microcontrolere-curs

7/29/2019 Microcontrolere-curs

1/74

1. Introducere2. Modele i limbaje pentru specificaia

sistemelor

3. Interfee de comunicaie4. Periferice pentru sisteme dedicate5. Microcontrolere6. Procesoare dedicate7. Dezvoltarea programelor8. Sisteme de operare dedicate9. Implementarea sistemelor dedicate

27.11.2012 Sisteme de calcul dedicate (05-1) 1


2/74

Microcontrolere 8051Microcontrolere PICMicrocontrolere AVRMicrocontrolere DSP



3/74

Arhitectura 8051

Organizarea memoriei

Registre cu funcii speciale

Porturi de I/E



4/74

A fost proiectat de firma Intel la nceputulanilor 1980 familia MCS-51

Numeroase microcontrolere proiectateulterior sunt compatibile cu arhitectura 8051

Diferii productori au adoptat arhitectura Compatibilitatea programelor

Exist diferite extensii ale arhitecturii 8051 Memorii de dimensiuni mai mari Interfee de I/E suplimentare



5/74

UCP de 8 bii aplicaii de controlMemorii separate de program i de date

arhitectur Harvard

Spaii de adresare de cte 64 KB Memorie intern de program: 4 KB, 8 KB, 16 KB

ROM (EPROM) Memorie intern de date: 128/256 B RAM

Patru porturi de I/E 32 linii bidirecionale

Dou numrtoare/contoare de timp

Interfa serial UART



6/74



7/74

Semnale -INT0, -INT1: surse de ntreruperi externe

T0, T1: intrri de ceas pentru numrtoare

-RD: citire pentru memoria RAM extern -WR: scriere pentru memoria RAM extern

-EA (External Access): selecia primilor 4 KB (8 KB,16 KB) ai memoriei de program memoriaintern sau extern

ALE (Address Latch Enable): semnal pentrumultiplexarea adreselor i datelor (P0)



8/74

-PSEN (Program Store ENable): semnal de strobpentru citirea memoriei de program externe

P0: port de adrese (A7..A0) sau date; port de I/E

P2: port de adrese (A15..A8); port de I/E P1, P3: porturi de I/E

RXD: intrare pentru comunicaia serial

TXD: ieire pentru comunicaia serial



9/74

Arhitectura 8051



Porturi de I/E



10/74

Spaii de adrese separate pentru memoriade program i cea de date

Memoria de program poate fi numai citit

Primii 4 KB, 8 KB sau 16 KB ai memoriei deprogram sunt interni

Memoria de date poate fi accesat prin adrese

de 8 bii Se pot genera adrese de 16 bii pentru memoria

de date prin registrul DPTR



11/74

Memoria de program

Dup resetare, execuia programului ncepe de laadresa 0000h

Locaiile 0003h .. 0033hconin rutinele de tratareale ntreruperilor

Adresele memoriei de program sunt ntotdeauna

de 16 bii -EA: valideaz sau invalideaz utilizarea memoriei

de program interne



12/74



13/74

Configuraie pentru utilizarea memoriei de programexterne



14/74

Memoria intern de date Adresele pentru aceast memorie sunt de 8 bii

spaiu adresabil de 256 octei

Memoria este mprit n mai multe blocuri

Adresele 00h..1Fh: patru bancuri de cte 8 registre(R0 .. R7)

Adresele 20h..2Fh: locaii adresabile la nivel de bit

(adrese de bii ntre 00h..7Fh) Adresele 30h..7Fh: 80 de locaii disponibile

(inclusiv pentru stiv)



15/74



16/74

Adresele 80h..FFh: registre cu funcii speciale SFR(Special Function Register) adresare direct

Aceeai zon poate conine 128 de locaii

suplimentare adresare indirectMemoria extern de date

Adresele pentru aceast memorie pot fi de 8 sau16 bii

-RD, -WR: semnale pentru citirea i scriereamemoriei externe de date



17/74

Configuraie pentru utilizarea unei memorii externe de datede pn la 2 KB



18/74

Arhitectura 8051



Porturi de I/E



19/74

Registre utilizate pentru unele instruciuni ipentru controlul diferitelor periferice Pot fi accesate numai prin adresare direct

Nucleul de baz 8051 conine 21 de registrespeciale SFR

Microcontrolerele mbuntite conin

registre SFR suplimentareRegistrele cu adrese de forma X0h i X8h sunt

adresabile i la nivel de bit (ntre 80h..FFh)



