las utilizadas en aplicaciones de control de dispositivos específico y videojuegos. 9

14 LENGUAJES, COMPILADORES E INTERPRETADORES Fuente: Lenguajes de Programación, (2009). Lenguajes de programación. Extraído el 18 de junio de 2009, desde Los lenguajes de programación son herramientas que nos permiten crear programas y software. Entre ellos tenemos Delphi, Visual Basic, Pascal, Java, etc. Una computadora funciona bajo control de un programa el cual debe estar almacenado en la unidad de memoria; tales como el disco duro. Los lenguajes de programación de una computadora en particular se conocen como código de máquinas o lenguaje de máquinas Estos lenguajes codificados en una computadora específica no podrán ser ejecutados en otra computadora diferente. Para que estos programas funcionen para diferentes computadoras hay que realizar una versión para cada una de ellas, lo que implica el aumento del costo de desarrollo. Por otra parte, los lenguajes de programación en código de máquina son verdaderamente difíciles de entender para una persona, ya que están compuestos de códigos numéricos sin sentido nemotécnico. Los lenguajes de programación facilitan la tarea de programación, ya que disponen de formas adecuadas que permiten ser leídas y escritas por personas, a su vez resultan independientes del modelo de computador a utilizar. Los lenguajes de programación representan en forma simbólica y en manera de un texto los códigos que podrán ser leidos por una persona. Los lenguajes de programación son independientes de las computadoras a utilizar. Existen estrategias que permiten ejecutar en una computadora un programa realizado en un lenguaje de programación simbólico. Los procesadores del lenguaje son los programas que permiten el tratamiento de la información en forma de texto, representada en los lenguajes de programación simbólicos. Hay lenguajes de programación que utilizan compilador. La ejecución de un programa con compilador requiere de dos etapas: 1) Traducir el programa simbólico a código máquina 2) Ejecución y procesamiento de los datos. Otros lenguajes de programación utilizan un programa intérprete o traductor, el cual analiza directamente la descripción simbólica del programa fuente y realiza las instrucciones dadas. 10

15 El intérprete en los lenguajes de programación simula una máquina virtual, donde el lenguaje de máquina es similar al lenguaje fuente. La ventaja del proceso interprete es que no necesita de dos fases para ejecutar el programa, sin embargo su inconveniente es que la velocidad de ejecución es más lenta ya que debe analizar e interpretar las instrucciones contenidas en el programa fuente. 11

16 QUÉ ES UN MICROCONTROLADOR? Fuente: Angulo Usategui, J. M., Angulo Martínez, I., (2003). Microcontroladores PIC Diseño práctico de aplicaciones, tercera edición. Qué es un microcontrolador? Editorial Mc Graw Hill. Pág Es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de un computador. Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y, debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo al que gobierna. Esta ultima característica es la que le confiere la denominación de >>controlador incrustado>> (embedded controller). El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria solo reside un programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida soportan el conexionado de los censores y actuadotes del dispositivo a controlar, y todos los recuerdos complementarios disponibles tienen como única finalidad atender sus requerimientos. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve para gobernar la tarea asignada. Un microcontrolador es un computador completo, aunque de ilimitadas prestaciones, que está contenido en el chip de un circuito integrado y se destina a gobernar una sola tarea. Diferencia entre microprocesador y microcontrolador El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP) también llamada procesador, de un computador. La UCP esta formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las ejecuta. Las patitas de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los Módulos E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse un computador con las características que se desee, acoplándole los módulos necesarios. Un microcontrolador es un sistema cerrado que contiene un computador completo y de prestaciones limitadas que no se pueden modificar. 12

17 MICROPROCESADOR BUS DE DIRECCIONES μp BUS DE DATOS BUS DE CONTROL MEMORIA CONTROLADOR 1 CONTROLADOR 2 PERIFÉRICOS PERIFÉRICOS Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. La disponibilidad de lo buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicación. MICROCONTROLADOR PERIFÉRICOS μc PERIFÉRICOS El microcontrolador en un sistema cerrado. Todas las partes del computador están contenidas en su interior y sólo salen del exterior las líneas que gobiernan los periféricos. Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un despilfarro. En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más 13

18 sencillos hasta los más poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo aquello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a utilizar. Arquitectura interna Un microcontrolador posee todos los componentes de un computador, pero con unas características fijas que no pueden alterarse. Las partes principales de un microcontrolador son: 1. Procesador 2. Memoria no volátil para contener el programa 3. Memoria de lectura y escritura para guardar los datos 4. Línea de E/S para los controladores de periféricos: a) Comunicación paralelo b) Comunicación serie c) Diversas puertas de comunicación (bus 1 2 C, USB, etc.) 1. Recursos auxiliares: a) Circuito de reloj b) Temporizadores c) Perro Guardián ( <<watchdog>>) d) Conversores AD y DA e) Comparadores analógicos f) Protección ante fallos de la alimentación g) Estado de reposo o de bajo consumo A continuación se pasa revista a las características más representativas de cada uno de los componentes del microcontrolador. El procesador La necesidad de conseguir elevados rendimientos en el procesamiento de las instrucciones ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura de Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de von Neumann. Esta última se caracterizaba porque la UCP (Unidad Central de Proceso) se conectaba con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses (véase siguiente figura). 14

19 BUS COMÚN DE DIRECCIONES MEMORIA UCP 8 BUS DE DATOS E INSTRUCCIONES INSTRUCCIONES + DATOS En la arquitectura de <<von Neumann>> la UCP se comunicaba a través de un sistema de buses con la Memoria, donde se guardaban las instrucciones y los datos. En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos cada una dispone de su propio sistema de buses de acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos. También la capacidad de cada memoria es diferente (siguiente figura) UCP BUS DE DIRECCION DE INSTRUCCIONES 14 UCP BUS DIRECCION DE DATOS 8 UCP BUS DE INSTRUCCIONES BUS DE DATOS En la arquitectura <<Harvard>> la memoria de instrucciones y la de datos con independientes, lo que permite optimizar sus características y propiciar el paralelismo. En la figura, la memoria de instrucciones tiene 1 K posiciones de 14 bits cada una, mientras que la de daros sólo dispone de 512 posiciones de un byte. El procesador de los modernos microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción. Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fenómeno del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez. 15

20 El alto rendimiento y elevada velocidad que alcanzan los modernos procesadores, como el que poseen los microcontroladores PIC, se debe a la conjunción de tres técnicas: Arquitectura Harvard Computador tipo RISC Segmentación 16

21 UNIDAD 2 INTRODUCCIÓN AL MICROPROCESADOR Z80 RESUMEN En esta unidad se describe la arquitectura del microprocesador Z80. También se describe la programación y los mnemónicos así como los modos de direccionamiento para este microprocesador. 17

