dispositivos de control1 introduccion

7/31/2019 Dispositivos de Control1 Introduccion

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Objetivo General

Comprender la arquitectura bsica y funcionamientode los microprocesadores (P) y microcontroladores

(C), para implementar proyectos funcionales.


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Objetivos de aprendizaje

Explicar los principios de operacin fundamentales sobre los cuales sebasa la operacin de los modernos microcontroladores ymicroprocesadores.

Conocer y explicar la arquitectura bsica de los microcontroladores y

microprocesadores, incluyendo los diversos mdulos que loscomponen.

Describir y explicar los conceptos y mecanismos fundamentalesinvolucrados en el control de registros internos, mdulos de memoria yperifricos as como el manejo de interrupciones.

Programacin usando compiladores como PSoC Designer, que

incorporan programacin en ensamblador y en C, para el desarrollo deprogramas simples y complejos.

Comprender la interaccin software-hardware, para la correctaimplementacin de proyectos tanto simples como complejos.


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Seguramente los compiladores se harancargo de eso, lo cual no hara necesarioconocer detalles de hardware, o si? Cierto en algunos aspectos, pero si quiero

Desarrollar sistemas eficientes,

Optimizar cdigo de manera efectiva para sistemas conrestricciones o limitaciones,

Entender mi programa correctamente y tener control totalsobre registros, perifricos e interrupciones,

Ser un buen Ingeniero!,

necesitamos saber que pasa dentro del micro.


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Introduccin a los microcontroladores, (teora y caractersticas dediversos Cs) con un vistazo a los microprocesadores.

Familia de microcontroladores (sistemas embebidos) PSoC.

Programacin de microcontroladores, usando el ambiente deprogramacin del micro en cuestin.

Practicas y proyectos que involucren el manejo de uno o varios delos siguientes dispositivos: Comunicaciones Seriales

LCDs

Motores de CD, AC, a pasos, servomotores, Pistones y Relevadores.

Sensores ultrasnicos, Luz, temperatura, humedad, presin y tctiles

Proyecto Final


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Fuente de 5 volts.

Multmetro.

Protoboard

Microcontrolador PSoC Modelo CY8C29466-PVXI.

Pantalla LCD de 16 caracteres, 2 lneas.

Teclado Matricial (Hecho o Comprado)

Motor de DC (si es posible con reductor). Motor a Pasos (De preferencia con 6 cables).

Servomotor (opcional)

LM35Z (Sensor de Temperatura)

24LC02 (Memoria EEPROME I2C)

L298N o SN754410N (2 Puentes H)

Bocina Piezoelctrica.

TRIAC 4Amp de preferencia MOC3010 u opto acoplador equivalente SIN Detector de cruce por cero. (Random

Phase)

MAX232 o Equivalente.

Opto acoplador con salida a Transistor 4N25 o equivalente

Conector DB9 Hembra, Capacitores de 1uF, Resistencias de 330 y 10K de watt.Resistencias Watt (valores a calcular), LEDs, Alambre para conexiones, Tira de

Postes, Puente de diodos Pequeo, Push Buttons.


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Juego de Ping Pong con dificultad variable y efectosde sonido.

Torreta BBC controlada desde la PC.

Robot Buscador/Seguidor de Luz infrarroja modulada a

5KHz.

Juego de Ahorcado con dificultad variable y efectos de

sonido.

Cerradura de seguridad con Clave y Llave electrnica.

Servomotor con control Estndar por PWM y Por la PC

de 360

Juego Competencia de Inteligencia.


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Las primeras mquinas de calcular fueron los dedos, piedras,etc.,

Los babilonios inventaron el baco alrededor del 500 AC.

Blas Pascal invent una maquina que utilizaba engranes y ruedas

en 1642. Continan los progresos con las gigantescas maquinas de las

dcadas de 1940 y 1950 que utilizaban relevadores y tubos devaco (bulbos).

Con el invento del transistor se logran construir las poderosasmaquinas de la dcada de 1960.

Con el advenimiento de los circuitos integrados se perfecciona elmicroprocesador y los sistemas de microcomputadoras.


