Microcontroladores y Sistemas Empotrados

Universidad Autónoma de Baja California
Facultad de Ingeniería Mexicali
Microcontroladores y
Sistemas Empotrados
M.C. Jorge Eduardo Ibarra Esquer
jorge.ibarra@uabc.edu.mx
Semestre 2011-1
Conceptos básicos
n  Computadora
¨ Máquina
diseñada para procesar, almacenar
y recuperar datos
¨ Los datos se almacenan como números
¨ La manipulación de los datos se efectúa
aplicando operaciones sobre los números
Computadoras
n  De
escritorio
n  Empotradas
Historia
1623 – Wilhelm Shickard diseñó
y construyó una máquina para
calcular tablas astronómicas.
Realizaba sumas y restas de
números de 6 dígitos.
1642 – Blaise Pascal construye
su calculadora mecánica
(Pascalina).
Realizaba sumas y restas en
complemento a 9.
Historia
1671 – Gottfried von Leibniz
diseñó la primer calculadora
mecánica capaz de realizar las
cuatro operaciones básicas.
1801 – Joseph Marie Jacquard
inventó un telar mecánico.
Es considerada la primer
máquina que podía ser
programada (por medio de
tarjetas de papel perforadas)
Características
n 
De escritorio
¨  Hardware
n 
n 
n 
Procesador
Memoria
E/S
¨  Software
n 
n 
n 
Sistema operativo
Múltiples aplicaciones
Podemos cambiar de
aplicación
n 
Empotrada
¨  Hardware
n 
n 
n 
Procesador
Memoria
E/S
¨  Software
n 
n 
Puede tener un sistema
operativo
Aplicación específica
Conceptos básicos
n  Software
¨ Controla
la operación y funcionalidad de la
computadora
Conceptos básicos
n  Firmware
¨ Está
almacenado de manera permanente en
la memoria de la computadora
¨ Se ejecuta al encender la computadora
¨ Inicializa los subsistemas de hardware a un
estado conocido
¨ Configura la computadora para su correcta
operación
¨ Contiene el bootloader
Conceptos básicos
n  Sistema
operativo
¨ Controla
el funcionamiento de la computadora
¨ Organiza el uso de la memoria y controla los
dispositivos de la computadora
¨ No todos los sistemas empotrados utilizan o
necesitan un sistema operativo
n  Aplicaciones
¨ Programas
que dan la funcionalidad a la
computadora
Conceptos básicos
n  Procesador
¨ Es
el componente central de la computadora
¨ Dispositivo electrónico capaz de manipular
datos de una manera especificada por una
secuencia de instrucciones (opcode o código
máquina)
¨ La
secuencia de instrucciones es lo que se
conoce como un programa
n  ADD
#$34
n  AB 34 48 9E EB A0 4F
Conceptos básicos INCLUIR
HARVARD Y VON NEUMANN
n  Arquitectura
de una computadora
Arquitectura Von Neumann
Arquitectura Von Neumann
Arquitectura Harvard
Comparación
Conceptos básicos
n  Microprocesador
¨ Procesador
implementado en un solo circuito
integrado (registros, unidad de control, ALU,
unidad de interfaz de bus)
¨ Se le conoce también como CPU
n  Microcontrolador
¨ Microprocesador,
memoria y dispositivos de
E/S incluidos en un solo circuito integrado
¨ Por lo general se utiliza en sistemas
empotrados
Conceptos básicos
n  Memoria
¨ Se
utiliza para almacenar el software y los
datos
¨ La memoria no volátil permite almacenar el
software y los datos constantes
¨ La memoria de acceso aleatorio (volátil) se
utiliza para almacenar datos que están siendo
manipulados por un programa
Conceptos básicos
n  Espacio
de memoria
Conceptos básicos
n  Dispositivos
de E/S (Periféricos)
¨ Permiten
que el microprocesador se
comunique con el mundo exterior para
intercambiar datos
¨ Hay tres formas de hacer dicho intercambio:
n  E/S
Programada
n  E/S controlada por interrupciones
n  Acceso Directo a Memoria DMA
Conceptos básicos
n  Clasificación
¨ Paralela
¨ Serial
¨ Analógica
¨ De
tiempo
de interfaces E/S
Conceptos básicos
n  Interrupciones
¨ Son
una técnica para distraer al procesador
del programa que esté ejecutando, para que
atienda algún evento que se presente
¨ Le evitan al procesador el tener que estar
verificando el estado de cada dispositivo de
E/S presente en el sistema
Sistema basado en
microprocesador
Sistema basado en
microcontrolador
Sistemas empotrados
n  Un
sistema de microcomputadora
empotrado:
¨ Es
un dispositivo que tiene una o más
microcomputadoras en su interior
¨ Es un sistema informático de uso específico
contenido dentro de un dispositivo mayor
¨ Incluye una microcomputadora conectada a
dispositivos mecánicos, químicos y eléctricos,
programada para un propósito dedicado y
empacada como un sistema completo
Sistemas empotrados
n  Son
sistemas de uso específico
construidos dentro de sistemas más
grandes.