22 ARQUITECTURA DEL MICROPROCESADOR Z80 Fuente: Uruñuela M., J. M., (1989). Mircroprocesadores, Programación e interconexión, segunda edición. Editorial Mc Graw Hill. El Z80 fue el primero de la tercera generación, sin embargo es uno de los microprocesadores de 8 bits más empleado hasta nuestros días, se encuentran versiones mejores del mismo tales como Z80A, Z80B, Z80H, éstas se caracterizan por trabajar a frecuencias superiores de 4 Mcps, 6.5 Mcps y 8 Mcps respectivamente, las características fundamentales del Z80 son: 1. El transporte de señales se realiza sobre tres buses, el bus de direcciones, el bus de datos, así como el bus de control. 2. Régimen de interrupción uniforme, con la posibilidad de encadenar las prioridades de los circuitos periféricos. 3. Alto grado de programabilidad. 4. Reloj único. 5. Fuente de voltaje única de +5 Volts. Un sistema con Z80 se completa con el empleo de memorias estándar de lectura y memorias estáticas o dinámicas de lectura y escritura, además pertenecen al sistema, puertos de entrada y salida paralelo, interfaces de comunicación serie, sistemas contadores temporizadores y circuitos de acceso directo a memoria. El funcionamiento del sistema consiste en que las instrucciones del microprocesador, que están en la memoria ROM, se ejecutan en una forma secuencial de operación, la fuente de datos es, la propia CPU, los periféricos o las memorias, la transferencia interna de datos es a través del CPU, exceptuando la transferencia de datos en el proceso de acceso directo a memoria. El Z80 es una versión apreciablemente mejorada tanto en circuitería como en características de programación del antiguo modelo INTEL 8080, el Z80 resulta ser un microprocesador más rápido y sencillo en el desarrollo de sistemas ya que solo usa una fuente de alimentación de +5 Volts, contiene íntegramente todo el conjunto de instrucciones del 8080, lo cual le permite ejecutar todos los programas escritos para el CPU 8080, contiene el Z80 una expansión adicional de 80 instrucciones de ahí se deriva su nombre, su repertorio suma un total de 156 instrucciones. 18

23 El microprocesador Z80 contiene las siguientes unidades funcionales; 1).- Unidad aritmética y lógica 2).- El contador de programa 3).- El apuntador del stack 4).- Registros de propósito general 5).- Registros de indice 6).- Registros de interrupciones 7).- Registro de banderas 8).- Registro para refrescar memorias dinámicas LA UNIDAD ARITMÉTICA Y LÓGICA (ALU) Las operaciones del CPU Z80 se realizan con un grupo de dispositivos lógicos conocidos comúnmente como unidad aritmética y lógica (ALU) esta efectúa las siguientes operaciones; 1. Suma binaria. 2. Operaciones lógicas. 3. Complementar a dos. 4. Corrimiento de un bit a la derecha o a la izquierda. 5. Registro de resultados importantes como el acarreo, signo, acarreo auxiliar, paridad o si el resultado es cero. 6. Comparaciones 7. Poner, Limpiar o probar un bit EL CONTADOR DE PROGRAMA (PC) Es un registro de 16 bits, que continuamente tiene la dirección de la localidad de memoria siguiente que se va a accesar, de esa localidad obtiene el código de la instrucción a ejecutarse, en la CPU el PC se incrementa en uno, cada vez que el microprocesador lee el código de la instrucción contenida en la localidad direccionada, de esta forma el contador del programa direcciona secuencialmente las localidades de la memoria ROM, donde se encuentra almacenado el programa. 19

24 EL APUNTADOR DEL STACK (SP) El microprocesador Z80 cuenta con el registro de pila (SP) o stack pointer que contiene una dirección de memoria RAM a partir de la cual y en forma descendente, se almacenan los contenidos de un par de registros, o a partir del cual en forma ascendente se obtienen los últimos dos datos de 8 bits almacenados en esa área, el SP es un registro de 16 bits, para almacenar en el stack el contenido de un par de registros se utiliza la instrucción PUSH y para cargar a un par de registros con los dos últimos bytes del stack se utiliza la instrucción POP. REGISTROS DE PROPÓSITO GENERAL El microprocesador Z80 contiene 14 registros de 8 bits separados en dos grupos; GRUPO 1; A, B, C, D, E, H, y L GRUPO 2; A', B', C', D', E', H' y L Todas las instrucciones trabajan con los registros del grupo 1, con las instrucciones EX y EXX se logra el intercambio entre los contenidos de los registros del grupo 1 con los contenidos de los registros del grupo 2, el grupo 2 se utiliza en cierta forma como stack del grupo 1, dentro de la propia CPU. Con los 14 registros de propósito general se efectúan por medio de las instrucciones las siguientes funciones; 1. Recibir datos desde la memoria. 2. Enviar datos hacia la memoria. 3. Incrementar o decrementar en uno su contenido. 4. Formar una dirección con el contenido de un par de registros. 5. Transferir datos entre los registros. 6. Obtener un operando durante las funciones de la ALU. REGISTROS DE ÍNDICE IX e IY. Estos son registros de 16 bits cada uno y conservan direcciones base que se usan para modo de direccionamiento indexado, en este modo un registro de índice se usa como base para apuntar a una región de la memoria. La dirección efectiva de la localidad de memoria a donde se va a depositar el dato o de donde se va a leer, se obtiene, al sumar el contenido del registro de índice y el valor de 8 bits contenido en el campo de "desplazamiento" de las instrucciones que emplean direccionamiento con índice, estos desplazamientos se especifican con números enteros signados con el complemento a dos. 20

