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Microcontroladores genéricos




  1. Introducción a los microcontroladores.
  2. Breve introducción a la programación de los µcontroladores PIC
  3. La familia de los PIC.
  4. Microcontrolador PIC 16c711

1. INTRODUCCION A LOS MICROCONTROLADORES.

Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la invasión acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI es testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabricaremos y usamos los humanos.

1.1 Controlador y microcontrolador.

Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura interna y, cuando traspasa los límites prefijados, genera las señales adecuadas que accionan los efectores que intentan llevar el valor de la temperatura dentro del rango estipulado.

Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres décadas, los controladores se construían exclusivamente con componentes de lógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazón (chip) de un circuito integrado.

Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:

  • Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).
  • Memoria RAM para Contener los datos.
  • Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.
  • Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
  • Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.).
  • Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema.

Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes ventajas:

  • Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo.
  • Aumento de la fiabilidad: al reemplazar un elevado número de elementos por el microcontrolador disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.
  • Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks.
  • Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones.

El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded controller).

1.2 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 está 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 de 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. (Figura 1.1.)

Figura 1.1. Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicación.

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 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 ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a utilizar.

Figura 1.2. El microcontrolador es un sistema cerrado. Todas las partes del computador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos.

1.3 Aplicaciones de los microcontroladores.

Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo.

Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes.

Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, sistemas de arranque de automóviles, etc. y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.

1.4 El mercado de los microcontroladores.

Aunque en el mercado de la microinformática la mayor atención la acaparan los desarrollos de los microprocesadores, lo cierto es que se venden cientos de microcontroladores por cada uno de aquéllos.

Existe una gran diversidad de microcontroladores. Quizá la clasificación más importante sea entre microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits. Aunque las prestaciones de los microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que los microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits se resisten a desaparecer. La razón de esta tendencia es que los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace absurdo emplear micros más potentes y consecuentemente más caros. Uno de los sectores que más tira del mercado del microcontrolador es el mercado automovilístico. De hecho, algunas de las familias de microcontroladores actuales se desarrollaron pensando en este sector, siendo modificadas posteriormente para adaptarse a sistemas más genéricos. El mercado del automóvil es además uno de los más exigentes: los componentes electrónicos deben operar bajo condiciones extremas de vibraciones, choques, ruido, etc. y seguir siendo fiables. El fallo de cualquier componente en un automóvil puede ser el origen de un accidente.

En cuanto a las técnicas de fabricación, cabe decir que prácticamente la totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS 4 (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta tecnología supera a las técnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido.

La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente:

  • Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los computadores y sus periféricos.
  • La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de consumo (electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc.)
  • El 16% de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones.
  • Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales.
  • El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las industrias de automoción.

También los modernos microcontroladores de 32 bits van afianzando sus posiciones en el mercado, siendo las áreas de más interés el procesamiento de imágenes, las comunicaciones, las aplicaciones militares, los procesos industriales y el control de los dispositivos de almacenamiento masivo de datos.

1.5 Variantes en los microcontroladores

A la hora de escoger el microcontrolador a emplear en un diseño concreto hay que tener en cuenta multitud de factores, como la documentación y herramientas de desarrollo disponibles y su precio, la cantidad de fabricantes que lo producen y por supuesto las características del microcontrolador (tipo de memoria de programa, número de temporizadores, interrupciones, etc.):

Costos. Como es lógico, los fabricantes de microcontroladores compiten duramente para vender sus productos. Y no les va demasiado mal ya que sin hacer demasiado ruido venden 10 veces más microcontroladores que microprocesadores.

Para que nos hagamos una idea, para el fabricante que usa el microcontrolador en su producto una diferencia de precio en el microcontrolador de algunos pesos es importante (el consumidor deberá pagar además el costo del empaquetado, el de los otros componentes, el diseño del hardware y el desarrollo del software). Si el fabricante desea reducir costos debe tener en cuenta las herramientas de apoyo con que va a contar: emuladores, simuladores, ensambladores, compiladores, etc. Es habitual que muchos de ellos siempre se decanten por microcontroladores pertenecientes a una única familia.

Aplicación. Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la aplicación:

  • Procesamiento de datos: puede ser necesario que el microcontrolador realice cálculos críticos en un tiempo limitado. En ese caso debemos asegurarnos de seleccionar un dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado, habrá que tener en cuenta la precisión de los datos a manejar: si no es suficiente con un microcontrolador de 8 bits, puede ser necesario acudir a microcontroladores de 16 ó 32 bits, o incluso a hardware de coma flotante. Una alternativa más barata y quizá suficiente es usar librerías para manejar los datos de alta precisión. -
  • Entrada Salida: para determinar las necesidades de Entrada/Salida del sistema es conveniente dibujar un diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea sencillo identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado este análisis puede ser necesario añadir periféricos hardware externos o cambiar a otro microcontrolador más adecuado a ese sistema.
  • Consumo: algunos productos que incorporan microcontroladores están alimentados con baterías y su funcionamiento puede ser tan vital como activar una alarma antirrobo. Lo más conveniente en un caso como éste puede ser que el microcontrolador esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante la activación de una señal (una interrupción) y ejecute el programa adecuado para procesarla.
  • Memoria: para detectar las necesidades de memoria de nuestra aplicación debemos separarla en memoria volátil (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM, etc.) y memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria puede ser útil para incluir información específica de la aplicación como un número de serie o parámetros de calibración.