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El microprocesador de 4 bits TI, desarrolla el TMS1000 y el TMS1802NC, el cual implementaba una

calculadora en un chip. (Sept., 17, 1971)

Intel desarrolla el 4004 (Noviembre 15, 1971)

El microprocesador de 8 bits (Intel, 1972) Intel 8008, con mayor capacidad de direccionamiento, memoria ampliada,

instrucciones adicionales.

Intel 8080, primero de los micros modernos de 8 bits, mayor capacidad dedireccionamiento, mas instrucciones, mayor velocidad, compatible con lgicaTTL.

Intel 8085, integra componentes que eran externos en el 8080.

Motorola compite con el 6800 (1975), primero en usar registro de indexado.

El microprocesador de 16 bits Intel 8086 en 1978 y el 8088 en 1979, direccionan 1 M byte o una memoria de

512 word (16 bits).

Y los microcontroladores?


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1.1 Introduccin

1.2 Que es un microprocesador?1.2.1 La unidad de control

1.2.2 La unidad aritmtico-lgica (ALU)

1.2.3 Los registros internos

1.2.4 Memoria de programa (ROM)

1.2.5 Un procesador de 4 bits1.2.6 Memoria de Acceso aleatorio (RAM)

1.2.7 La lnea de seleccin de integrado

1.3 Que es entrada/salida (I/O)?1.3.1 Entrada/Salida digital

1.3.2 Puerto de salida

1.3.3 Puerto de entrada

1.4 Qu es un microcontrolador?1.4.1 Memoria en un microcontrolador

1.4.2 Puertos de Entrada/Salida

1.5 Conclusiones


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Los microprocesadores y los microcontroladores soncomponentes muy comunes en los sistemaselectrnicos modernos.

Tienen un uso tan amplio que es casi imposible pensaren una aplicacin que no los utilice.

Se usan en un gran numero de sistemas electrnicoscomo: Control de motores

Teclados de computadora

Instrumentos de medicin (multmetros, osciloscopios,frecuencmetros)

Impresoras Telfonos mviles

Televisiones, radios, tocadores de discos compactos, equiposde grabacin

Sistemas de alarmas de seguridad, incendios, puertasautomticas


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MicroProcesador

Unidad Aritmtico

Lgica

ALU

Unidad de Control

de Ejecucion

Registros

Reloj

Bus de Datos

Bus de Direcciones

Bus de Control

Memoria y

Puertos


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UADYArquitectura de un microprocesador,qu es?

8086


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UADYArquitectura de un microprocesador,qu es?

Z-80


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Unidad funcional: Grupo de circuitos que desempea tareas comunes y similares

Arquitectura: La forma en que se conectan la unidades funcionales.

Para nuestro ejemplo: Compuerta logicas: ALU Oscilador y divisor de frecuencia: Unidad de control Contador binario, como contador del programa: Registros

internos

Memoria ROM grabada con las intrucciones: Memoria deprograma


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Unidad funcional primaria dentro delmicroprocesador.

Utiliza seales de reloj, para mantener lasecuencia de eventos apropiada para llevar a

cabo cualquier tarea de procesamiento Es capaz de responder a seales externas que

modifican el estado del procesador.

La unidad principal es el Generador de ciclo demaquina (GCM), el cual se encarga deproducir las seales de control, derivndolasdel reloj.


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En esta se llevan a cabo las operaciones del

procesador:

Suma

Funciones lgicas

Complementos

Rotacion derecha izquierda

Cuenta con un conjunto de flip-flops llamadosbanderas, las cuales guardan informacin

relacionada con las operaciones realizadas


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Son unidades de almacenamiento temporal dentro del

microprocesador.

Se dividen en propsito especifico y general.

Contador del programa (PC)

Registro de Acceso a Memoria (MAR)

Memory Branch Register (MBR)

Registro de Tiempos (TR)

Registro de instrucciones (IR)

Acumulador

Stack Pointer (SP)

Registro de Banderas (F)


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Memoria de solo lectura (ROM): Solo puede ser leida, el dato se almacena al manufacturarse y

una vez escrita no puede ser facilmente removida. Se lesrefiere como no volatil, ya que conserva su valor aun sinpresencia de corriente.