25 REGISTRO DE INTERRUPCIONES El Z80 opera en modo de interrupción en el que responde como una "llamada" indirecta en respuesta a una solicitud de interrupción. El registro I se usa para este propósito almacenando los 8 bits más significativos de la dirección indirecta mientras que el dispositivo que interrumpe proporciona los 8 bits menos significativos de la dirección índice, esta característica permite que las rutinas servicio de las interrupciones se localicen en cualquier parte de la memoria y que se puedan accesar en un tiempo muy corto. BANDERAS DE ESTADO El microprocesador Z80 tiene un registro de 8 Flips Flops, para monitorear ciertos resultados de las operaciones de la ALU, a la información que almacenan estos flips-flops se conoce como banderas de estado, las banderas se actualizan después de cada operación con alguno de los registros, no todas las operaciones modifican a todas las banderas, de los 8 bits del registro de banderas, únicamente seis registran información útil para el programador, cuatro de estas banderas se prueban, esto es, se usan como condiciones de salto (JP), llamada (CALL), o regreso (RET), estas banderas son; 1. La paridad o sobreflujo (P/V). El registro "P" se utiliza para realizar funciones auxiliares necesarias para el usuario, le sirven para interpretar los resultados, es uno cuando el resultado de la operación lógica del complemento a dos produce un acarreo, de otro forma es un cero lógico.. 2. SIGN (S); Set if into the result of ALU operation the most significant bit = 1, otherwise reset. 3. ZERO (Z); Set if result of ALU operation is zero otherwise it is reset. 4. AUXILIARY CARRY; Set if carry out results b3 into b4 otherwise reset. 5. CARRY (C); Set if result of addition or subtraction operation result in a carry or borrow of the highest order bit, otherwise reset. TERMINALES DEL MICROPROCESADOR Z80 El Z80 es un microprocesador de 8 bits y cuenta con 158 instrucciones y 10 modos de direccionamiento. El circuito integrado del microprocesador Z80 se deposita en un encapsulado Dual In Line de 40 terminales, de las cuales 5 son únicamente de entrada, 24 son de salida y 8 son bidireccionales, además, existen dos que sirven para conectar la fuente de alimentación y otra más que es la entrada del reloj. 21

26 Todas ellas tienen características eléctricas compatibles con la tecnología TTL, el intervalo de voltajes de entrada para un cero lógico es; 0.3 Vil 0.8 volts, el intervalo del voltaje de entrada para un uno lógico es; 2.0 Vih Vcc, el voltaje máximo de salida para un cero lógico es; Vol=0.4Volts, y el voltaje mínimo de salida para un uno lógico es; Voh=2.4Volts El Z80 opera con una fuente de alimentación de +5.0 Volts conectada a la terminal 11, (pin 11), la tierra de la fuente se conecta a la terminal GND, (pin 29), el consumo típico de corriente para el Z80 es de 90 ma. Cuenta con 18 registros de 8 bits y 4 registros de 16 bits, todos los registros del Z80 se implementan con una RAM estática, los registros incluyen 2 bancos de 6 registros de propósito general, que se usan individualmente como registros de 8 bits, o en pares como registros de 16 bits, existen también 2 bancos de registros denominados "acumulador" y "banderas", además cuenta con 6 registros de propósito especial, 4 registros de 16 bits, PC, SP, IX e IY, y 2 registros de 8 bits, el registro del refresh "R" y el registro de interrupciones "I", la aritmética de 8 bits de las funciones, y las instrucciones lógicas de la CPU se ejecutan en la ALU, la ALU realiza las siguientes funciones son; 1. Sumar. 2. Restar. 3. Función lógica AND. 4. Función lógica OR. 5. Función lógica OR-EX. 6. Comparación. 7. DespIazamientos a la derecha y a la izquierda. 8. Incrementar bytes. 9. Decrementar bytes. 10. Poner bits en uno lógico. 11. Poner bits en cero lógico y 12. Comprobar el estado de los bits 22

27 LÍNEAS DE DIRECCIONES (A0 - A15), Pines 30-40, 1-5 respectivamente Se forman con 16 líneas de direcciones, tienen la facultad de establecerse en tercer estado, estas señales proporcionan las direcciones correspondientes a intercambios de datos entre la memoria, la CPU y los puertos de los periféricos, la capacidad de direccionamiento con 16 bits es de 64 Kbytes y 256 puertos de entrada y salida, son activas en estado alto, los 8 bits menos significativos se usan para permitirle al usuario seleccionar los 256 puertos E/S, (A0-A7), en donde A0 es el bit menos significativo. LÍNEAS DE DATOS (DO - D7), Pines 14, 15, 12, 8, 7, 9, 10 y 13 Se forman con 8 líneas de datos bidireccionales con capacidad del tercer estado, son activas en nivel alto, se utilizan para el intercambio de datos con la memoria, y periféricos de E/S. CICLO DE MAQUINA UNO (M1), Salida activa en nivel bajo, indica que en este ciclo de máquina uno el microprocesador va a obtener el código operacional de una instrucción, en las instrucciones que tienen un código operacional de 2 bytes esta señal se opera al obtener cada uno de los bytes del código operacional, al igual que para indicar el reconocimiento de un ciclo de interrupción cuando ocurre (IORQ)'. REQUERIMIENTO DE MEMORIA (MREQ)', Pin 19 Salida activa en nivel bajo, esta señal indica una petición que interrelaciona a la memoria con la CPU, obtiene una dirección valida de las líneas de direccionamiento, esta terminal tiene capacidad del tercer estado. REQUERIMIfNTO DE E/S (IORQ), Pin 20 Es salida triestado activa en nivel bajo, esta señal indica que la mitad baja del bus de direcciones mantiene una dirección válida de E/S, para efectuar una operación de lectura o escritura de E/S, se genera esta señal cuando el ciclo de maquina 1 (M1) reconoce una interrupción, indica que el vector de respuesta de la interrupción se coloca en el bus de datos, las operaciones de reconocimiento de interrupción ocurren durante el ciclo de maquina 1, mientras que las operaciones de E/S nunca se producen durante este ciclo. 23

28 LECTURA (RD), Pin 21 Salida triestado activa en nivel bajo, indica que la CPU desea leer datos desde la memoria de un dispositivo externo de E/S, el dispositivo E/S se direcciona a la memoria o al periférico, se usa esta terminal para dirigir los datos al bus de datos de la CPU. ESCRITURA (WR)', pin 22 Salida triestado activa en nivel bajo, indica que el bus de datos de la CPU va a obtener datos válidos para ser almacenados en la memoria o en algún dispositivo de E/S. REFRESCO DE LA MEMORIA DINÁMICA (RFSH)', Pin 28 Salida activa en nivel bajo, indica que los siete bits inferiores de las líneas de direccionamiento contienen una dirección válida de refresco de memoria, se utiliza para el mantenimiento de datos en memorias dinámicas, con esta se efectúa una lectura de refrescamiento para todas las memorias dinámicas. PARO (HALT), Pin 18 Salida que activa en nivel bajo, indica que la CPU realiza una instrucción por software de paro (HALT), y que espera una interrupción (NMI)' o (INT)' antes de que continúe la operación, mientras permanezca en este estado la CPU ejecuta operaciones NOP, para mantener activo el refresco de las memorias dinámicas, al aplicarse un reset se continua con la operación. ESPERA (WAIT), Pin 24 çes una entrada activa en nivel bajo, le indica al microprocesador que la memoria direccionada o los dispositivos periféricos de E/S no son tan rápidos como para realizar una transferencia de datos a la velocidad de la CPU, o no están listos para una transferencia de información, la CPU continua con el estado de espera durante todo el tiempo que esta terminal es activa, esto les permite a los otros dispositivos sincronizarse con la CPU. 24