El tipo de memoria a emplear vendrá determinado por el volumen de ventas previsto del producto: de menor a mayor volumen será conveniente emplear EPROM, OTP y ROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser imprescindible realizar una versión preliminar, aunque sea en pseudo-código, de la aplicación y a partir de ella hacer una estimación de cuánta memoria volátil y no volátil es necesaria y si es conveniente disponer de memoria no volátil modificable

  • Ancho de palabra: el criterio de diseño debe ser seleccionar el microcontrolador de menor ancho de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación. Usar un microcontrolador de 4 bits supondrá una reducción en los costes importante, mientras que uno de 8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los datos es de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su elevado coste, deben reservarse para aplicaciones que requieran sus altas prestaciones (Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento muy elevado).
  • Diseño de la placa: la selección de un microcontrolador concreto condicionará el diseño de la placa de circuitos. Debe tenerse en cuenta que quizá usar un microcontrolador barato encarezca el resto de componentes del diseño.

Los microcontroladores más populares se encuentran, sin duda, entre las mejores elecciones:

8048 (Intel). Es el padre de los microcontroladores actuales, el primero de todos. Su precio, disponibilidad y herramientas de desarrollo hacen que todavía sea muy popular.

8051 (Intel y otros). Es sin duda el microcontrolador más popular. Fácil de programar, pero potente. Está bien documentado y posee cientos de variantes e incontables herramientas de desarrollo.

80186, 80188 y 80386 EX (Intel). Versiones en microcontrolador de los populares microprocesadores 8086 y 8088. Su principal ventaja es que permiten aprovechar las herramientas de desarrollo para PC.

68HC11 (Motorola y Toshiba). Es un microcontrolador de 8 bits potente y popular con gran cantidad de variantes.

683xx (Motorola). Surgido a partir de la popular familia 68k, a la que se incorporan algunos periféricos. Son microcontroladores de altísimas prestaciones.

PIC (MicroChip). Familia de microcontroladores que gana popularidad día a día.

Fueron los primeros microcontroladores RISC.

Es preciso resaltar en este punto que existen innumerables familias de microcontroladores, cada una de las cuales posee un gran número de variantes.

1.6 Recursos comunes a todos los microcontroladores.

Al estar todos los microcontroladores integrados en un chip, su estructura fundamental y sus características básicas son muy parecidas. Todos deben disponer de los bloques esenciales Procesador, memoria de datos y de instrucciones, líneas de E/S, oscilador de reloj y módulos controladores de periféricos. Sin embargo, cada fabricante intenta enfatizar los recursos más idóneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente.

En este apartado se hace un recorrido de todos los recursos que se hallan en todos los microcontroladores, y por ende en el PIC 16C711, describiendo las diversas alternativas y opciones que pueden encontrarse según el modelo seleccionado.

1.6.1 Arquitectura básica

Aunque inicialmente todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura clásica de von Neumann, en el momento presente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control).

La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias. Figura 1.3.

Figura 1.3. La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes para datos y para instrucciones, permitiendo accesos simultáneos.

Los microcontroladores PIC responden a la arquitectura Harvard.

1.6.2 El procesador o UCP

Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software.

Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del resultado.

Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los procesadores actuales.

CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo).

Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución.

Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan como macros.

RISC: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los microcontroladores están decantándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un ciclo.

La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador.

SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es "específico", o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico).

1.6.3 Memoria

En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.

Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de los computadores personales:

1. No existen sistemas de almacenamiento masivo como disco duro o disquetes.

  1. Como el microcontrolador sólo se destina a una tarea en la memoria ROM, sólo hay que almacenar un único programa de trabajo.

La RAM en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa.

Por otra parte, como sólo existe un programa activo, no se requiere guardar una copia del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente desde la ROM.

Los usuarios de computadores personales están habituados a manejar Megabytes de memoria, pero, los diseñadores con microcontroladores trabajan con capacidades de ROM comprendidas entre 512 bytes y 8 k bytes y de RAM comprendidas entre 20 y 512 bytes.

Según el tipo de memoria ROM que dispongan los microcontroladores, la aplicación y utilización de los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado.

1º. ROM con máscara

Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. El elevado costo del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades.

2ª. OTP

El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura "programable una sola vez" por el usuario. OTP (One Time Programmable). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC.

La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas. Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido.

3ª EPROM

Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico.

4ª EEPROM

Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie.

Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan "grabadores en circuito" que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo.

El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continua. Son muy idóneos para la enseñanza y la Ingeniería de diseño.

Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno.

Este tipo de memoria es relativamente lenta.

5ª FLASH

Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar.

Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña.

A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM.

La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado.

Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los microcontroladores que las incorporan puedan ser reprogramados "en circuito", es decir, sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta. Así, un dispositivo con este tipo de memoria incorporado al control del motor de un automóvil permite que pueda modificarse el programa durante la rutina de mantenimiento periódico, compensando los desgastes y otros factores tales como la compresión, la instalación de nuevas piezas, etc. La reprogramación del microcontrolador puede convertirse en una labor rutinaria dentro de la puesta a punto.

1.6.4 Puertas de Entrada y Salida

La principal utilidad de las patitas que posee la cápsula que contiene un microcontrolador es soportar las líneas de E/S que comunican al computador interno con los periféricos exteriores.

Según los controladores de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, las líneas de E/S se destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control.

1.6.5 Reloj principal

Todos los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema.

Generalmente, el circuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C.

Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el tiempo en que se ejecutan las instrucciones pero lleva aparejado un incremento del consumo de energía.

