04 procesadores y microcontroladores

Electrónica Industrial Tema 11. Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores
⋅1⋅
Unidad 11
Introducción a los microprocesadores y
microcontroladores
Andres.Iborra@upct.es
Juan.Suardiaz@upct.es
Septiembre 2002

⋅2⋅
CONTENIDO
Unidad 11. Introducción a los microprocesadores y
microcontroladores.
11.1Elementos básicos de un sistema microprocesador.
11.2Microprocesadores frente a microcontroladores.
11.3Arquitectura del PIC16F84.
11.4Fundamentos de programación del PIC16F84.
11.5Ejemplos de programación del PIC16F84.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
!Estudiar los bloques básicos de un microprocesador.
!Comprender la diferencia entre lenguaje máquina y lenguaje
ensamblador.
!Comprender el funcionamiento básico de una CPU.
!Estudiar la arquitectura básica del microcontrolador PIC 16F84
!Distinguir entre puerto de E/S dedicado y puerto de E/S “mapeado” en
memoria.
!Estudiar la E/S por sondeo (“polling”), la E/S controlada por
interrupción, y las interrupciones software.
!Saber programar aplicaciones sencillas en un PIC16F84.

⋅3⋅
1. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA
MICROPROCESADOR
El microprocesador
El microprocesador es un circuito integrado digital que puede
programarse con una serie de instrucciones, para realizar
funciones específicas con los datos. Cuando un
microprocesador se conecta a un dispositivo de memoria y se
provee de dispositivos de entrada salida, pasa a ser un sistema
microprocesador.

⋅4⋅
MICROPROCESADOR
• Existen tres bloques funcionales básicos: CPU, memoria y puertos.
• Los tres se encuentran conectados mediante buses.
• Los dispositivos de entrada y salida se conectan mediante puertos.
• Un puerto es una interfaz física de una computadora a través del la cual
pasan los datos hacía y desde los periféricos.
• Los programas son un conjunto de instrucciones que entiende la CPU y que
se ejecutan para resolver un problema específico. El programa se almacena
en memoria.
• Cada posición de memoria tiene asignada una dirección exclusiva.
• Las instrucciones son leídas por la CPU a través del bus de datos cuando
ésta las solicita.
• La CPU las interpreta, y las ejecuta secuencialmente. Con frecuencia las
instrucciones vienen acompañadas de datos o direcciones, con objeto de
modificarlos.
• La CPU genera señales de control para coordinar las transacciones.
Memoria Puerto de
entrada
CPU
(µP)
Puerto de salida
Periférico
(Teclado,
ratón,
monitor)
Periférico
(Impresora,
monitor)
Bus de direcciones
Bus de datos
Bus de
control

⋅5⋅
MICROPROCESADOR
Unidad central de proceso(CPU) (I). Unidades funcionales
Es un circuito de gran escala de integración que contiene la CPU completa de una
computadora en un único circuito integrado. Los microprocesadores contienen
diversas unidades funcionales que realizan trabajos específicos. El modo de
relacionarse entre ellas establece la arquitectura interna del µP, el conjunto de
instrucciones disponibles y el modo de ejecutarse cada una de ellas.
6800 de Motorola
Unidad aritmético lógica (ALU)
Es el elemento clave de procesamiento del µP. Esta gobernada por la unidad de
control. Se utiliza para realizar operaciones aritméticas y lógicas. Los datos de la
ALU se obtienen de la matriz de registros.
Matriz de registros
Es la colección de registros disponibles pro el programador dentro del
microprocesador. Existen también, registros invisibles no disponibles por el
programador.
Unidad de control
Proporciona las señales de temporización y control.

⋅6⋅
MICROPROCESADOR
Unidad central de proceso(CPU) (II). Buses
Bus de direcciones
Es un bus de un solo sentido a través del cual el microprocesador envía un código
de dirección a una memoria o dispositivo externo.
16 líneas = 216= 65.536 posisiones = 64 K (8080)
20, 24 bits
32 líneas = 232= 4.294.467.296 = 4 Gigas (Pentium)
Bus de datos
Es un bus de dos sentidos (8, 16, 32 o 64 bits).
Bus de control
Señales para ciclos de lectura / escritura, ciclos de espera, interrupciones, etc.