29 REQUISICIÓN DE INTERRUPCIÓN MASCARABLE (INT), Pin 16 Entrada activa en nivel bajo, esta terminal se acciona con dispositivos E/S externos, una requisición (INT)' se atiende al final de la instrucción que se ejecuta, si el enable interno del Flip Flop de interrupción IFF1 controlado por software se encuentra habilitado, y si la requisición de bus no está activa, al aceptar la CPU una interrupción envía una señal de reconocimiento, la petición de E/S se realiza durante el ciclo de máquina 1, al principio del siguiente ciclo de instrucción, esta petición solo es válida bajo control del programa interno, reconociendo la CPU tres modos diferentes de interrupción. INTERRUPCIÓN NO MASCARABLE (NMI)', Pin 17 Entrada que se activa con un flanco de bajada mediante un impulso que identifica una interrupción obligada, posiciona al contador de programa (PC) en la dirección 0066h desde donde continua el proceso, esta tiene una prioridad más alta que la interrupción (INT)' y siempre se reconoce al final de la instrucción que se ejecuta, independientemente del estado del IFF1, el contador de programa PC se almacena automáticamente en el stack pointer externo de forma que el usuario regrese al programa en el mismo punto del que fué interrumpido. REHABILITACIÓN (RESET), Pin 26 Entrada que se activa con un flanco de bajada mediante un impulso, obliga a la CPU a reiniciar su actividad, coloca al contador de programa (PC) en la localidad de inicio de memoria 0000h, desde donde empieza el proceso, durante este tiempo el bus de direcciones y el bus de datos adquieren el estado de alta impedancia y todas las terminales de control de salida adquieren el estado inactivo. REQUERIMIENTO DE LAS TERMINALES DE LA CPU (BUSRQ), Pin 25 Esta entrada es activa en nivel bajo, le indica a la CPU que coloque todas sus líneas en estado de alta impedancia, (tan pronto el ciclo de maquina 1 actual termine), a petición del periférico externo que desea tomar el control del sistema, regresa el control a la CPU cuando esta señal (BUSRQ)' pasa al nivel alto, se utiliza para pedir que el bus de direcciones, el bus de datos y las terminales de salida triestado del bus de control vayan a un estado de alta impedancia de tal forma que otros dispositivos controlen esos buses. 25

30 ENTREGA DE LAS TERMINALES DE LA CPU (BUSAK)', Pin 23 Salida activa en nivel bajo, es una indicación para el periférico que efectúa una petición (BUSRQ)' de que su petición ha sido concedida por parte del microprocesador, sirve para indicar al dispositivo que solicita este reconocimiento, que el bus de direcciones, el bus de datos y el bus de las terminales de control triestado han sido puestos en su estado de alta impedancia y que el dispositivo externo puede ahora controlar estas terminales. RELOJ (CK), Pin 6 Entrada configurada por un tren de impulsos útiles, es la diferencia que permite la secuencia de tiempos de operación, se implanta físicamente con un oscilador de onda cuadrada cuya frecuencia depende del tipo de características de la CPU Z80, requiere oscilación de una fase con niveles TTL, una forma de satisfacer todos los requerimientos de voltaje es por medio de una resistencia de activación "pull up" de 330 ohms conectada entre +Vcc y la terminal de salida de un oscilador implantado con circuitos TTL que generen oscilaciones. ALIMENTACIÓN POSITIVA DE +5 VOLTS (Vcc), Pin 11 Esta es una entrada de alimentación de tensión de +5 volts con un 5 % de tolerancia. TIERRA (GND), Pin 29 Terminal de alimentación negativa, requiere un potencial de 0.0 volts que sirven de referencia para la interconexión de los dispositivos. 26

31 PROGRAMACIÓN Fuente: Manuales, Cursos, Tutoriales y Apuntes..., (2009). Arquitectura del microprocesador Z80. Extraído el 18 de junio de 2009, desde Una operación es una acción específica que realiza el microprocesador siempre que ejecuta una instrucción. Existen diferentes operaciones que realiza el microprocesador, las operaciones asociadas con el Z80 son: Transferencia de información Operaciones aritméticas Operaciones lógicas Subrutinas Entradas y salidas Incrementar y decrementar bytes Realizar saltos Comprobar, poner en uno o en cero a los bits Realizar ajustes a BCD Ejecutar interrupciones LENGUAJE MÁQUINA Se dice que un programa se forma con un grupo de patrones binarios, por ejemplo sumar las localidades 1500H y 3020H y almacenar el resultado en la localidad 3000H el programa a ejecutar es el siguiente: A estos patrones binarios se les conoce como "lenguaje máquina" ya que este es el único lenguaje que entienden las computadoras. 27

32 PROBLEMAS CON LOS PATRONES BINARIOS 1. Es muy difícil para el programador entender o depurar los programas. 2. El proceso de cargar el programa en la computadora es muy lento ya que se tiene que alimentar bit por bit. 3. El programa no describe la tarea que realiza de una forma fácil de entender para el usuario. 4. Los programas largos son cansados en su elaboración. 5. Existe una gran posibilidad de que el programador se equivoque en la redacción del programa, produciendo de esta forma, una gran dificultad para encontrar los errores. 6. Si en el programa binario existiera un bit erróneo sería laborioso el detectarlo y corregirlo. 28

33 MNEMÓNICOS Fuente: Manuales, Cursos, Tutoriales y Apuntes..., (2009). Arquitectura del microprocesador Z80. Extraído el 18 de junio de 2009, desde Un método de mejorar el manejo de las instrucciones para el programador consiste en asignar un nombre a cada instrucción, por ejemplo a la instrucción de decrementar se le nombra como "DEC" y a la de cargar un dato se nombra como "LD", a los nombres de las instrucciones se les conoce como "MNEMÓNICOS", se escogen de tal manera que orienten en forma fácil al programador. Es más fácil recordar que INC A es el mnemónico de la instrucción para incrementar en uno el contenido del registro acumulador que recordar que 3Ch es el código operacional correspondiente a la misma instrucción, cada fabricante de microprocesadores proporciona una serie de mnemónicos para el conjunto de instrucciones de cada microprocesador, el programa anterior queda en la forma siguiente al usar los mnemónicos del Z80: PROGRAMA OBJETO PROGRAMA FUENTE A 0015 LD A, (1500) LD B,A LD A, (3000) ADD B LD (3000),A Esta representación del programa es más comprensible que la que usa patrones binarios, en este caso ya que se identifican qué partes son instrucciones y qué partes son direcciones o datos, a la representación de las instrucciones de un programa usando mnemónicos se le conoce como "programa fuente". 29