1.7 RECURSOS ESPECIALES

Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará el costo, el hardware y el software.

Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son:

  • Temporizadores o "Timers".
  • Perro guardián o "Watchdog".
  • Protección ante fallo de alimentación o "Brownout".
  • Estado de reposo o de bajo consumo.
  • Conversor A/D.
  • Conversor D/A.
  • Comparador analógico.
  • Modulador de anchura de impulsos o PWM.
  • Puertas de E/S digitales.
  • Puertas de comunicación.

1.7.1 Temporizadores o "Timers"

Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores).

Para la medida de tiempos se carga un registro con el valor adecuado y a continuación dicho valor se va incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o algún múltiplo hasta que se desborde y llegue a 0, momento en el que se produce un aviso.

Cuando se desean contar acontecimientos que se materializan por cambios de nivel o flancos en alguna de las patitas del microcontrolador, el mencionado registro se va incrementando o decrementando al ritmo de dichos impulsos.

1.7.2 Perro guardián o "Watchdog"

Cuando el computador personal se bloquea por un fallo del software u otra causa, se pulsa el botón del reset y se reinicializa el sistema. Pero un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continuada las 24 horas del día. El Perro guardián consiste en un temporizador que, cuando se desborda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en el sistema.

Se debe diseñar el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque o inicialice al Perro guardián antes de que provoque el reset. Si falla el programa o se bloquea, no se refrescará al Perro guardián y, al completar su temporización, "ladrará y ladrará" hasta provocar el reset.

1.7.3 Protección ante fallo de alimentación o "Brownout"

Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo ("brownout"). Mientras el voltaje de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado, comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor.

1.7.4 Estado de reposo ó de bajo consumo

Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo que le ponga de nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los aparatos portátiles), los microcontroladores disponen de una instrucción especial (SLEEP en los PIC), que les pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos. En dicho estado se detiene el reloj principal y se "congelan" sus circuitos asociados, quedando sumido en un profundo "sueño" el microcontrolador. Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo.

1.7.5 Conversor A/D (CAD)

Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas señales analógicas desde las patitas del circuito integrado.

1.7.6 Conversor D/A (CDA)

Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su correspondiente señal analógica que saca al exterior por una de las patitas de la cápsula.

Existen muchos efectores que trabajan con señales analógicas.

1.7.7 Comparador analógico

Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por una de las patitas de la cápsula. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra.

También hay modelos de microcontroladores con un módulo de tensión de referencia que proporciona diversas tensiones de referencia que se pueden aplicar en los comparadores.

1.7.8 Modulador de anchura de impulsos o PWM

Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se ofrecen al exterior a través de las patitas del encapsulado.

1.7.9 Puertas de E/S digitales

Todos los microcontroladores destinan algunas de sus patitas a soportar líneas de E/S digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertas.

Las líneas digitales de las Puertas pueden configurarse como Entrada o como Salida cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su configuración.

1.7.10 Puertas de comunicación

Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos.

Algunos modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan:

  • UART, adaptador de comunicación serie asíncrona.
  • USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona
  • Puerta paralela esclava para poder conectarse con los buses de otros microprocesadores.
  • USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.
  • Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips.
  • CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O.

1.8 Herramientas para el desarrollo de aplicaciones.

Uno de los factores que más importancia tiene a la hora de seleccionar un microcontrolador entre todos los demás es el soporte tanto software como hardware de que dispone. Un buen conjunto de herramientas de desarrollo puede ser decisivo en la elección, ya que pueden suponer una ayuda inestimable en el desarrollo del proyecto.

Las principales herramientas de ayuda al desarrollo de sistemas basados en microcontroladores son:

  • Desarrollo del software:

Ensamblador. La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los microcontroladores más populares.

Compilador. La programación en un lenguaje de alto nivel (como el C) permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el código resultante puede ser mucho más ineficiente que el programado en ensamblador. Las versiones más potentes suelen ser muy caras, aunque para los

microcontroladores más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos.

  • Depuración: debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos físicos, los desarrolladores necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.

Simulador. Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos. Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador.

Tampoco cuentan con los posibles ruidos en las entradas, pero, al menos, permiten el paso físico de la implementación de un modo más seguro y menos costoso, puesto que ahorraremos en grabaciones de chips para la prueba in-situ.

Placas de evaluación. Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a los pines de E/S, etc. El sistema operativo de la placa recibe el nombre de programa monitor. El programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte de permitir cargar programas y datos en la memoria del microcontrolador, puede permitir en cualquier momento realizar ejecución paso a paso, monitorizar el estado del microcontrolador o modificar los valores almacenados los registros o en la memoria.

Emuladores en circuito. Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es ejecutado desde el PC, pero para la tarjeta de aplicación es como si lo hiciese el mismo microcontrolador que luego irá en el zócalo. Presenta en pantalla toda la información tal y como luego sucederá cuando se coloque la cápsula.

2. BREVE INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN DE LOS µCONTROLADORES PIC

2.1 Reseña

Trataremos de brindar una breve descripción del método para programar estos microcontroladores sin entrar en técnicas avanzadas, nos centraremos directamente en la programación de los µcontroladores que nos ocupan, los PIC, es decir, no explicaremos en sí las estrategias asociadas al diseño, ya que en este caso no nos conciernen.

No obstante acompañamos nuestro trabajo con un organigrama con las distintas fases de implementación, en las que, de hecho, suponemos, tras una fase de estudio del problema, elegido ya el mejor µcontrolador, así como decidido el sistema de conexión de patillas de E/S correcto.