⋅7⋅
MICROPROCESADOR
Unidad central de proceso(CPU) (III)Programación.
Todos los µP disponen de un conjunto básico de instrucciones que se pueden
agrupar según su funcionalidad. En el Pentium se pueden distinguir siete grupos
básicos:
• Transferencia de datos.
• Aritmética.
• Manipulación de bits.
• Bucles y saltos.
• Cadenas de caracteres.
• Subrutinas e interrupciones.
• Control del procesador.
Las instrucciones son decodificadas antes de que sean ejecutadas. A las
instrucciones en código binario se denomina lenguaje máquina.
Con objeto de no escribir los programas en lenguaje máquina se utilizan
nemónicos que constituyen lo que se conoce como lenguaje ensamblador. Los
programas ensambladores se encargan de traducir los nemónicos en código
máquina. También incluyen pseudo-instrucciones necesarias para facilitar la
programación (reserva de zonas de datos, código, stack, variables, etc.).
Un compilador traduce las instrucciones de un lenguaje de alto nivel máquina.

⋅8⋅
2. MICROPROCESADORES VS MICROCONTROLADORES.
Concepto general de microcontrolador.
" Es un C.I. que contiene todos los componentes de un computador.
Aplicaciones
1. Periféricos y dispositivos auxiliares de los computadores.
2. Electrodomésticos.
3. Aparatos portátiles y de bolsillo (tarjetas, monederos, teléfonos..)
4. Máquinas expendedoras y juguetería.
5. Instrumentación.
6. Industria de automoción.
7. Control industrial y robótica.
8. Electromedicina.
9. Sistema de navegación espacial.
10. Sistemas de seguridad y alarma.
11. Domótica en general.
Control del motor
Antideslizamiento
Panel de instrumentos
Control de velocidad
Sistema de navegación
Control climatización
Sistema antirrobo

⋅9⋅
Arquitectura Von Newman VS Harvard
Algunos microcontroladores optimizan su operatividad mediante una arquitectura
Harvard.
Memoria
Procesador
(CPU) Entrada/Salida
Bus de
Bus de direcciones
Bus de control
Bus de control
Bus de direcciones
Bus de datos
Memoria datos Procesador Memoria
programa
Bus de datos (instrucciones)Bus de datos de memoria de programa
Bus de direcciones de memoria de programa

⋅10⋅
Implantación en el mercado
Algunos fabricantes de µC con algunos modelos.
Fabricante Modelos de µC
INTEL 8048, 8051, 80C196, 80186, 80188, 80386EX
MOTOROLA 6805, 68HC11, 68HC12, 68HC16, 683XX
HITACHI HD64180
PHILIPS Gama completa de clónicos del 8051
SGS-THOMSON (ST) ST-62XX
MICROCHIP PICs
NATIONAL SEMICONDUCTOR COP8
ZILOG Z8, Z80
TEXAS INSTRUMENTS TMS370
TOSHIBA TLCS-870
INFINEON C500
DALLAS DS5000
NEC 78K
Ranking europeo de ventas de MCU de 8 bits (año 1999).

⋅11⋅
3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84
Microcontroladores PIC de Microchip
En la actualidad se emplean cada vez más debido a:
# Velocidad
# Precio
# Facilidad de uso
# Información y herramientas de apoyo.
Gamas
# PIC12C5X, gama baja o clásica ( palabra de programa de 12 bits).
# PIC16CXXX, gama media (palabra de programa de 14 bits).
# PIC17CXXX, PIC18XXX, gama alta (palabra de programa de 16 bits).
Familia Descripción
PIC12C5XX 8-Pin, 8-Bit CMOS
PIC12C67X 8-Pin, 8-Bit CMOS con Convertidor A/D
PIC12F6XX 8-Pin, 8-Bit Flash con EEPROM y A/D
PIC16C5X EPROM/ROM 8-Bit CMOS
PIC16C55X EPROM-Based 8-Bit CMOS
PIC16C6X 8-Bit CMOS
PIC16X62X 8-Pin EPROM-Based 8-Bit CMOS con Comparador
PIC16C64X 8-Bit EPROM con Comparador analógico
PIC16C7X 8-Bit CMOS con convertidor A/D.
PIC16C71X 18 Pin, 8-Bit CMOS con convertidor A/D.
PIC16C43X 18/20 Pin, 8-Bit CMOS con bus LIN.
PIC16C78X Convertidor A/D, D/A, amplificador operacional, comparadores y PSMC.
PIC16C7X5 8-Bit CMOS, A/D , para aplicaciones de USB, PS/2 y dispositivo serie.
PIC16C77X 20-pin, 28-pin y 40-Pin, 8-Bit CMOS con convertidor A/D 12-bit.
PIC16F87X 28/40-Pin, 8-Bit CMOS FLASH con convertidor A/D 10-bit .
PIC16X8X 18-Pin, 8-Bit CMOS FLASH/EEPROM Microcontrollers
PIC16F7X 28/40-pin 8-bit CMOS FLASH
PIC16C9XX LCD, convertidor A/D 8 y 10-bit .
PIC17C4X 8-Bit CMOS EPROM/ROM, alto rendimiento.
PIC17C75X 8-Bit CMOS EPROM, alto rendimiento
PIC18CXXX 8-Bit, arquitectura mejorada.
PIC18F0XX 8-Pin, 8-Bit FLASH con EEPROM, PLVD, BOR y PWM.
PIC18FXX2 Protección de código, 256 EEPROM, LVD, PLL, SLEEP ,multiplicador 8x8 , PSP.
PIC18FXX31 28/40-Pin FLASH con EEPROM, PLVD, PBOR, A/D 10-bit PWM.