34 MODOS DE DIRECCIONAMIENTO Fuente: Manuales, Cursos, Tutoriales y Apuntes..., (2009). Arquitectura del microprocesador Z80. Extraído el 18 de junio de 2009, desde Una parte importante en la programación es el de entender las formas de direccionamiento para las localidades de memoria que contienen los datos que se procesan como instrucciones, la CPU Z80 tiene 10 modos diferentes para direccionar los datos almacenados en la memoria y en los registros: Implícito o inherente Inmediato Inmediato extendido Registro Registro indirecto Extendido Página zero modificada Relativo Bit Indexado Con el apuntador de pila DIRECCIONAMIENTO IMPLÍCITO O INHERENTE Este modo de direccionamiento se refiere a operaciones en donde el código operacional implica automáticamente a uno o más registros de la CPU, el código operacional es fijo y no tiene campos variables de tal forma que la instrucción siempre ejecuta la misma operación. Ejemplos de este modo de direccionamiento son las instrucciones CPL y RRA. El código operacional de CPL es 2Fh, ésta instrucción toma el contenido del acumulador, lo complementa a uno, cambia los ceros por unos y los unos por ceros, y deposita el resultado en el acumulador, las bandeas de condiciones no se afectan, la fuente y el destino siempre son fijos; 30

35 DIRECCIONAMIENTO INMEDIATO Este modo no constituye un direccionamiento propiamente dicho, pues aquí la instrucción no contiene ninguna dirección, en su lugar figura un operando sobre el cual se realiza la operación que indica la instrucción, no hay necesidad del ciclo de memoria (ejecute) de ejecución, una denominación más precisa es la de operando inmediato. Una instrucción con direccionamiento inmediato es la que contiene en el byte 2 o en el byte 3 de la propia instrucción en el dato de la transferencia, es decir, el dato es parte integral de los bytes que constituyen la instrucción. OP-CODE <----- uno o más bytes OPERANDO Este tipo de direccionamiento es útil al cargar o efectuar una operación aritmética o lógica con un dato constante. Ejemplo: Para cargar 07h en el acumulador se utiliza la instrucción LD A,N x 3E LD A,N x + 1 N A ß 07h El código operacional de la instrucción es 3Eh y el segundo byte es el dato que se va a cargar en el acumulador, en este caso N = 07h, los movimientos que realiza el CPU Z80 son los siguientes: 1. El contenido de la localidad op-code que apunta el contador del programa (PC) se carga en el registro de instrucciones IR y se incrementa el PC en uno. 2. La unidad de control ordena, después de decodificar la instrucción que el contenido de la localidad (dato inmediato u operando) que apunta el PC se cargue en el registro "r" indicado por el código de la instrucción, el PC se incrementa en uno y apunta a la próxima instrucción a ejecutarse. 31

36 En general este tipo de direccionamiento lo utilizan las instrucciones aritméticas y lógicas de 8 bits, ejemplo de estas son: ADD N, XOR N, AND N, etc. DIRECCIONAMIENTO INMEDIATO EXTENDIDO Este modo de direccionamiento como su nombre lo indica es una extensión del Direccionamiento Inmediato, este tipo de direccionamiento permite cargar con un dato de 16 bits a un registro par y obtiene la dirección donde continua el procesamiento en forma inmediata. x x + 1 x + 2 OP-CODE BYTE BAJO BYTE ALTO Este modo de direccionamiento lo utilizan las instrucciones del grupo "cargar 16 bits" y del grupo de instrucciones "saltos, llamadas y regresos", (JP, CALL y RET). El primero de los dos bytes del dato o de la dirección contiene los bits menos significativos (LSB) y el segundo byte contiene los bits más significativos (MSB). Ejemplo: X 01 x NN = 7968 x Los movimientos de esta instrucción son los siguientes: 1. El contenido de la localidad "x" apuntada por el contador de programa (PC) se carga en el registro de instrucciones IR y se incrementa el contador de programa, (PC ß PC + 1) 2. La unidad de control después de decodificar la instrucción ordena que el contenido de la localidad "x + 1" apuntada por el PC se cargue en el registro B, y se incrementa el contador de programa ( PC ß PC + 1) 3. La unidad de control ordena que el contenido apuntado por el PC se cargue en el registro C, se incrementa el contador de programa, (PC ß PC + 1) y el PC apunta a la siguiente instrucción a ejecutarse. 32

37 DIRECCIONAMIENTO DE REGISTRO Muchas instrucciones utilizan los registros del Z80 para recibir o proporcionar un dato, el código de la instrucción tiene un campo que se usa para especificar el ó los registros que se utilizan en la ejecución de la instrucción. Ejemplo: LD r,s Esta instrucción ordena que el contenido del registro "s" se deposite en el registro "r". R ß registro destino S ß registro fuente "r" y "s" pueden ser cualquiera de los registros activos o primarios de 8 bits de la CPU Z80, el movimiento de la información de esta instrucción es: 1. El contenido de la localidad apuntada por el PC se deposita en el registro de instrucciones IR, la unidad de control ordena copiar en el registro r el contenido del registro s, PC ß PC + 1, y el contador de programa apunta a la siguiente instrucción a ejecutarse. Los grupos de instrucciones que utilizan este tipo de direccionamiento de registro, son los de aritmética y lógica de 8 bits y de 16 bits como son: 1. Rotar 2. Girar 3. Poner en uno 4. Poner en cero y 5. Probar bits DIRECCIONAMIENTO DE REGISTRO INDIRECTO Este tipo de direccionamiento utiliza el contenido de un registro par, como la dirección de una localidad de memoria, los registros pares son BC, DE y HL, en donde los registros B, D y H contienen los bits menos significativos, el código operacional de la instrucción puede ser de uno o de dos bytes: Ejemplo: LD r, (HL) Los movimientos de esta instrucción son: El contenido de la localidad que contiene el código operacional, al cual apunta el contador de programa PC, se deposita en el registro de instrucciones IR y se incrementa el contador de programa. PC ß PC