Las herramientas MPLAB, MPASM y MPSIM se utilizan para los microcontroladores PIC y se pueden encontrar y bajar gratuitamente de internet en la dirección www.microchip.com.

3. LA FAMILIA DE LOS PIC.

Dado que las características de los microcontroladores PIC en su mayoría se agrupan por familias es muy importante para describir el modelo PIC 16C711 dar una idea de las características de su familia o gama. El PIC 16C711 pertenece a la gama media.

Por otro lado hemos notado que Microchip ha hecho un upgrade de casi todos sus microcontroladores incluyendo el 16C711 el cual ya tiene un sustituto (esto se informa en su sitio web), dado que la mayoría de la bibliografía que hemos consultado no contemplan estos cambios, nosotros hemos decidido realizar este análisis de la misma forma.

Hemos buscado en multitud de bibliografía y realmente nadie da una respuesta concreta de porque la popularidad del PIC, pero una aproximación a la realidad puede ser esta:

Los PIC tienen varias cualidades interesantes, puede ser la velocidad, el precio, la facilidad de uso, la información, las herramientas de apoyo... .

Quizás un poco de todo eso es lo que produce esa imagen de sencillez y utilidad. Es probable que en un futuro próximo otra familia de microcontroladores le arrebate ese "algo".

Queremos constatar que para las aplicaciones más habituales (casi un 90%) la elección de una versión adecuada de PIC es la mejor solución; sin embargo, dado su carácter general, otras familias de microcontroladores son más eficaces en aplicaciones específicas, especialmente si en ellas predomina una característica concreta, que puede estar muy desarrollada en otra familia.

Los detalles más importantes que vuelven "locos" a los profesionales de la microelectrónica y microinformática y las razones de la excelente acogida que tienen los PIC son los siguientes:

  • Sencillez de manejo: Tienen un juego de instrucciones reducido; 35 en la gama media.
  • Buena información, fácil de conseguir y económica.
  • Precio: Su costo es comparativamente inferior al de sus competidores.
  • Poseen una elevada velocidad de funcionamiento. Buen promedio de parámetros: velocidad, consumo, tamaño, alimentación, código compacto, etc.
  • Herramientas de desarrollo fáciles y baratas. Muchas herramientas software se pueden recoger libremente a través de Internet desde Microchip ( http://www.microchip.com )
  • Existe una gran variedad de herramientas hardware que permiten grabar, depurar, borrar y comprobar el comportamiento de los PIC.
  • Diseño rápido.
  • La gran variedad de modelos de PIC permite elegir el que mejor responde a los requerimientos de la aplicación.

Una de las razones del éxito de los PIC se basa en su utilización. Cuando se aprende a manejar uno de ellos, conociendo su arquitectura y su repertorio de instrucciones, es muy fácil emplear otro modelo.

3.1 Características relevantes.

Descripción de las características más representativas de los PIC:

3.1.1 Arquitectura.

La arquitectura del procesador sigue el modelo Harvard. En esta arquitectura, la CPU se conecta de forma independiente y con buses distintos con la memoria de instrucciones y con la de datos.

La arquitectura Harvard permite a la CPU acceder simultáneamente a las dos memorias. Además, propicia numerosas ventajas al funcionamiento del sistema como se irán describiendo.

3.1.2 Segmentación.

Se aplica la técnica de segmentación ("pipe-line") en la ejecución de las instrucciones.

La segmentación permite al procesador realizar al mismo tiempo la ejecución de una instrucción y la búsqueda del código de la siguiente. De esta forma se puede ejecutar cada instrucción en un ciclo (un ciclo de instrucción equivale a cuatro ciclos de reloj).

Las instrucciones de salto ocupan dos ciclos al no conocer la dirección de la siguiente instrucción hasta que no se haya completado la de bifurcación.

3.1.3 Formato de las instrucciones.

El formato de todas las instrucciones es de la misma longitud Todas las instrucciones de los microcontroladores de la gama baja tienen una longitud de 12 bits. Las de la gama media tienen 14 bits y más las de la gama alta. Esta característica es muy ventajosa en la optimización de la memoria de instrucciones y facilita enormemente la construcción de ensambladores y compiladores.

3.1.4 Juego de instrucciones.

Procesador RISC (Computador de Juego de Instrucciones Reducido). Los modelos de la gama baja disponen de un repertorio de 33 instrucciones, 35 los de la gama media y casi 60 los de la alta.

3.1.5 Instrucciones Ortogonales.

Cualquier instrucción puede manejar cualquier elemento de la arquitectura como fuente o como destino.

3.1.6 Arquitectura basada en un "banco de registros"

Esto significa que todos los objetos del sistema (puertas de E/S, temporizadores, posiciones de memoria, etc.) están implementados físicamente como registros.

3.1.7 Diversidad de modelos de microcontroladores con prestaciones y recursos diferentes

La gran variedad de modelos de microcontroladores PIC permite que el usuario pueda seleccionar el más conveniente para su proyecto.

  1. Herramientas de soporte potentes y económicas.

La empresa Microchip y otras que utilizan los PIC ponen a disposición de los usuarios numerosas herramientas para desarrollar hardware y software. Son muy abundantes los programadores, los simuladores software, los emuladores en tiempo real, Ensambladores, Compiladores C, Intérpretes y Compiladores BASIC, etc.

