14/11/2015
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INTRODUCCIÓN A LOS MICROPROCESADORES Y MICROCONTROLADORES
TEC Digital
ÍNDICE
Parte I Microprocesadores
Parte II Memorias
Parte III Periféricos
Parte IV Integración de periféricos, memorias y microprocesadores
Parte V Microcontroladores
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PARTE I: MICROPROCESADORES
•Concepto y características
•Arquitectura
•Hardware
•Software
•Ejemplo de Arquitectura Básica
•Programación
Indice
Concepto y características
Un microprocesador es un dispositivo digital diseñado para manipular información
Tienen 3 buses
Datos: Contiene el flujo de información
Direcciones: Controla la posición actual en memoria
Control: Regula el flujo de información para evitar conflictos
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Parte I Microprocesadores
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Arquitectura
La arquitectura de un procesador consiste en el conjunto de caracteristicas que lo identifican.
Describe de manera resumida las capacidades y posibilidades de operación del microprocesador.
Se clasifican según Hardware y Software
Ejemplo de arquitectura básica
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Parte I Microprocesadores
Arquitecturas según el Hardware
Von Neuman
Segmentada
Hardware
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Parte I Microprocesadores
Arquitecturas según
el Software
• CISC
• RISC
• CRISC
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Máquina secuencial
Ejecuta solo una operación a la vez
Bus de datos y direcciones compartidos
Lenta
Generalmente se combina con software tipo CISC
Arquitectura Von Neuman
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Parte I Microprocesadores
Arquitectura Segmentada
Máquina secuencial
Buses de datos y direcciones compartidos
Diseño multietapa (Pipeline) El diseño multietapa le permite ejecutar más
de una operación a la vez
Se encuentra combinada con software CISC y en pocas ocasiones con RISC
Más rápida que Von Neuman
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Parte I Microprocesadores
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Arquitectura Harvard
Separa los buses de datos, direcciones y control, y los hace totalmente independientes.
Lo anterior permite leer instrucciones con mayor velocidad
Pueden direccionar altas cantidades de memoria
Se combinan con software RISC
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Parte I Microprocesadores
Arquitectura CISC
Complex Instruction Set Computer
Set de instrucciones grande
Ofrece una amplia gama de operaciones
Facilita el trabajo de programación
Reduce el tamaño del código de programa
Incrementa el costo de aprender la programación
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Parte I Microprocesadores
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Arquitectura RISC
Reduced Instructio Set Computer
Pocas instrucciones
Más fácil de aprender el método de programación
Mayor tamaño del código de programa
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Parte I Microprocesadores
Arquitectura CRISC
Combinación de CISC con RISC
Complex-Reduced Instruction Set
Computer
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Parte I Microprocesadores
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Ejemplo de Arquitectura Básica
Bus de Direcciones
Bus de Control
Bus de Datos
BIU
Registros de
Uso General
Bus Interno
Unidad
Aritmética Lógica
Unidad
de
Control
Registro de
Banderas
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Parte I Microprocesadores
Programación
El microprocesador no tiene memoria interna
Se debe conectar con una memoria externa que contenga el programa
El programa se guarda como datos en la memoria, un dato leido puede ser información o un código de operación
El procesador lee de manera ordenada cada punto de la memoria del programa
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Parte I Microprocesadores
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PARTE II: MEMORIAS
•Concepto
•Principio de funcionamiento
•Tipos
•RAM
•ROM
•Flash
•EPROM
•EEPROM Indice
Concepto
Una memoria es un dispositivo capaz de guardar el estado de un bit durante cierto tiempo
Posee casillas o localidades cada una con la capacidad de almacenar un dato generalmente de tamaño byte (8 bits)
Tiene un bus de direcciones para identificar cada una de las localidades.
Tiene un bus de datos por donde entran y salen datos a cada una de las casillas o localidades de la memoria.
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Parte II Memorias
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Principio de funcionamiento
CAPACITIVO: Un capacitor se mantiene cargado y representa un 1 lógico, si se descarga represente un 0 lógico.
FUSIBLES: Un filamento delgado de semiconductor que se quema o se deja completo para representar un 1 o un 0
ORIENTACIÓN MAGNÉTICA: La orientación de un dispositivo magnético representa un 1 o un 0 lógico.