38 La unidad de control envía los 16 bits del registro par HL por el bus de direcciones, lee el contenido de la localidad con esta dirección y deposita su contenido sobre el registro r. Este tipo de direccionamiento permite apuntar a cualquier localidad de memoria, antes de usar instrucciones que utilicen este tipo de direccionamiento se debe cargar el registro par con el valor de la dirección requerida. DIRECCIONAMIENTO EXTENDIDO En este tipo de direccionamiento la dirección de la palabra de instrucción contiene la dirección eficaz de la memoria, este es, las instrucciones que utilizan direccionamiento extendido proporcionan los 16 bits de la dirección eficaz de la memoria, el campo de la dirección eficaz contiene un operando, con este modo de direccionamiento se pueden accesar directamente todas las localidades de memoria desde 0000h hasta FFFFh, el primer byte contiene los 8 bits menos significativos (LSB) de la dirección eficaz y el segundo byte contiene los 8 bits más significativos (MSB) de la dirección eficaz. Ejemplo: LD A, (1580h) OP - CODE ß 3A LSB ß 80 MSB ß 15 Los movimientos que se producen son los siguientes: 1. La localidad apuntada por el contador de programa PC contiene el código operacional, este se deposita en el registro de instrucciones IR, el contador de programa se incrementa. PC ß PC La unidad de control ordena que el contenido de la localidad (dirección LSB) se deposite en un registro temporal, y se incrementa el contador de programa PCß PC La unidad de control ordena que el contenido de la localidad (dirección MSB) se deposite en otro registro temporal, y se incrementa el contador de programa PC ß PC La unidad de control envía por el bus de direcciones la dirección recién leída de 16 bits, lee el contenido de la localidad de memoria de esa dirección y deposita el operando en el acumulador. 34

39 Con este tipo de direccionamiento se pueden hacer transferencias de datos de 16 bits, LD (1580h), HL DIRECCIONAMIENTO DE PAGINA ZERO MODIFICADA Este tipo de direccionamiento se usa únicamente con la instrucción RESTAR (RST), esta instrucción causa que el procedimiento del programa continúe en una de ocho localidades posibles y bien especificadas de la pagina zero. La pagina zero se define como área de menor memoria que se puede accesar con 8 bits del bus de direcciones, esto es las 256 localidades obtenidas con ocho combinaciones posibles, desde la 00h hasta la FFh, todas estas direcciones constituyen la pagina zero. El código operacional de "RST" m" se encuentra como sigue: 11xxx111 RST m Localidad m Las direcciones especificas de la pagina zero se obtienen al multiplicar por 8 el valor binario de la variable m, por ejemplo si m = 2 la dirección es 10h. RST m RST 0 OP-CODE C7 RST 8 RST 10 RST 18 RST 20 CF D7 DF E7 35

40 RST 28 RST 30 RST 38 EF F7 FF DIRECCIONAMIENTO RELATIVO En el direccionamiento relativo a la dirección proporcionada por el registro de instrucciones se le añade una dirección de referencia, normalmente esta dirección de referencia es el contador de programa PC, es posible obtener dos modos diferentes de direccionamiento relativo: 1).- Relativo hacia adelante 2).- Relativo hacia atrás En las direcciones de salto, este tipo de direccionamientos permite reducir el número de bytes para especificar la dirección y reducir así el largo del programa, se usa el byte que sigue al código operacional relativo para especificar un desplazamiento a partir del valor actual del contador de "programa más dos", el resultado de la operación es una dirección a la cual el programa salta para continuar el procesamiento en esta nueva dirección. El direccionamiento relativo permite el acceso a 256 localidades alrededor de la dirección de la siguiente instrucción, el valor del operando es un valor con signo entre +128 y -127, tomando como punto de partida del desplazamiento a la localidad de memoria donde está la siguiente instrucción: 36

41 El direccionamiento relativo se usa en la CPU Z80 únicamente con el grupo de instrucciones de salto, permitiendo saltos condicionales o incondicionales que se obtienen de la resta o la suma respectivamente, del contador de programa actual más el operando. -DIRECCIONAMIENTO DE BIT- La CPU Z80 tiene instrucciones que permiten probar, poner en cero y poner en uno a los bits de un operando: 1. BIT b, r 2. RES b, r 3. SET b, r Estas instrucciones efectúan operaciones a nivel de bits sobre los contenidos de las localidades de memoria o los registros de la CPU Z80 seleccionados por medio de uno de tres tipos de direccionamiento, de registro, de registro indirecto e indexado, con tres bits del código operacional se especifica cual de los 8 bits del operando es el involucrado. Ejemplo: SET b, r En donde "b" puede ser cualquier numero del 0h al 7h y "r" es cualquier registro primario, acumulador, registro par HL o registro de índice IX o IY. 37

42 CAMPO b BIT =1 000 xxxx xxx1 001 xxxx xx1x 010 xxxx x1xx 011 xxxx 1xxx 100 xxx1 xxxx 101 xx1x xxxx 110 x1xx xxxx 111 1xxx xxxx Ejemplo: SET 5, B El bit "5" del registro B toma el valor de "1" los otros siete bits no sufren alteración alguna, en este caso se esta usando direccionamiento de registro antes (B) ß después (B) ß A8 DIRECCIONAMIENTO INDEXADO Con este modo se obtiene la dirección efectiva haciendo la suma de: 1. El contenido de un registro especial del Z80 denominado "registro de índice". 2. El registro de índice se suma con el operando que proporciona la instrucción. La indexación permite tratar bucles durante un programa, si se dispone de varios registros de índice se pueden añadir varios bucles, normalmente el registro de índice se incrementa por software después de cada operación. Las instrucciones que utilizan direccionamientos indexado usan byte que sigue al código operacional para especificar el desplazamiento que suma a uno de los dos registros de índice del Z80, para formar la dirección efectiva de la memoria, el contenido del registro de índice no se altera. 38

43 Ejemplo: REGISTRO DE INDICE + OPERANDO = DIRECCION EFICAZ 1200h + 08h = 1208h Los movimientos son: 1. El contenido de la localidad 1000h apuntada por el PC se deposita en el registro I R, PC ß PC + 1, la unidad de control reconoce que debe cargar otra vez el contenido de la localidad 1001h sobre el I R, PC ß PC El código operacional en IR le ordena a la unidad de control leer en un registro temporal el contenido de la localidad apuntada por el PC, PC ß PC La unidad de control envía por el bus de direcciones la dirección que resulta al sumar el registro de índice x con el contenido del registro temporal, lee el contenido de esa localidad y lo carga en el acumulador. DIRECCIONAMIENTO CON EL APUNTADOR DE PILA (STACK POINTER) El contenido de un registro por (BC, DE o HL), o el contenido del contador de programa (PC), puede transferirse a una área de memoria llamada "stack pointer" y se puede realizar la función inversa, las localidades de memoria que reciben el dato se direccionan por medio de un registro de 16 bits denominado "apuntador de pila o stack pointer", existen únicamente dos operaciones que se realizan con el apuntador de pila, cargar un dato de 16 bits en la pila de la memoria por medio de la instrucción denominada PUSH y la operación de leer un dato de 16 bits por medio de la instrucción llamada POP, es importante aclarar que las direcciones a las que se esta seleccionando con el apuntador de pila (SP) debe ser memorias de leer y escribir, esto es, memorias tipo RAM. 39