La arquitectura Harvard y la técnica de segmentación son los principales recursos en los que se apoya el elevado rendimiento que caracteriza estos dispositivos programables, mejorando dos características esenciales:

1. Velocidad de ejecución.

2. Eficiencia en la compactación del código.

3.2 Las gamas de PIC

Una de las labores más importantes del ingeniero de diseño es la elección del microcontrolador que mejor satisfaga las necesidades del proyecto con el mínimo presupuesto.

Para resolver aplicaciones sencillas se precisan pocos recursos, en cambio, las aplicaciones grandes requieren numerosos y potentes. Siguiendo esta filosofía Microchip construye diversos modelos de microcontroladores orientados a cubrir, de forma óptima, las necesidades de cada proyecto. Así, hay disponibles microcontroladores sencillos y baratos para atender las aplicaciones simples y otros complejos y más costosos para las de mucha envergadura. Microchip dispone de cuatro familias de microcontroladores de 8 bits para adaptarse a las necesidades de la mayoría de los clientes potenciales.

En la mayor parte de la bibliografía encontremos tan solo tres familias de microcontroladores, con lo que habrán despreciado la llamada gama enana, que es en realidad una subfamilia formada por componentes pertenecientes a las otras gamas. En nuestro caso hemos preferido comentarla dado que los PIC enanos son muy apreciados en las aplicaciones de control de personal, en sistemas de seguridad y en dispositivos de bajo consumo que gestionan receptores y transmisores de señales. Su pequeño tamaño los hace ideales en muchos proyectos donde esta cualidad es fundamental.

Describiremos brevemente las familias enana, baja y alta y nos concentraremos en la gama media a la cual pertenece el 16C711 describiendo sus registros en el próximo apartado.

3.2.1 La gama enana: PIC12C(F)XXX de 8 patitas

Se trata de un grupo de PIC de reciente aparición que ha acaparado la atención del mercado. Su principal característica es su reducido tamaño, al disponer todos sus componentes de 8 patitas. Se alimentan con un voltaje de corriente continua comprendido entre 2,5 V y 5,5 V, y consumen menos de 2 mA cuando trabajan a 5 V y 4 MHz. El formato de sus instrucciones puede ser de 12 o de 14 bits y su repertorio es de 33 o 35 instrucciones, respectivamente. En la Figura 3.1 se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC.

Figura 3.1. Diagrama de conexiones de los PIC12Cxxx de la gama enana.

Aunque los PIC enanos sólo tienen 8 patitas, pueden destinar hasta 6 como líneas de E/S para los periféricos porque disponen de un oscilador interno R-C.

En la Tabla 3.1 se presentan las principales características de los modelos de esta subfamilia, que el fabricante tiene la intención de potenciar en un futuro próximo. Los modelos 12C5xx pertenecen a la gama baja, siendo el tamaño de las instrucciones de 12 bits; mientras que los 12C6xx son de la gama media y sus instrucciones tienen 14 bits.

Los modelos 12F6xx poseen memoria Flash para el programa y EEPROM para los datos.

Tabla 3.1. Características de los modelos PIC12C(F)XXX de la gama enana.

3.2.2 Gama baja o básica: PIC16C5X con instrucciones de 12 bits.

Se trata de una serie de PIC de recursos limitados, pero con una de la mejores relaciones costo/prestaciones. Sus versiones están encapsuladas con 18 y 28 patitas y pueden alimentarse a partir de una tensión de 2,5 V, lo que les hace ideales en las aplicaciones que funcionan con pilas teniendo en cuenta su bajo consumo (menos de 2 mA a 5 V y 4 MHz). Tienen un repertorio de 33 instrucciones cuyo formato consta de 12 bits. No admiten ningún tipo de interrupción y la Pila sólo dispone de dos niveles. En la Figura 3.2 se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC.

Figura 3.2: Diagrama de patitas de los PIC de la gama baja que responden a la nomenclatura

PIC16C54/56.

Al igual que todos los miembros de la familia PIC16/17, los componentes de la gama baja se caracterizan por poseer los siguientes recursos: (en la Tabla 3.2 se presentan las principales características de los modelos de esta familia).

1. Sistema POR ("Power On Reset") Todos los PIC tienen la facultad de generar una autoreinicialización o autoreset al conectarles la alimentación.

2. Perro guardián (Watchdog o WDT) Existe un temporizador que produce un reset automáticamente si no es recargado antes que pase un tiempo prefijado. Así se evita que el sistema quede "colgado" dado en esa situación el programa no recarga dicho temporizador y se genera un reset.

3. Código de protección. Cuando se procede a realizar la grabación del programa, puede protegerse para evitar su lectura. También disponen los PIC de posiciones reservadas para registrar números de serie, códigos de identificación, prueba, etc.

Tabla 3.2. Características de los modelos PIC16C®5X de la gama baja

4. Líneas de E/S de alta corriente. Las líneas de E/S de los PIC pueden proporcionar o absorber una corriente de salida comprendida entre 20 y 25 mA, capaz de excitar directamente ciertos periféricos.

5. Modo de reposo (Bajo consumo o "sleep") Ejecutando una instrucción (SLEEP), la CPU y el oscilador principal se detienen y se reduce notablemente el consumo.

Para terminar el comentario introductorio sobre los componentes de la gama baja conviene nombrar dos restricciones importantes:

  • La pila o "stack" sólo dispone de dos niveles lo que supone no poder encadenar más de dos subrutinas.
  • Los microcontroladores de la gama baja no admiten interrupciones.