20/74



21/74

Registrul ACC

Registru acumulator

Conine unul din operanzii instruciunilor

aritmetice/logice i rezultatul

Transferurile ntre registre trebuie efectuate prinintermediul acumulatorului

Registrul B Conine unul din operanzii instruciunilor denmulire i mprire



22/74

Registrul PSW (Program Status Word)

Bii de stare: CY, AC, OV, P

Bit de stare definit de utilizator: F0

Doi bii pentru selecia bancului de registre

Registrul DPTR (Data Pointer)

Const din dou registre de 8 bii: DPH, DPL

Se utilizeaz pentru adresarea memoriei externe



23/74

Registrul SP (Stack Pointer)

Indicator de stiv La resetare este iniializat cu 07h

La execuia instruciunilorPUSHi CALL,coninutul SP este incrementat cu 1

Registrul IE (Interrupt Enable)

Permite validarea/invalidarea ntreruperilor 5 surse de ntrerupere: -INT0, -INT1, T0, T1, portul

serial



24/74

Registrul IP (Interrupt Priority)

Permite setarea prioritii ntreruperilor

Prioritate nalt sau sczut

Registrele P0, P1, P2, P3

Conin starea liniilor porturilor de I/E

Permit configurarea liniilor porturilor ca intrri sau

ieiri La resetare, toate liniile sunt configurate ca intrri



25/74

Registrele TL0/TH0 (Timer 0 Low/High)

Conin valoarea contorului de timp T0

Registrele TL1/TH1 (Timer 1 Low/High)

Conin valoarea contorului de timp T1

Registrul TMOD (Timer Mode)

Selecteaz modul de funcionare al contoarelor de

timp T0i T1: 13 bii; 16 bii; 8 bii cu auto-rencrcare; dou contoare independente de cte8 bii



26/74

Registrul TCON (Timer Control) Permite pornirea/oprirea contoarelor Conine bii indicatori ai depirii

Registrul SBUF (Serial Port Buffer) Conine datele transmise i recepionate de portul

serial

Registrul SCON (Serial Port Control) Conine bii pentru: selecia modului; starea

transmisiei i recepiei



27/74

Arhitectura 8051

Organizarea memoriei Registre cu funcii speciale

Porturi de I/E



28/74

Porturile sunt bidirecionale

Fiecare port conine: un registru (P0..P3); undriver de ieire; un buffer de intrare

Pinii portului P3sunt multifuncionali La aceti pini se conecteaz i semnalele RXD,

TXD, -INT0, -INT1, T0, T1, -WR, -RD

Controlul direciei unei linii de I/E: prin setareabitului corespunztor al registrului Px Ieire: Px = '0' Intrare: Px = '1'



29/74

Porturile P1, P2i P3au rezistene internepentru conectarea la tensiunea Vcc (pull-up) Porturi cvasi-bidirecionale

Portul P0nu are o rezisten intern pull-up Liniile P0utilizate ca ieiri sunt cu dren deschis

port bidirecional

Porturile P0i P2 nu se pot utiliza ca I/Egenerale dac este necesar adresarea uneimemorii externe



30/74

Microcontrolere 8051Microcontrolere PICMicrocontrolere AVRMicrocontrolere DSP



31/74

Prezentare general Arhitectura PIC24H



32/74

PICProgrammable Interface Controller,redenumit n Programm. Intelligent Computer

Microcontrolere produse de Microchip

TechnologyDiferite serii: PIC10, PIC12, PIC16, PIC17, PIC18,

PIC24, PIC32 Instruciuni de 12, 14, 16, 24 sau 32 biiDate de 8, 16 sau 32 biiArhitectur HarvardArhitectur RISC



33/74

Instruciunile se execut ntr-un singur ciclu deinstruciuni (salturi: 2 cicluri) Un ciclu de instruciuni: 4 cicluri de ceas

Memoria de date RAM Setul de registre funcioneaz ca o memorie RAM Bancuri de memorie pentru extinderea adresrii

Memoria de program Implementare: memorie ROM, EPROM sau flash

Dimensiunea cuvntului Unitatea de adresare a memoriei de program nu este

aceeai cu cea a memoriei de date



34/74

Arhitectura de baz (PIC10) Un singur registru acumulator (W) 32 de registre locaii RAM Memoria extern de date i memoria extern de

program nu sunt adresabile direct Memoria de program: 512 cuvinte (12 bii) Extindere pn la 2 K cuvinte: bancuri de memorie