Memoria borrable-programable de solo lectura(EPROM) El usuario puede programar su contenido y borrarlo

exponiendo el integrado a luz aultravioleta durante un lapsocorto de tiempo.

Memoria elctricamente borrable-programablede solo lectura (EEPROM) Similar a la EPROM, pero el microcontrolador puede borrar y

programar su contenido


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Memoria

MBR

IR

MAR

TRA BSP

FALU

PC

Control deEjecucipn

Reloj


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Micro operacin. Es una instruccin que puederealizarse en un solo ciclo de reloj. Son operacionesmuy sencillas principalmente transferencias entre

registros El Ciclo de Bsqueda de Instruccin o ciclo FETCH

son todas las micro operaciones necesarias paraleer una instruccin de la memoria, y decodificarlapara iniciar su ejecucin.

Ciclo de Instruccin es el tiempo y las operacionesnecesarias para ejecutar una instruccin despues dedecodificarla.


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Busque-traiga una instruccin desde la Memoria Principal

Decodifique-tradzcala como comando de la computadora.

Ejecute-procese el comando.

Almacene-guarde el resultado en la Memoria Principal oRegistro.

Es el conjunto del ciclo Fetch + Ciclo de Instruccin. Son todaslas operaciones necesarias para buscar y ejecutar unainstruccin de la memoria


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Utilizada para poder guardar y leer datos de maneradinmica.

Por aleatorio, entendemos que cualquier dato puedeser accesado de manera rapida y en un tiempoconstante sin importar el lugar fsico donde seencuentre.

Entonces, Un sistema con microprocesador contienetanto ROM (EPROM, EEPROM), para almacenar elcdigo del programa, y RAM para almacenar datosdinmicos


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Se utiliza al tener varios dispositivosconectados a un mismo conjunto de cables (atravs de un bus) para poder enviarles

comandos o datos de manera independiente.

CS es un interruptor de habilitacin de entrada.Activo significa que el integrado responde acambios en sus pines de entrada, mientrasque inactivo le indica que ignore todo.


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Conexin bsica entre el microprocesador ydispositivos de memoria


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Se anexa lgioca para la de decodificacin de

direccin, para generar la seal CS


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La lgica es simplemente un decoder que se encarga deseleccionar de una combinacion de direcciones de

entrada, una en particular y activar una de sus salidas.

A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

1 0 1 0 X X X X X X X X X X X X

Con este arreglo se pueden seleccionar direcciones desde A000 hasta AFFF


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La linea es activa (en bajo),

cuando la seal de entrada es

1010

La logica de decodificacin

de direccin se usa para

seleccionar un solo

dispositivo de memoria,

dentro de un grupo de

dispositivos de memoria


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Es la coleccin de interfases que los dispositivosfuncionales utilizan para comunicarse entre ellos.

Teclado y mouse son dispositivos de entrada, mientrasque el monitor y la impresora lo son de salida.

El modem y la tarjeta de red pueden ser de entrada osalida.

Entrada/Salida pueden ser: Un numero de bits digitales hacia un nmero de entradas o

salidas digitales, denominado puerto, usualmente de 8 bits.

Una linea serial del microprocesador (Tx o Rx). DACs, ADCs, Timers, controladores de interrupcin, etc.


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Puede ser implementado con flip-flops tipo D

Los datos de entrada se conectan al bus de datos

del sistema, mientras que las salidas se conectan

a lo que se desee activar/controlar


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Nos permite conectar sealesexternas al microprocesador, atraves de flip-flops tipo D (p. ej.),para ser ledas por elmicroprocesador a travs del bus

de datos.

Las conexiones al bus de datosdeben hacerse por medio de unbuffer de 3 estados paragarantizar que el puerto de

entrada se conecta al bus dedatos nicamente al serseleccionado, mediante unalnea de CS.


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Dispositivo que integra un numero de componentes de unmicroprocesador en una sola pastilla.

Componentes comunes:

CPU, 4 bits a 32/64 bits

Memoria, tanto RAM como ROM

Algunos puertos paralelos de entrada/salida


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UADYVENTAJAS YDESVENTAJAS

La arquitectura Von Neuman tiene como ventaja quesimplifica el diseo del chip ya que solo es necesariauna memoria. Para los microcontroladores estosupone que la RAM puede usarse tanto para variablescomo para instrucciones de programa.