3.2.3 Gama media. PIC16CXXX con instrucciones de 14 bits

Es la gama más variada y completa de los PIC. Abarca modelos con encapsulado desde 18 patitas hasta 68, cubriendo varias opciones que integran abundantes periféricos. Dentro de esta gama se halla el «fabuloso PIC16X84» y sus variantes. En la Figura 3.3 se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC.

Figura 3.3. Diagrama de patitas del PIC16C74, uno de los modelos más representativos de la gama media.

En esta gama sus componentes añaden nuevas prestaciones a las que poseían los de la gama baja, haciéndoles más adecuados en las aplicaciones complejas. Admiten interrupciones, poseen comparadores de magnitudes analógicas, convertidores A/D, puertos serie y diversos temporizadores.

El repertorio de instrucciones es de 35, de 14 bits cada una y compatible con el de la gama baja. Sus distintos modelos contienen todos los recursos que se precisan en las aplicaciones de los microcontroladores de 8 bits. También dispone de interrupciones y una Pila de 8 niveles que permite el anidamiento de subrutinas. En la Tabla 3.3 se presentan las principales características de los modelos de esta familia.

Tabla 3.3. Características relevantes de los modelos PIC16X8X de la gama media.

Encuadrado en la gama media también se halla la versión PIC14C000, que soporta el diseño de controladores inteligentes para cargadores de baterías, pilas pequeñas, fuentes de alimentación ininterrumpibles y cualquier sistema de adquisición y procesamiento de señales que requiera gestión de la energía de alimentación. Los PIC 14C000 admiten cualquier tecnología de las baterías como Li-Ion, NiMH, NiCd, Ph y Zinc.

El temporizador TMR1 que hay en esta gama tiene un circuito oscilador que puede trabajar asíncronamente y que puede incrementarse aunque el microcontrolador se halle en el modo de reposo ("sleep"), posibilitando la implementación de un reloj en tiempo real.

Las líneas de E/S presentan una carga "pull-up" activada por software.

3.2.4 Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits.

Se alcanzan las 58 instrucciones de 16 bits en el repertorio y sus modelos disponen de un sistema de gestión de interrupciones vectorizadas muy potente. También incluyen variados controladores de periféricos, puertas de comunicación serie y paralelo con elementos externos, un multiplicador hardware de gran velocidad y mayores capacidades de memoria, que alcanza los 8 k palabras en la memoria de instrucciones y 454 bytes en la memoria de datos.

Quizás la característica más destacable de los componentes de esta gama es su arquitectura abierta, que consiste en la posibilidad de ampliación del microcontrolador con elementos externos. Para este fin, las patitas sacan al exterior las líneas de los buses de datos, direcciones y control, a las que se conectan memorias o controladores de

periféricos. Esta facultad obliga a estos componentes a tener un elevado numero de patitas comprendido entre 40 y 44. Esta filosofía de construcción del sistema es la que se empleaba en los microprocesadores y no suele ser una práctica habitual cuando se emplean microcontroladores. En la tabla 3.4 se muestran las características más relevantes de los modelos de esta gama, que sólo se utilizan en aplicaciones muy especiales con grandes requerimientos.

Tabla 3.4. Características más destacadas de los modelos PIC17CXXX de la gama alta.

Con vistas al siglo XXI, Microchip lanzó la gama "mejorada" PIC18CXXX.

4. MICROCONTROLADOR PIC 16C711

4.1 Introducción a su arquitectura

La alta performance de los PIC 16CXXX puede ser atribuida a su arquitectura RISC la cuál ya hemos comentado y a su modelo Harvard referente a la implementacion de la memoria.

Buses separados de datos y programa posibilita alojar instrucciones de tamaños diferentes, 8 bits para las palabras de datos.

Lo códigos de operación (OPCODE) son de 14 bits haciendo esto posible tener todas las palabras de instrucciones sencillas. Los 14 bits de ancho del bus de acceso a la memoria de programa nos permite hacer un fetch a una instrucción de 14 bits en un solo ciclo.

El "twostage pipeline" nos permite hacer el fetch de una instrucción y la ejecución de otra al mismo tiempo, consecuentemente todas las instrucciones (35) en un único ciclo (200 ns. @ 20 Mhz.) con la excepción de los saltos de programa.

La siguiente tabla muestra los tamaños de las memorias de datos y programa de este PIC.

Dispositivo

Memoria de Programa

Memoria de Datos

PIC 16C711

1K x 14

68 x 8

Tabla 4.1: Tamaño de las memorias del PIC 16C711.

Los PIC 16CXX contienen la UAL de 8 bits y el registro de trabajo de 8 bits, la UAL es la unidad aritmética de propósito general, realiza operaciones booleanas y aritméticas entre los datos del registro de trabajo (W register) y otros registros. El W register es un registro no direccionable utilizado por las operaciones de la UAL.

En las operaciones de 2 operandos tipicas, un operando esta en el W register y el otro o es una constante inmediata o esta en otro registro; en las operaciones de 1 operando este generalmente se encuentra en el W register pero esto no es excluyente.

Dependiendo de las instrucciones ejecutadas en la UAL, los valores de los bits Carry ( C ), Digit Carry (DC) y cero (Z), en el STATUS Register serán afectados.