⋅12⋅
Arquitectura general
Características generales.
# Consta de una ALU, decodificador de instrucciones, y una matriz de
registros.
# Incluye también un módulo de memoria para programa y una memoria
auxiliar para datos del tipo EEPROM, por si falla la alimentación.
# Arquitectura Harvard.
# Bus de datos de 8 bits, bus de instrucciones de 14 bits.
# Conjunto de instrucciones reducido, RISC (35 instrucciones).
# Las instrucciones se ejecutan en 1 ciclo, excepto los saltos (2 ciclos).
# Dispone de dos puertos de entrada salida.
# Entradas multiplexadas para interrupciones y el contador/temporizador.
# Dispone de un perro guardian o watchdog.

⋅13⋅
Memoria de programa
# Tipo Flash integrada en el propio chip.
# Memoria de 1K x 14 (000h – 3FFh).
# En la posición 000h está el Vector de Reset.
o Conexión alimentación
o Al aplicar 0V al terminal MCLR
o Desbordamiento perro guardián (watchdog).
# En la posición 04h está el Vector de
Interrupción.
o Activación del pin INT
o Desbordamiento del temporizador TMR0
o Cambio de estado en pines RB4 - RB7
o Final de escritura en la EEPROM de datos.
# Todo lo grabado (datos y programa) se puede
modificar sobre el circuito por las antradas series RB6(clk)/RB7(datos)

⋅14⋅
Memoria de datos
Tipo SRAM
Dos bancos o páginas de 128 registros de 8 bits.
o Página ‘0’ ⇒ 80 registros: 12 especiales
(SFR) y 68 generales (GPR).
o Página ‘1’ ⇒ 12 registros de funciones
específicas (SFR).
Tipo EEPROM
• 64 registros de 8 bits cada uno. La información puede permanecer hasta 40
años.
• No se puede acceder a los mismos de una manera directa, sino que hay
que hacerlo por medio del los Registros de Función Específica (SFR).

⋅15⋅
Puertos de entrada /salida
PUERTO RA0-RA4
Puerto bidireccional de Entrada/Salida.
RA4/T0CKL puede comportarse como una Entrada/Salida normal, o bien como una
entrada de reloj del contador/temporizador TMR0.
PUERTO RB0-RB7
Puerto bidireccional de Entrada/Salida.
RB0/INT puede ser utilizado como una entrada de interrupciones.
RB4/RB7 pueden ser utilizados para generar interrupciones ante un cambio de
nivel.
RB6/RB7 pueden ser utilizados para programa el PIC.

⋅16⋅
Recursos auxiliares (I)
Oscilador
# Mediante los condensadores y el oscilador se puede seleccionar la
frecuencia del reloj: 455KHz, 2 MHz, 4MHz, 8MHz y 10 MHz.
# Ciclo de instrucción = 4 · Periodo de reloj
Ejemplo: Frecuencia de reloj = 4MHz ⇒ Periodo de reloj =
250ns.
Ciclo de instrucción = 1/Fosc x 4 = 250 ns x 4 = 1 µs.
Estado de reposo (SLEEP)
# Consumo < 3µA

⋅17⋅
Recursos auxiliares (II)
Temporizador/Contador
Consiste en un contador cíclico de 00h a FFh. Cuando se llega a FF se
produce un desbordamiento. Dos modos de trabajo:
# Temporizador: determinar intervalos concretos de tiempo. Se
incrementa con cada ciclo de instrucción o divisor.
# Contador: contar impulsos producidos en el exterior del sistema.
Perro guardián (watchdog)
# Temporizador independiente del reloj principal. Tiene su propio
oscilador, luego sigue funcionando en modo de bajo consumo.
# Permite detectar cuando se ha “colgado” el programa. Cuando
llega a FFh, se produce el desbordamiento y se provoca el RESET
del PIC.
# El tempo típico de un ciclo es de 18 ms. pero se puede ampliar a
2,5 seg.