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Parte II Memorias
Tipos de memorias
RAM
Random Access
Memory
Almacenamiento temporal de datos
Pierde la información capturada cuando se le desconecta alimentación
ROM
Read Only Memory
Memoria que conserva el contenido aun cuando se desconecta
Tipos de memorias ROM
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Parte II Memorias
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Tipos de memorias ROM
EPROM (Erasable-Programable Read Only Memory) Funciona con el principio de fusibles
Puede borrarse mediante luz ultravioleta
Se reprograma eléctricamente
EEPROM (Electrically Erasable-Programable Read Only Memory) Funciona con el principio de fusibles
Puede borrarse con impulsos eléctricos controlados
Se reprograma eléctricamente
Flash Funciona igual que la EEPROM pero a una
velocidad de operación y programación mayor.
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Parte II Memorias
PARTE III: PERIFÉRICOS
•Definición
•Puertos del procesador
•Ejemplos
•Convertidores Analógico a Digital
•Salidas\Entradas seriales
•Salidas moduladoras de ancho de
pulso (PWM)
Indice
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Definición de periférico
Dispositivo externo que intercambia datos con el procesador.
La comunicación entre el procesador y el periférico está regulada por el procesador de acuerdo con los métodos: POLING: El procesador revisa ordenadamente
todos los periféricos para atender a cada uno de ellos secuencialemente.
INTERRUPCIONES: El periférico que está listo para ser atendido por el procesador solicita una “interrupción” de la ejecución del programa para que el procesador lo atienda.
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Parte III Periféricos
Puertos del procesador
Ventanas por las cuales el procesador se comunica con los periféricos.
Tienen un canal de datos por el cual circula la información
El procesador genera las señales de control que permiten habilitar a cada uno de sus periféricos
Cuando un periférico es habilitado, este pone información en el bus de datos. Esta información es leida por el puerto correspondiente.
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Parte III Periféricos
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Ejemplos de periféricos
Convertidor analógico a digital
Puerto bidireccional de comunicación serie
Salidas de modulación de ancho de pulso
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Parte III Periféricos
Convertidor de analógico a digital
Dispositivo que recibe una señal analógica y la muestrea con cierta frecuencia para generar un valor digital representativo de la señal al momento de la toma de la muestra.
Tiene un voltaje de referencia que se utiliza para definir la escala de valores digitales.
La salida se presenta como un código de varios bits, estos se leen todos al mismo tiempo.
Están diseñados para generar una señal de interrupción cada vez que han concluido una conversión a digital.
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Parte III Periféricos
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Puerto de comunicaciones seriales
EMISOR: Dispositivo que toma un dato de “n” bits y lo descompone para extraer el dato bit por bit por un solo pin.
RECEPTOR: Dispositivo que recibe una secuencia de bits y las almacena hasta componer un código de “n” bits.
PROTOCOLO: Debe ordenarse y marcarse el tiempo que dura un bit en ser transmitido para interpretar correctamente la transmisión de los bits, así como definir mecanismos que marquen el final y el inicio de una transmisión. Volver
Parte III Periféricos
Modulador de ancho de pulso (PWM)
Dispositivo que recibe un código digital de “n” bits, y de acuerdo con el valor, genera una señal cuadrada con un pulso alto de duración proporcional al valor recibido.
Este dispositivo se utiliza puesto que la señal de salida (PWM) se utiliza para controlar dispositivos reguladores de potencia como SCR y TRIAC
Con el uso de ambos dispositivos (TRIAC y PWM) se regula la potencia que se aplica a una carga de corriente alterna, por ejemplo motores, bombillas, resistencias de hornos,etc
Regular la potencia de un motor de corriente alterna significa regular la velocidad de giro del mismo.
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Parte III Periféricos
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PARTE IV:
MICROPROCESADORES Y SU
INTEGRACIÓN CON LOS
PERIFÉRICOS
Indice
•Se fabrican procesadores y en el mismo encapsulado se incluyen
dispositivos periféricos comunes como el ADC, PWM, o puerto de
comunicación serie
•Se reduce la circuitería de soporte para el procesador
•Se facilita el desarrollo de aplicaciones específicas
•Se incluye memoria interna en el procesador para manejar lso periféricos
integrados
•Se inicia la programación del sistema interno del chip para ejecutar una
función particular
PARTE V: Microcontroladores
¿Que son?