Figura 4.2: Diagrama de boque de los PIC 16C71X

Figura 4.3: PIC16C710/71/711/715 PINOUT DESCRIPTION

4.1.1 Clocking Scheme/Ciclo de Instrucción:

La entrada de clock (OSC1) es internamente dividida en 4 para generar 4 non-overlaping señales de clock cuadradas llamadas Q1, Q2, Q3, Q4. Internamente el PC (Program counter) es incrementado cada Q1, la instrucción es traída (fetch) desde la memoria de programa al registro de instrucción en Q4. La instrucción en decodificada y ejecutada en el intervalo entre Q1 y Q4 como lo muestra la siguiente figura.

Figura 4.4: Clock / Instruction Cycle.

4.1.2 Instruction Flow / Pipelining

El cilclo de instrucción consiste en 4 ciclos Q ( Q1, Q2, Q3 y Q4) . Las instrucciones Fetch y Execute se realizan bajo un método llamado Pipelined. Estas dos instrucciones necesitan un ciclo de instrucción cada una para llevarse a cabo, pero bajo este método en casi todos los casos se pueden llevar a cabo en un ciclo de instrucción ejecutando la instrucción que está en el PC y haciendo el Fetch de la instrucción PC+1, los casos en los que esta operación dual no puede llevarse a cabo es en los saltos de programa (ej. GOTO) en los cuales es necesario 2 ciclos de instrucción separados para cada una de estas instrucciones (siguiente figura).

El ciclo Fetch comienza cuando el PC incrementa en Q1.

En el ciclo de ejecución, la instrucción que está en el IR es decodificada y ejecutada mientras duran Q2, Q3 y Q4. La memoria de datos es leida durante Q2 (operación read) y es escrita durante Q4 (operación write).

Figura 4.5: Instrucción Pipeline Flow.

4.2 Organización de su memoria

4.2.1 Organización de la memoria de programa

Los PIC de la familia 16C71X tienen un program counter (PC) de 13 bits, pudiendo direccionar una memoria de programa de 8Kx14 de espacio.

Figura 4.6: rango de direccionamiento de esta familia.

El Reset vector está en la dirección 0000h y el Interrupt Vector está en la dirección 0004h.

Figura 4.7: Mapa de la memoria de programa y el stack de los PIC 16C71 y 16C711.

Dado que estos chips pueden direccionar hasta 8K, los accesos a direcciones superiores a la dirección 03FFh ocasionan un wraparround.

4.2.2 Organización de la memoria de datos

La ampliación de recursos en los PIC forzó en los catalogados como de gama media una nueva estructura y la modificación de algunas instrucciones (partiendo, claro está, de la gama baja). Una de las diferencias fundamentales es, precisamente, la ampliación de memoria de registros, a los que se unieron algunos nuevos de sistema, y la accesibilidad a parte de los mismos que antes quedaban ocultos, como OPTION o TRIS, de los que hablaremos a continuación.

De este modo se optó por dos bancos de registros de 128 posiciones cada uno, la mayoría de los cuales son de propósito general. En el siguiente esquema, que muestra esta organización, las direcciones con casillas blancas muestran posiciones de registros específicos, y las grises generales.

Están implementadas en memoria estática.

El bit RP0 es el selector de banco:

RP0 (STATUS<5>) = 1 Bank 1

RP0 (STATUS<5>) = 0 Bank 0

Figura 4.8: Mapa de registros del PIC 16C711.

4.2.2.1 Registros de Funciones especiales

Estos registros son utilizados por el CPU y los periféricos para controlar la operación del dispositivo.

Los registros de funciones especiales se pueden clasificar en 2 conjuntos, (core y peripheral).

No daremos una descripción muy pormenorizada del tema poruqe deberíamos profundizar demasiado en este tema, si el lector desea hacerlo, puede encontrar esta información en la hoja de datos del chip 16C711 la cuál se encuentra en www.microchip.com.

Figura 4.9: Sumario del registro de funciones especiales (16C711).

4.3 Registros específicos

El PC. Direccionamiento del programa: El PC consta de 13 bits, con lo que es posible direccionar hasta 8K palabras, separadas en bancos de 2K. El byte de menos peso de la dirección se guarda en el registro PCL, sito en la posición 0x02 del banco 0, mientras los 5 bits de más peso se guardan en los 5 bits de menos peso del registro PCLATH (dirección 0x08). Puesto que las instrucciones CALL y GOTO sólo cuentan con 11 bits, sus saltos serán relativos a la página en la que estemos. El cambio real de página se hará cambiando los bits PCLATH.4 y PCLATH.3.

El OPTION. Registro de opciones

Los siguientes registros no serán explicados:

Los registros PIE1 y PIR1 están relacionados con el comparador, así como CMCON y VRCON, y no serán explicados. El registro FSR es utilizado en la gama baja, por lo que tampoco nos ocuparemos de él.

Los registros TMR0, PORTA, PORTB, TRISA Y TRISB, están mas afines a la programación del Pic por lo que los obviaremos.

R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

GIE PEIE T0IE INTE RBIE T0IF INTF RBIF

GIE: Activación global de interrupciones..

1 = Interrupciones activadas. 0 = Interrupciones desactivadas.

PEIE. Activación de la interrupción de periféricos (comparador)

1 = Activada. 0 = Desactivada.

T0IE: Activación de la interrupción del TMR0.

1 = Activada. 0 = Desactivada.

INTE: Activación de la interrupción externa.

1 = Activada. 0 = Desactivada.

RBIE: Activación de la interrupción de la puerta B.

1 = Activada. 0 = Desactivada.

T0IF: Indicador de TMR0 se ha desbordado.

1 = TMR0 desbordado. Borrar por software. 0 = No se ha desbordado.