Electrónica Industrial Tema 9. Introducción a los Microprocesadores y Microconytroladores
⋅18⋅
Distribución de los terminales
# VDD y VSS : Alimentación (2 V - 6 V).
# MCLR (Master Clear): Reset cuando la tensión < 1,7V .
# RA0- RA4: Entradas/salidas del puerto A.
o IO = 20mA; ∑ IO = 50mA
o II = 25mA; ∑ II = 80mA
o RA4/T0CK1 puede ser contador/temporizador externo TMR0.
# RB0-RB7: Entradas/salidas del puerto B.
o IO = 20mA; ∑ IO = 100mA
o II = 25mA; ∑ II = 150mA
o RB0/INT puede ser interrupción externa.
# OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT : conexión del oscilador del reloj
principal.
+5V
27pF
RA0
RA1
PIC16F84
OSC1
OSC2
VDD
RB7
RB6
RB5
RB4
RA2
RA4/T0CKI
VppMCLR/
VSS
RB0/INT
RB1
RB2
RB3
RA3
27pF
Cristal 4MHz
VDD
10K
100

⋅19⋅
Periféricos de entrada/salida
Pulsadores
Interruptores
Diodos LED
Relés
Rebotes
Pulsación
IN
R
S

⋅20⋅
4. FUNDAMENTOS DE PROGRAMACIÓN PIC16F84
Conceptos generales
Un programa es un conjunto ordenado de instrucciones cuya ejecución determina
el procesado de los datos y la obtención de resultados.
EL PIC16F84 entiende un juego de 35 instrucciones (14 bits).
Estructura del programa
Modelo de procesador y sistema de numeración
List p=16F84 ;Se utiliza el microcontrolador PIC16F84
Radix hex ; Se usará el sistema hexadecimal
Variables
ESTADO equ 0x03 ;La etiqueta “ESTADO” está asociada a la dirección 0x03
PUERTAA equ 0x05 ;La etiqueta “PUERTAA” está asociada a la dirección 0x05
Origen del programa
org 0x00 ;Inicio de programa
org 0x00 ;La siguiente instrucción estará al inicio de la memoria
goto INICIO ;Salta a la dirección etiquetada con INICIO
org 0x05 ;La siguiente instrucción estará en la dirección 0x05
INICIO
-------
-------
end
Cuerpo del programa y final
.......
......
end

⋅21⋅
5. EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN
Ejemplo 1 - Sumar el contenido de dos posiciones de
memoria (I)
# Instrucción mov.
Permite transferir el contenido de un registro fuente f a un registro destino d.
En los PIC todos los datos residen en posiciones de la memoria de datos a
excepción del registro W. La instrucción mov puede mover tres tipos
fundamentales de operandos:
1. El contenido del registro W.
2. El contenido de una posición de memoria de datos.
3. Un literal o valor.
# movf f,d : mueve el contenido del operando fuente f (posición de la memoria
de datos) al destino d (puede ser W o la propia fuente).
# movwf f : mueve el contenido del registro W a la posición de memoria
especificada por f.
# movlw k : mueve el valor k al registro W.
# addwf f,d : suma el contenido del registro W con el de f y deposita el
resultado en W si d = 0 (o W), o en f si d = 1.
# addlw k : suma al contenido del registro W el valor k y deposita el resultado
en W.
Banco 0
00h
Registros
especiales
0Bh
5 0Ch OPERANDO1
2 0Dh OPERANDO2
¿?? 0Eh RESULTADO
4Fh

⋅22⋅
Ejemplo 1 - Sumar el contenido de dos posiciones de
memoria (II)
List p=16f84
OPERANDO1 equ 0x0C
OPERANDO2 equ 0x0D
RESULTADO equ 0x0E
org 0x00 ;origen
INICIO
movlw 0x05 ;W ← ‘5’
movwf OPERANDO1 ;OPERANDO1←W
movlw 0x02 ;W ← ‘2’
movwf OPERANDO2 ;OPERANDO2←W
addwf OPERANDO1,W ;OPERANDO1+W →W
movwf RESULTADO ;RESULTADO ←W
end
INICIO
Declaración de variables
OPERANDO1 ← ‘5’
OPERANDO2 ← ‘2’
RESULTADO = OPERANDO1 + OPERANDO2
END