44 UNIDAD 3 INTRODUCCIÓN AL MICROCONTROLADOR ATTINY2313 RESUMEN En esta unidad se describe al microcontrolador ATtiny2313 de la familia Atmel. Se describen sus principales características, la configuración de sus pines, el diagrama de bloques. También se describen sus 120 mnemónicos para su programación. 40

45 CARACTERÍSTICAS DEL MICROCONTROLADOR ATTINY2313 Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde Características Generales Utiliza la Arquitectura AVR RISC. AVR-Alto rendimiento y Arquitectura de RISC de de baja potencia 120 Instrucciones poderosas Más Sola Ejecución de Ciclo de Reloj 32 x 8 Propósito del General los Registros Activos El Funcionamiento totalmente Estático Los Datos y un programa no-volátil además Datos de memoria. 2K Bytes de En-sistema la Misma memoria Programable Flash. Duración: 10,000 Ciclos de Write/Erase. 128 bytes dentro del sistema Programable EEPROM Duración: 100,000 Ciclos de Write/Erase. 128 bytes internos de SRAM. Programando la Cerradura para el Programa Flash y Seguridad de Datos de EEPROM Características Periféricas Uno de 8-bit Timer/Counter con Separado Prescalado y Modo de Comparación. Uno de 16-bit Timer/Counter con Separado Prescalado, Comparación y Modo de Captura. Cuatro canales de PWM. El Comparador Analógico On-chip. El Cronómetro del Perro guardián programable con el Oscilador del On-chip. USI la Interfaz de serie Universal. Bidireccional USART. Características Especiales del Microcontrolador La Depuración de On-chip de debugwire. Dentro del sistema Programable vía el Puerto de SPI. Las Fuentes de la interrupción externas e Interiores. 41

46 El de baja potencia Ocioso, Energía de apagado, y los Modos de suspensión. Mejorado la Energía del encendido del Circuito de reinicio. Programable Castaño-fuera el Circuito de Descubrimiento El Oscilador Calibrado interior. Dispositivos E/S y Paquetes 18 Líneas programables de E/S. El 20-pin PDIP, 20-pin SOIC, 20-pad QFN/MLF Voltajes de operación V (ATtiny2313V) V (ATtiny2313) Velocidad ATtiny2313V: V, V ATtiny2313: V, V La potencia de Consumo Típica En Modo activo 1 MHz, 1.8V: 230 µa 32 khz, 1.8V: 20 µa (incluso el oscilador) En Modo Apagado < 0.1 µa a las 1.8V El ATtiny2313 es un microcontrolador de 8-bits de baja potencia CMOS, basado en la arquitectura AVR mejorada de RISC. Ejecuta poderosas instrucciones en un solo ciclo del reloj, el ATtiny2313 alcanza rendimientos de procesamiento que se acercan a 1 MIPS por MHz que permite al diseño del sistema para optimizar el consumo máximo contra la velocidad de procesamiento. 42

47 CONFIGURACIÓN DE LOS PINES Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde Pines de Salida ATtiny

48 DIAGRAMA DE BLOQUES 44

49 Los AVR combinan un conjunto de instrucciones de propósito general con 32 registros activos. Los 32 registros se conectan directamente a la Unidad Lógica Aritmética (ALU), permitiendo dos registros independientes para ser accedido, en una instrucción de ejecución y un ciclo de reloj. La arquitectura resultante es más código eficaz mientras logra los movimientos a diez veces más rápido que el microcontrolador de CISC convencional. El ATtiny2313 AVR es soportado con una colección llena de programas desarrollados por el sistema con herramientas que incluyen: los Compiladores C, Macro Ensambladores, el Programa Debugger/Simulators (Simulador), emuladores del circuito, y equipos de evaluación. DESCRIPCIÓN DE LOS PINES Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde VCC: El voltaje del suministro Digital. GND: Tierra. Puerto A (PA2..PA0): El Puerto A es un 3-bit bidireccional con puertas de E/S. Las salidas del Puerto A tienen las características simétricas con ambos fregaderos altos y capacidad de la fuente. Los pins del Puerto A tienen tres estados cuando una condición de reinicio se pone activa, aun cuando el reloj no corre. Puerto B (PB7..PB0): el Puerto B es un 8-bit bidireccional con puertas de E/S. Las salidas del Puerto B tienen las características simétricas con ambos fregaderos altos y capacidad de la fuente. Los pins del Puerto B tienen tres estados cuando una condición de reinicio se pone activa, aun cuando el reloj no corre. Puerto D (PD6..PD0): el Puerto D es un 7-bit bidireccional con puertas de E/S. Las salidas del Puerto D tienen las características simétricas con ambos fregaderos altos y capacidad de la fuente. Los pins del Puerto D tienen tres estados cuando una condición de reinicio se pone activa, aun cuando el reloj no corre. RESET: Restableciendo la entrada. Un nivel bajo en este pin más largo que la longitud del pulso mínima generará una reinicialización, aun cuando el reloj no corre. No se garantizan que los pulsos más cortos generen una reinicialización. XTAL1: Entrada para invertir al amplificador del Oscilador y entrada al reloj interno del circuito que opera. XTAL1 es una función alterna para PA0. XTAL2: Salida para invertir al amplificador del Oscilador. XTAL2 es una función alterna para PA1. 45

50 MEMORIAS DEL MICROCONTROLADOR ATTINY2313 Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde Esta sección describe los recuerdos diferentes en el ATtiny2313. La arquitectura de AVR tiene dos memoria principal espacia, la Memoria del Datos y el espacio de memoria del Programa. En la suma, el ATtiny2313 ofrece una Memoria del EEPROM para el almacenamiento de datos. Toda la tres memoria los espacios son lineales y regulares. La memoria instantánea tiene una paciencia de por lo menos 10,000 ciclos del write/erase. El ATtiny2313 Programa Contador (PC) es 10 bits ancho, mientras dirigiéndose el 1K programa así las situaciones de memoria. Pueden asignarse las mesas constantes dentro del espacio de dirección de memoria de programa entero. Los Datos de Memoria de la SRAM La siguiente figura muestras cómo la memoria SRAM del ATtiny2313 es organizada. Las 224 situaciones de memoria de datos se dirigen ambos al Archivo del Registro, la memoria del E/S, la memoria del E/S extendida, y los datos interiores SRAM. Las primeras 32 situaciones se dirigen el Archivo del registro, la próxima 64 situaciones en la memoria del E/S normal, y las próximas 128 situaciones diríjase SRAM a los datos interiores. Los cinco modos dirigiéndose diferentes para la tapa de memoria de datos: Directo, Indirecto con el Desplazamiento, Indirecto, Indirecto con el Pre-decremento, e Indirecto con el Poste-incremento. En el Archivo del Registro, registra R26 a R31 ofrezca los registros del indicador dirigiéndose indirectos. Los alcances dirigiéndose directos el espacio de datos entero. El Indirecto con el modo del Desplazamiento alcanza 63 situaciones de dirección de la base dirección dada por el Y o Z registro. El 32 propósito general los registros activos, 64 E/S Registra, y los 128 bytes de interior los datos SRAM en el ATtiny2313 son todo accesibles a través de todos éstos dirigiéndose los modos. El Mapa de la memoria de datos. 46