n  Incluye una computadora conectada a
dispositivos mecánicos, químicos y
eléctricos, programada para un propósito
dedicado y empacada como un sistema
completo.
Características de los sistemas
empotrados
n  Por
lo general, el usuario no los percibe
como una computadora.
n  El software tiene una misión fija.
n  Relación muy estrecha entre hardware y
software.
n  El sistema debe ser robusto.
n  Bajo consumo de energía.
Características de los sistemas
empotrados
n  Requerimiento
de dispositivos de E/S
específicos a la aplicación.
n  Funcionamiento autónomo.
n  Funcionamiento en tiempo real.
¿Por qué utilizar estos
sistemas?
n  Aprovechar
las capacidades de una
computadora.
n  Las computadoras se vuelven cada vez
más pequeñas y económicas.
n  Hacernos la vida más fácil.
¿Qué necesito para desarrollar
un sistema empotrado?
n  Microprocesadores
n  Microcontroladores
n  DSP
n  ASIC
n  FPGA
n  Sensores
n  Actuadores
n  Microprocesador
¨ Procesador
implementado en un solo circuito
integrado (registros, unidad de control, ALU,
unidad de interfaz de bus)
¨ Se le conoce también como CPU.
n  Microcontrolador
¨ Microprocesador,
memoria y dispositivos de
E/S incluidos en un solo circuito integrado.
¨ Por lo general se utiliza en sistemas
empotrados.
n  Procesadores
¨ Es
de señales digitales (DSP)
un microprocesador especializado en el
procesamiento de señales digitales.
¨ Funcionamiento en tiempo real.
¨ Aplicaciones comunes son el procesamiento
de audio y video, así como las
comunicaciones digitales.
n  Circuitos
Integrados Específicos para
Aplicación (ASIC)
¨ Son
circuitos integrados personalizados para
una aplicación en particular, como puede ser
el control de un teléfono celular.
¨ Su funcionalidad se especifica utilizando
algún lenguaje de descripción de hardware
(HDL)
n  Arreglos
de Compuertas de Campo
Programables (FPGA)
¨ Son
circuitos integrados que contienen
componentes de lógica programables
(bloques lógicos), así como interconexiones
programables.
¨ Entre sus aplicaciones se encuentra el
procesamiento de señales digitales, la
emulación de periféricos de computadoras y
la elaboración de prototipos para ASIC.
¨ Ejecución en paralelo.
n  Sensores
¨ Son
dispositivos que responden ante algún
estímulo físico.
n  Luz
(fototransistor, fotodiodo)
n  Temperatura (termopar, termistor)
n  Sonido (micrófono)
n  Contacto, acidez, deformación, proximidad, etc.
¨ Proporcionan
entradas de datos hacia los
procesadores.
n  Actuadores
¨ Son
elementos que pueden provocar un
efecto sobre un proceso automatizado.
n  Motores
n  Bombas
n  Abanicos
n  Lámparas
n  Resistencias
n  Válvulas
n  Compresores
Aplicaciones de los sistemas
empotrados
n  Electrodomésticos
¨ Lavadoras
¨ Equipo
de ejercicio
¨ Controles remotos
¨ Juguetes
¨ Equipo de audio y video
n  Sistemas
de comunicación
¨ Teléfonos
¨ Faxes
Aplicaciones de los sistemas
empotrados
n  Sistemas
automotrices
¨ Frenos
automáticos
¨ Encendido electrónico
¨ Ventanas y asientos eléctricos
¨ Control de velocidad
n  Sistemas
militares
¨ Posicionamiento
¨ Vigilancia
global
Aplicaciones de los sistemas
empotrados
n  Aplicaciones
empresariales
¨ Cajas
registradoras
¨ Cajeros automáticos
¨ Control de elevadores
¨ Robots
n  Dispositivos
médicos
¨ Monitores
¨ Prótesis
¨ Marcapasos
¿Cuándo fue la última vez que
utilicé una computadora?