INTF: Software de estado de la interrupción externa

R/W R/W

/POR /BO

/POR: Señalizador de Power On Reset (reset por activación del micro).

1 = No hubo Power On Reset. 0 = Ha habido Power On reset.

/BO: Señalizador de Brown-Out (Caída de tensión).

1 = No hubo Brown Out. 0 = Hubo Brown-Out

4.4 Repertorio de Instrucciones

4.4.1 Características generales y direccionamiento

Habiendo escogido los diseñadores de PIC la filosofía RISC, su juego de instrucciones es reducido (33 instrucciones en la gama baja), siendo éstas, además, sencillas y rápidas, puesto que casi todas se ejecutan en un único ciclo de máquina (equivalente a 4 del reloj principal). Sus operandos son de gran flexibilidad, pudiendo actuar cualquier objeto como fuente y como destino.

Posee tres tipos bien diferenciados de direccionamiento, estos son:

  • 1º Inmediato: El valor del dato está incluido en el propio código OP, junto a la instrucción.
  • 2º Directo: La dirección del dato está incluido en el propio código OP, junto a la instrucción.
  • 3º Indirecto: La dirección de la memoria de datos que guarda el operando está contenida en un registro.

Nosotros nos centraremos en la gama media, que tiene 35 instrucciones. La mayoría son idénticas a las de la gama baja, si bien las diferencias serán convenientemente explicadas.

4.4.2 Repertorio de instrucciones de la gama media (Incluido el 16C711).

Set de instrucciones por categorías:

Descripción del set de instrucciones:

5. Bibliografía

5.1 Bibliografía en Internet

Microchip. http://www.microchip.com

Parallax. http://www.parallaxinc.com

El Rincón del Pic. http://members.es.tripod.de/~InfoE/infop.htm

Microsystems Engineering: Los autores de los libros de Pics en castellano. http://www.arrakis.es/~msyseng

Links sobre Pics de David Tait. http://www.man.ac.uk/~mbhstdj/piclinks.html

Rei Project: Mod Chip: Algunos proyectos. http://chip.aeug.org

NewFound Electronics: Programador de Pics. http://www.new-elect.com

Dontronics. http://www.dontronics.com

The Picmicro Ring. http://members.tripod.com/~mdileo/pmring.html

Microcontoladores: Información, Herramientas y Programador. http://www.geocities.com/TheTropics/2174/micro.html

Microcontrollers: Enlaces. http://www.us-epanorama.net/microprocessor.html

Microcontroladores, automatas, electrónica, etc. http://www.jmengual.com/

Parallel Port PIC16C5X/XX Programmer. http://www.labyrinth.net.au/~donmck/dtait/upp.html

Microchip Net resources. http://www.geocities.com/SiliconValley/Way/5807

PIC16/17 Microcontroller & Basic Stamp: Con algunos proyectos. http://www.doc.ic.ac.uk/~ih/doc/pic

La página del autor de Programming and Customizing the Pic Microcontroller: Con algunos circuitos. http://www.myke.com/PICMicro

Pic Programming. Getting Started: 4 pasos para empezar con los Pic. http://www.pp.clinet.fi/~newmedia/pic/index.html

Pic Programmer 2. http://www.jdm.homepage.dk/newpic.htm

GNUPic "Free Microcontroller Software Tools http://huizen.dds.nl/~gnupic/index.html

Propic2: Programador de Pics. http://www.propic2.com

PicProg Home Page: Programador de Pics. http://virtuaweb.com/picprog

The Electronic Projects Page: Algunos proyectos. http://www.blichfeldt.dk

Bengt Lindgrens HomePage: Programador y archivos. http://home5.swipnet.se/~w-53783

The ultimate source for Pic and SX Tools http://www.adv-transdata.com

P16PRO & PICALL PIC programmers: Otro programador http://www.geocities.com/SiliconValley/Peaks/9620

Diseño de sistemas con microcontroladores: Enlaces. http://www.info-ab.uclm.es/~amartine

Free PIC 16x84 programmer with margining support. http://www.ise.pw.edu.pl/~wzab/picprog/picprog.html

FlashPIC Developer for PIC16F84 and PIC16F87x Series PIC Microcontrollers. http://www.cybermedix.co.nz/flashpic

Sagitron: Distribuidor de Microchip en España. http://www.sagitron.es

EDU-PIC: PIC Microcontrollers in education. http://pages.hotbot.com/edu/edu-pic

Programmer for PIC-processors. http://www.qsl.net/lz2rr/pic.html

5.2 Bibliografía electrónica o impresa

Microcontroladores PIC. La Solución en un Chip.

Microcontroladores PIC. Diseño práctico de aplicaciones.

Microcontroladores.

Programming and Customizing the Pic Microcontroller

Electrónica. Microcontroladores y Microprocesadores.

PIC16/17 Microcontroller Data Book.

July 1999 Technical Library CD-ROM

Manual de Microcontroladores

Microchip Technical CD-ROM First Edition 2000

MPSIM Simulator Quick Reference Guide

MPASM Assembler Quick Reference Guide

MPSIM Simulator User’s guide

MPASM Assembler User’s Guide

 

Referencias del Autor:

Luis E. Sánchez Toledo

Soy estudiante de la facultad de Ingeniería y Tecnologías de la Universidad Católica del Uruguay.

Este trabajo fue realizado en el 2005 como trabajo de fin de curso de la asignatura "Arquitectura de computadores 1"

Ante cualquier duda o consulta realizarla a

Espero les sirva.


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