La arquitectura Harvard ejecuta instrucciones enmemos ciclos de reloj que la Von-Neuman. Esto es

debido a que mientras se esta ejecutando unainstruccin el procesador ya puede estar leyendo lasiguiente.


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Existe una gran diversidad de microcontroladores.Debido a suarquitectura podemos reducir a los siguientes:

Microcontroladores de 4 bits.



Microcontroladores de 32 bits. DSPs, PLDs, CPLDs y FPGAs

Aunque las prestaciones de los microcontroladores de 16 y 32 bitsson superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que losmicrocontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits seresisten a desaparecer.

La razn de esta tendencia es que los microcontroladores de 4 y 8bits son apropiados para la gran mayora de las aplicaciones, lo quehace absurdo emplear micros ms potentes y consecuentementems caros.


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Entrada de RESET: Pin por la que podemos reiniciar el chip en cualquier momento para que

vuelva al inicio del programa.

RELOJ: con unos pocos componentes pasivos configuramos la velocidad del

oscilador interno que marca la velocidad de proceso del programa.

Procesador CENTRAL: Es el corazn del microcontrolador, digamos que es un

microprocesador. Es el que procesa el programa a ejecutar.

Memoria de programa: Aloja el programa a ejecutar, puede ser de varios tipos.

Memoria RAM: Es la memoria de trabajo, en la que se realizaran las operaciones con las

variables de programa definidas.

Puertos de E/S: Son las conexiones con el mundo exterior. Por estas patillas podremos

manejar dispositivos externos de salidas (LED, pantallas de plasma,reles etc..) y leer dispositivos de entrada (pulsadores, interruptores,sensores etc...).


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Los controladores incluyenadems recursos especiales: Perifricos de comunicacin:

SPI, I2C, UART, CAN, USB,Ethernet, IrDA, LIN

Perifricos de control:captura/comparacion, Timers,contadores, control de motores,PWM.

Manejadores para displays: LCD,LED

Perifricos analgicos: DACs,ADCs, OP-AMPS

Watch Dog Timer

Estado de reposo o bajoconsumo

Proteccion ante fallo dealimentacion


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Ortogonalidad: Cualquier instruccin puede manejar cualquier elemento de la arquitectura

como fuente o como destino

Existen tres orientaciones en cuanto al nmero de instruccionesdebido a la arquitectura y funcionalidad de los procesadoresactuales:

1. CISC:(Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). Disponen de ms de 80 instrucciones mquina en su repertorio, algunas de

las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para suejecucin.

VENTAJA : ofrecen al programador instrucciones complejas que actan comomacros.

2. RISC: (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones mquina es muy

reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un

ciclo.

VENTAJA : La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el

hardware y el software del procesador.


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3. SISC: (Computadores de Juego de Instrucciones Especfico).

En estos procesadores el repertorio de instrucciones mquina, adems de

ser reducido, es especfico, o sea, las instrucciones se adaptan a las

necesidades de la aplicacin prevista.

Pipe-line: En la arquitectura Harvard, se aplica la tcnica de segmentacin en la

ejecucin de las instrucciones. Esto permite leer una instruccin y ejecutar

otra al mismo tiempo.


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La memoria varia en los

diferentes C.

La ROM sirve para

almacenar el programa. La RAM para almacenar

datos.

Por lo regular siempre

hay mas ROM que RAM


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Sirven para comunicarse con el mundo exterior

Tienden a ser de 8 bits, pero a veces, hay de 6 bits, e incluso algunosmicrocontroladores de 16 bits, tienen puertos hasta de 78 bits.


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Al momento ya deben tener una idea general acercade los microcontroladores y los microprocesadores ascomo la razon por la que se les llama dispositivos decontrol.

Las diferentes compaias ofrecen una amplia gama demicrocontroladores, y a veces lo dficil es seleccionaruno en particular.

Queda claro que estos dispositivos pueden seraplicados en sistemas de control embebidos que

pueden ir desde un simple control de interruptores oleds hasta sistemas complejos de procesamiento deprocesamiento.

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