⋅23⋅
Ejemplo 2 - Leer y sacar datos por los puertos (I)
Banco 0 Banco 1
00h 80h
03h STATUS 83h
05h PORTA TRISA 85h
06h PORTB TRISB 86h
0BH
Registro STATUS (dirección 03h)
RP1 RP0
bit7 bit0
# bit 6 – 5: RP0-RP1 Selección del banco de registros
00 = Banco 0
01 = Banco 1
Registro PORTA (dirección 05h Banco 0)
-- -
-
-
-
RA4/T0CKI RA3 RA2 RA1 RA0
bit7 bit0
-- : los tres primeros bits de PORTA siempren se leerán como ‘0’
Registro TRISA (dirección 05h Banco 1)
-- -
-
-
-
TRISA4 TRISA3 TRISA2 TRISA1 TRISA0
bit7 bit0
2 x 10K
3x 680
+5V
27pF
RA0
RA1
PIC16F84
OSC1
OSC2
VDD
RB7
RB6
RB5
RB4
RA2
RA4/T0CKI
VppMCLR /
VSS
RB0/INT
RB1
RB2
RB3
RA3
27pF
4MHz
10K
100
VDD
VDDVDD
10K

⋅24⋅
Ejemplo 2 - Leer y sacar datos por los puertos (II)
Aparecen en este ejemplo algunas instrucciones nuevas:
# bsf f,d : pone a ‘1’ el bit d del registro f .
# bcf f,d : pone a ‘0’ el bit d del registro f .
# goto etiqueta : salta hasta la instrucción que va precedida por la etiqueta.
List p=16f84
STATUS equ 0x03
PORTA equ 0x05
PORTB equ 0x06
org 0x00
goto INICIO
org 0x05 ;salta el vector de interrupción
INICIO
bsf STATUS,5 ;cambia al banco1
movlw b’00000000’ ;W ← ‘00’
movwf PORTB ;TRISB←W (PORTB salidas)
movlw b’00011111’ ;W ← ‘FF’
movwf PORTA ;TRISA←W (PORTA entradas)
bcf STATUS,5 ;cambia al banco0
BUCLE
movf PORTA,W ;W ← PORTA
movwf PORTB ;PORTB ← W
goto BUCLE
end
INICIO
PORTB ← PORTA
Configuración de E/S

⋅25⋅
Ejemplo 3 - Leer y sacar datos por los puertos, condiciones
(I)
El LED se ilumina cuando se cierra el interruptor.
Este ejemplo incorpora las instrucciones:
# btfsc f,d : salta una instrucción si el bit d del registro f es ‘0’, si no, sigue por la
siguiente instrucción.
# clrf f : borra el contenido del registro f.
10K
680
+5V
27pF
RA0
RA1
PIC16F84
OSC1
OSC2
VDD
RB7
RB6
RB5
RB4
RA2
RA4/T0CKI
VppMCLR /
VSS
RB0/INT
RB1
RB2
RB3
RA3
27pF
4MHz
10K
100
VDD
VDD

⋅26⋅
Ejemplo 3-Leer y sacar datos por los puertos, condiciones (II)
List p=16f84
STATUS equ 0x03
PORTA equ 0x05
PORTB equ 0x06
org 0x00
goto INICIO
org 0x05 ;salta el vector de interrupción
INICIO
bsf STATUS,5 ;cambia al banco1
clrf PORTB ;Puerto B configurado como salidas
movlw b’00011111’ ;Puerto A configurado como entradas
movwf PORTA
bcf STATUS,5 ;cambia al banco0
BUCLE
btfsc PORTA,0 ;¿RA0=0? salta si RA0 es ‘0’
goto RA0_es_1
bsf PORTB,0 ;pone a ‘1’ RB0, enciende el led
goto BUCLE
RA0_es_1
bcf PORTB,0 ;pone a ‘0’ RB0, apaga el led
goto BUCLE
end
INICIO
Configuración de E/S
RA0 ON
RA0=’0’
Encender led
RB0 =’1’
Apagar led
RB0 =’0’
SI
NO

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