Índice
Ventajas
Arquitecturas
Elementos Comunes
Fabricantes
Aplicaciones Comunes
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¿Que es un microcontrolador?
Sistema electrónico que integra las capacidades de una arquitectura especifica de microprocesador, junto con las capacidades de acople a otros sistemas que brindan los periféricos, todo, en un solo empaquetado.
Se logra integración, disminución del costo en implementación de aplicaciones especificas.
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Ventajas del uso de microcontroladores
Reducción de la cantidad de espacio en la implementación de un diseño dado.
Reduce el costo de implementación.
Permite desarrollo de aplicaciones especificas de manera mas rápida y eficiente.
Los fabricantes dan mucho soporte sobre las aplicaciones más comunes.
Se adaptan mejor a aplicaciones especificas
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Arquitecturas(1)
La arquitectura de un procesador define el modo de operación del mismo en cuanto a conjunto de instrucciones y modo de ejecución de las mismas.
En cuanto al conjunto de instrucciones, se clasifican en dos grupos principalmente CISC(Complex Instruction Set Computer ), RISC(Reduced Instruction Set Computer )
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CISC
Instrucciones especializadas
se requieren un set de instrucciones amplio para dar soporte a una arquitectura
Duración de la ejecución de las instrucciones no es homogéneo.
programas requieren menos código fuente.
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RISC
Set de instrucciones reducido
Instrucciones de carácter general
Duración homogénea de la ejecución de las instrucciones.
Se requiere mas código para describir una operación que con una arquitectura CISC
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Arquitecturas(2)
En cuanto al modo de ejecución de las instrucciones las arquitecturas se clasifican en: Von neuman, Segmentada, paralela.
En esta clasificación es importante conocer como esta dispuesto el bus de direcciones y el bus de datos.
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Von Neuman
Ejecución secuencial de las instrucciones
Existe solo una unidad de búsqueda y una unidad de ejecución
La instrucción siguiente se busca hasta que se ejecute la instrucción actual
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Segmentada
Divide la búsqueda de las instrucciones de manera que cuando se ejecute la instrucción actual, ya se este buscando la siguiente.
Multiplica la velocidad de ejecución al doble que la Von Neuman
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Harvard
Conocida como arquitectura de ejecución paralela.
Posee varias unidades de ejecución
Divide los procesos
Orientada a sistema multitarea
Bus de direcciones y de datos separados en la arquitectura
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Elementos Comunes en los microcontroladores
ADC
USART
RTC
Puertos entrada/salida paralelos
PWM
USB
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ADC (Convertidor analógico Digital)
Permite que el sistema microcontrolador pueda procesar una variable analógica
Valor mínimo y máximo ajustable
Resolución: indica la precisión de la conversión realizada
Entre más cantidad de bits, más es la resolución del convertidor
Requieren configuración a través de registros especiales del microntrolador
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USART(ADDRESSABLE UNIVERSAL SYNCHRONOUS ASYNCHRONOUS RECEIVER TRANSMITTER)
Permite conexión serie a otros dispositivos
Se configura a través de registros internos.
Velocidad de transferencia variable
Formato de la trama variable
Puede manejarse a través de interrupciones
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Puertos entrada Salida
Unidireccionales o bidireccionales
Se configuran a través de un registro especifico
Debe estar mapeados
Se accesan por medio de una dirección
Pueden ser TTL, CMOS, ST, según sea el dispositivo con el que se comunican.
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Fabricantes Comunes de Microcontradores
Microchip: Familas de PIC´s
Arquitecturas RISC, Harvard
Motorola: Familia 68XX
Arquitecturas CISC, segmentada
Intel: Familias 80XX
Arquitecturas CISC, Von neuman
NEC
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Aplicaciones Comunes
Sistemas de Monitoreo y control de variables analógicas
Computadoras de uso especifico
Sistemas de desarrollo y experimentación
Sistemas embebidos
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