Stiv hardware de dou cuvinte pentru apeluri

de subrutine Adresarea indirect este posibil prin dou

registre suplimentare (FSR i INDF)



35/74

PIC12, PIC16 128 de registre (8 bii)

Primele 32: registre cu funcii speciale

Urmtoarele 96: memorie RAM Memorie de date EEPROM de 64 locaii (8 bii)

Memorie de program (flash) de pn la 2 K cuvinte(14 bii), adresabil direct

Extindere pn la 8 K cuvinte

Stiv hardware de 8 cuvinte



36/74

PIC18 Acces de citire la memoria de program (pn la 64

K cuvinte, 16 bii)

Interfa cu o memorie extern de program Memorie de date de pn la 4 KB Transferuri directe ntre registre Circuit de nmulire de 8 x 8 bii

Stiv hardware de 31 cuvinte Instruciuni de salt condiionat



37/74

PIC24 Dou familii de 16 bii PIC24F: consum de energie redus, 16 MIPS

PIC24H: performane superioare, 40 MIPS 16 registre de lucru (W0 .. W15), 16 bii Memorie RAM: 512 B .. 96 KB Memorie de program (flash): 4 KB .. 256 KB

Instruciuni de 24 bii Stiv software Operaie de nmulire de 16 x 16 bii cu semn



38/74

PIC32 Nucleu MIPS M4K de 32 bii, 80 MHz Instruciuni de 32 sau 16 bii

Memorie RAM: 128 KB Memorie de program (flash): 512 KB Permite execuia programului n memoria RAM Bufferde prencrcare a instruciunilor (256 B)

Operaie de nmulire i acumulare de 32 x 32 bii Modul MAC Ethernet 10/100 i controler USB OTG

cu canale DMA dedicate



39/74

Prezentare general Arhitectura PIC24H



40/74

Caracteristici Set de instruciuni optimizat pentru limbajul C Adresare liniar a memoriei de program

Adresare liniar a memoriei de date Un ciclu de ceas pentru majoritatea instruciunilor Operaii de mprire de 32/16 i 16/16 bii Modul DMA cu 8 canale, cu buffer de 2 KB

Memorie SRAM de date: pn la 30 KB Memorie flash de program: pn la 256 KB Pn la 85 pini de I/E, pini de intrare tolerani la 5 V



41/74

Schema bloc



42/74

UCP Fiecare registru de lucru poate conine date,

adrese sau valori de offset

W15: indicator de stiv (SP) Spaiul memoriei de program: 4 M cuvinte (24 bii) Spaiul memoriei de date: 32 K cuvinte sau 64 KB Unitate de generare a adreselor (AGU): acceseaz

memoria de date ca un spaiu liniar (indirect) Datele din memoria de program pot fi accesate

direct prin mecanismul Program Space Visibility



43/74

Memorie RAM DMA de 2 KB, accesibil simultande UCP i controlerul DMA

Se pot executa instruciuni cu trei operanzi ntr-un

singur ciclu de ceas Instruciune REPEAT pentru bucle de program Circuit de nmulire de 17 x 17 bii Operaii de mprire iterative bucle REPEAT

Circuit de 40 bii pentru deplasarea la stnga saula dreapta cu pn la 16 bii un ciclu

Sistem de ntreruperi cu 7 nivele de prioritate



44/74

Convertoare A/D Pn la 32 de canale analogice Rezoluie configurabil de 10 sau 12 bii

Rata de eantionare 10 bii: 1,1 M eantioane/s (2,2 M eantioane/s cu dou

convertoare A/D) 12 bii: 500 K eantioane/s (1 M eantioane/s cu dou

convertoare A/D)

Comanda conversiei: manual sau sincronizat cuuna din patru surse de declanare



45/74

Contoare de timp Pn la 9 contoare de timp de 16 bii Se pot configura ca i 4 contoare de 32 de bii

Diferite moduri: ceas de timp real, contor de timp,numrtor sincron sau asincron

Module comparatoare/PWM Compar valoarea unei baze de timp selectate cu

valoarea unor registre de comparare Pot genera un impuls sau o secven de impulsuri Pn la 8 canale, mod de funcionare PWM