51 La Memoria de Datos de EEPROM El ATtiny2313 contiene 128 bytes de memoria de EEPROM de datos. Es organizado como un separado los datos espacian en que pueden leerse los solos bytes y pueden escribirse. El EEPROM tiene un la paciencia de por lo menos 100,000 ciclos del write/erase (escritura/borrado). El acceso entre el EEPROM y el CPU se describe lo siguiente en, mientras especificando los Registros de dirección del EEPROM, el Registro de Datos de EEPROM, y el EEPROM Controla el Registro. Para una descripción detallada de datos De serie que transmiten al EEPROM. El Acceso a la EEPROM Read/Write El acceso al registro de EEPROM es accesible en el espacio del E/S. El escriba el tiempo de acceso para el EEPROM se da en Mesa 1. Una función de la mismo-elección del momento adecuado, sin embargo, permite el software del usuario descubrir cuando el próximo byte puede escribirse. Si el código del usuario contiene instrucciones que escriben el EEPROM, algunas precauciones deben tomarse. En las fuentes de alimentación pesadamente filtradas, VCC es probable subir o caerse despacio adelante poder-up/down. Esto las causas el dispositivo para algún período de tiempo para correr a un voltaje baja que especificado como el mínimo para la frecuencia del reloj usada. Vea Previniendo la Corrupción del EEPROM. Programación del Byte Atómico La programación del Byte Atómico es el modo más simple. Al escribir un byte al El EEPROM, el usuario debe escribir la dirección en el Registro de EEAR y datos en EEDR el registro. Si los pedazos de EEPMn son el cero, mientras escribiéndole a EEPE (dentro de cuatro ciclos después de que EEMPE es escrito) activará el funcionamiento del erase/write. Ambos el borre y escriba ciclo se hace en un funcionamiento y el tiempo de la programación total se da en Mesa 1. El EEPE mordió los restos ponga hasta el borre y escriba se completan los funcionamientos. Mientras el dispositivo está ocupado con programando, no es posible hacer cualquier otro funcionamiento del EEPROM. 47

52 EL OSCILADOR DE CRISTAL Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde XTAL1 y XTAL2 son entrada y salida, respectivamente, de un amplificador invirtiendo que puede se configure para el uso como un Oscilador del on-chip, como mostrado en siguiente figura, un cristal de cuarzo o un resonador cerámico pueden usarse. C1 y C2 siempre deben ser iguales para cristales y resonadores. El valor óptimo de los condensadores depende del cristal o resonador en el uso, la cantidad de capacitancia perdido, y el ruido electromagnético del ambiente. Algunos firman con iniciales las pautas para se dan condensadores escogiendo para el uso con cristales. Para la cerámica los resonadores, deben usarse los valores del condensador dados por el fabricante. Las Conexiones del Oscilador de Cristal El Oscilador puede operar en tres modos diferentes, cada uno perfeccionó para una frecuencia específica en el rango. 48

53 EL RELOJ EXTERNO Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde Para manejar el dispositivo de una fuente del reloj externa, XTAL1 debe manejarse como mostrado en la siguiente figura. Para ejecutar el dispositivo en un reloj externo, los Fusibles de CKSEL deben programarse a La Configuración del Reloj externo Cuando esta fuente del reloj es seleccionada, salida-a tiempos es determinado por los Fusibles de SUT. Al aplicar un reloj externo, se exigía evitar los cambios súbitos en el aplicado la frecuencia del reloj para asegurar funcionamiento estable del MCU. Una variación en la frecuencia de más que 2% de un ciclo del reloj al próximo pueden llevar a la conducta imprevisible. Es exigido asegurar que el MCU se guarda en la Reinicialización durante cosas así cambia en el reloj la frecuencia. 49

54 AUTO PROGRAMADOR DEL FLASH Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde El dispositivo mantiene un mecanismo Auto programador transmitiendo y transfiriendo el código del programa por el propio MCU. El Auto programador puede usar cualquier datos disponible la interfaz y el protocolo asociado para leer el código y escribir (el programa) ese código en el Programa a la memoria. La memoria del Programa se pone al ciclo en una página por la actualidad del suceso. Antes de programar una pagina con los datos guardados en el limpiador de la página temporal, la página debe borrarse. El limpiador de la página temporal está llena en el momento que usa SPM y el pulidor puede llenarse o antes de la Página Borre el orden o entre una Borre y Escribe. Si sólo una parte de la página necesita ser cambiada, el resto de la página debe guardarse (para ejemplo en el limpiador de la página temporal) antes de que se borre, y se re-escriba. Cuando la alternativa 1 se usa, el Cargador proporciona una eficaz Leer-modificar-escribir el rasgo qué permite el software del usuario primero lectura de la página, haga los cambios necesarios, y entonces escriba los datos modificados atrás. Si alternativa 2 se usa, no es posible leer los datos viejos mientras este cargando desde la página y es borrada. La Página realizada Borra por SPM. 50

55 CORRIENTE VS FRECUENCIA Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde Lo siguientes mapas muestran la conducta típica. Estas figuras no se prueban durante la fábrica. Todas las medidas del consumo de corriente se realizan con todos los pines de E/S configurado como las entradas y con pull-up interior habilitado. Un generador de onda de seno con el rail to rail. El rendimiento de la barra se usa como la fuente del reloj. El consumo máximo en Power-down el modo es independiente de selección del reloj. El consumo de corriente es una función de varios factores como: el voltaje al que opera, la frecuencia que opera, cargando de pines de E/S, cambiando la proporción de pines de E/S, el código que ejecutó y la temperatura ambiente. Los factores dominando son voltaje que opera y frecuencia. La corriente deducida de capacitive cargado pueden estimarse los pines como CL*VCC*f dónde CL = el capacitance de carga, VCC = el voltaje que opera y f = el medio cambiante de valores la frecuencia de pines de E/S. Las partes se caracterizan superiores a las frecuencias que los límites de la prueba. No se garantizan las partes para funcionar propiamente superior a las frecuencias que el código de la clasificación indica. El Suministro activo Actual vs. La frecuencia ( MHz) 51

56 MNEMÓNICOS DEL ATTINY2313 Fuente: ATMEL, (2009). El microcontrolador ATtiny2313. Extraído el 23 de junio de 2009, desde 52

57 53