46/74

Module SPI Comunicaie serial sincron Permit toate modurile de funcionare SPI

Cuvinte de 8 sau 16 biiModule UART

Comunicaie serial asincron (RS-232, RS-485) Generator integrat al ratei de bii Viteze de pn la 10 Mbii/s Codificarea i decodificarea prin hardware a

mesajelorIrDA



47/74

Module I2C Comunicaie serial sincron Adrese de 7 sau 10 bii

Frecvene de 100 KHz sau 400 KHz Funcionare multi-master: detectarea coliziunilor

Module CAN Implementeaz protocoalele CAN 2.0A i 2.0B Cadre de date standard i extinse Lingimi ale mesajelor pn la 8 octei Vitez programabil pn la 1 Mbit/s



48/74

Porturi de I/E Unii pini ai porturilor de I/E au funcii alternative

pentru periferice

Pinii porturilor de I/E au trei registre asociate Registrul de direcie TRISx: specific dac pinul

este intrare ('1') sau ieire ('0') Registrul latch de date LATx: memoreaz datele

de ieire Registrul portului PORTx: permite citirea strii

logice a pinilor de intrare



49/74


Microcontrolere 8051

Microcontrolere PICMicrocontrolere AVRMicrocontrolere DSP


50/74


Prezentare general

Arhitectura ATmega Nucleul UCP

Tipuri de memorii

Porturi de I/E


51/74


Microcontrolere RISC de 8 i 32 biiProduse de firma AtmelArhitectur Harvard

Arhitectura de baz a fost proiectat laInstitutul Norvegian de Tehnologietehnologie transferat la Atmel Norvegia

AVR Advanced Virtual RISC sau Alf &Vegard [RISC]

AT90S8515: aceiai pini ca i 8051


52/74

Familiile de 8 bii: 32 de registre generale Registrele sunt mapaten spaiul memoriei

Sistem pipelinecu dou etaje

Instruciuni executate n 1-2 cicluri de ceasUnele modele conin o interfa cu o

magistral extern Spaiu de adresare de 64 KB

Conectarea unor memorii de date sau perifericeModuri multiple pentru reducerea energiei

consumate



53/74


Microcontrolere tinyAVR Memorie flash de program: 1 .. 8 KB

Memorie SRAM de date: 64 .. 512 B

Memorie EEPROM: 64 .. 512 B

Set limitat de periferice: comparator analogic,amplificator programabil, convertor A/D, interfaserial universal, PWM, senzor de temperatur

Consum redus de energie prin tehnologiapicoPower

Posibilitatea alimentrii de la o singur baterie


54/74

Microcontrolere megaAVR Memorie flash de program: 4 .. 256 KB Memorie SRAM de date: 512 B .. 8 KB Memorie EEPROM: 256 B .. 4 KB Set extins de instruciuni Set extins de periferice: exist n plus contoare de

timp, interfa TWI (Two-Wire Interface), interfaSPI, controler USART

Variante de microcontrolere megaAVRcare conincontrolere LCD, USB, CAN, Ethernet etc.

Consum redus de energie



55/74

Microcontrolere XMEGA Memorie flash de program: 64 .. 384 KB

Memorie SRAM de date: 2 .. 32 KB

Memorie EEPROM: 1 .. 4 KB Controler DMA (4 canale) Convertoare A/D i D/A de 12 bii Sistem de gestiune a evenimentelor (4/8 canale) Modul de criptare pentru standardele AES i DES Sub-familia A1: interfa cu o magistral extern Frecvena UCP: pn la 32 MHz



56/74

Microcontrolere AVR32

Familia AVR32 UC3

Arhitectur Harvard cu trei etaje pipeline

Acces la memoria SRAM din cadrul UCP ntr-unsingur ciclu de ceas

Dou memorii SRAM suplimentare DMA

Extensii opionale: DSP cu aritmetic saturat,Java, SIMD

Modul opional de gestiune a memoriei



57/74

Seriile A0, A1: interfee USB OTG, Ethernet MAC,SDRAM

Seriile A3, A4: interfa USB de vitez ridicat,

interfa SDRAM, convertor D/A audio stereo Seria B: pentru aplicaii USB

Seria C: pentru aplicaii de control industrial ipentru industria de automobile

Seria D: pentru aplicaii care necesit cost redus

Seria L: pentru sisteme alimentate de la baterie



58/74


Prezentare general


Tipuri de memorii

Porturi de I/E


59/74



60/74


Execuie pipelinea instruciunilor

Execuia este suprapus cu extragereainstruciunii urmtoare

Se execut o instruciune pe ciclu de ceas

Majoritatea instruciunilor sunt de 16 bii32 de registre generale (8 bii)

Spaiul memoriei de program conine: Seciunea programului ncrctor (boot) Seciunea programului de aplicaie


61/74


UAL Conexiune direct cu registrele generale Instruciuni ntre dou registre sau ntre un

registru i o valoare imediat Unele versiuni conin un circuit de nmulire

Registrele generale Timp de acces de un ciclu de ceas

R0 .. R31 Fiecare registru are asignati o adres a

memoriei de date primele 32 de locaii


62/74


Registrele R26..R31 se pot utiliza ca trei registre de16 bii pentru adresarea indirect a memoriei dedate X, Y, Z

Stiva Este implementat n memoria SRAM

Registrul SP (SPH, SPL) indic vrful stivei

Stiva crete spre adrese mici SP trebuie

iniializat cu o valoare de peste 60h Registrul SP este decrementat cu 1 (PUSH) sau cu

2 (CALL, ntrerupere)


63/74


Prezentare general


Tipuri de memorii

Porturi de I/E


64/74


Memoria flash de program ATmega16: 16 KB (8 K x 16 bii)

Cel puin 10.000 de cicluri (scriere/tergere)

Memoria SRAM de date 32 locaii: registrele generale

64 locaii: registrele de I/E

1024 locaii: memoria SRAM intern de date


65/74



66/74


Memoria EEPROM de date

ATmega16: 512 B

Cel puin 100.000 cicluri (scriere/tergere)

Spaiu separat de date

Pentru scriere trebuie urmat o procedurspecific

Registre de acces EEPROM: registre de adres(EEARH, EEARL); registru de date (EEDR); registrude control (EECR)


67/74


Prezentare general


Tipuri de memorii

Porturi de I/E


68/74


Porturi bidirecionale PORTA .. PORTD

Direcia unui pin de I/E se poate schimba fra afecta direcia altor pini

Fiecare pin are o rezisten pull-upselectabil

Exist trei registre pentru fiecare port

Registrul de date PORTx (R/W)

Registrul de direcie DDRx (R/W)

Registrul pinilor de intrare PINx (R/O)


69/74


Configurarea pinului PORTxn Pentru ieire: DDxn = '1'

Pentru intrare: DDxn = '0'

Activarea rezistenei pull-up: Se configureaz pinul ca intrare; PORTxn = '1'

Dezactivarea rezistenei pull-up:

PORTxn = '0', sau Se configureaz pinul ca ieire


70/74

Microcontrolere 8051

Microcontrolere PICMicrocontrolere AVRMicrocontrolere DSP



71/74

DSPDigital Signal ProcessorProcesoare optimizate pentru calcule

matematice intensive

Preiau sau citesc datele de intrare Execut prelucrrile asupra datelor Transfer la ieire sau memoreaz rezultatele Conin uniti pentru operaii MAC (Multiply

Accumulate) i circuite de deplasarePot avea spaii de adresare duale pentru date

Doi operanzi pot fi accesai simultan



72/74

Majoritatea au o arhitectur HarvardAplicaii

Prelucrarea semnalelor audio i video

Prelucrarea imaginilor Comunicaii (reele, telefoane)

Radio i televiziune digital

Aparatur medical

Navigare GPS



73/74

Microcontrolere DSP Conin un nucleu de procesor DSP i periferice

obinuite unui microcontroler

Set de instruciuni mixt: instruciuni DSP(transferuri de date i operaii aritmetice) iinstruciuni obinuite ale unui procesor

Se utilizeaz pentru aplicaii care necesit calculeintensive, dar costuri reduse: telefoane, aparatefoto digitale, robotic



74/74

Exemple de microcontrolere DSP Texas Instruments: seriile TMS320C62x,

TMS320C64x, TMS320C67x, TMS320C645x

Microchip Technology: seriile dsPIC30FXXX,dsPIC33FXXX

Freescale Semiconductor: seriile 56F800, 56F820,56F8000, 56F8100, 56F8300, 56F8400

Analog Devices: seriile ADSP-21xx, Blackfin,SHARC

microcontrolere-curs

Documents