Microcontroladores Atmega8

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA
SECCION ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA
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FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA
SECCION ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA
AREA DE CIRCUITOS Y SITEMAS ELECTRONICOS
MICROCONTROLADORES
ATMEGA8
ZENON CUCHO M.
FRERI ORIHUELA Q.
ROLANDO SÁNCHEZ P.
LAUREANO RODRÍGUEZ P.
2007-I
Curso de actualización de Microcontroladores Atmega8
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SESIÓN 01
INTRODUCCION AL MICONTROLADOR ATMEGA8
PARTE TEÓRICA
DESCRIPCION DEL MICROCONTROLADOR ATMEGA 8
MEMORIA DE PROGRAMAS Y ESPACIO DE MEMORIA DE DATOS
DESCRIPCION DE LOS PUERTOS E/S
PARTE PRÁCTICA
•
•
•
MANEJO DEL ENTORNO DE DESARROLLO VMLAB:
EDICION, COMPILACION Y EJECUCION DE PROGRAMAS
PROGRAMAS USANDO INTERRUPTORES Y PULSADORES
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INTRODUCCION AL MICROCONTROLADOR
1.1
Introducción
El microcontrolador es un circuito integrado de muy alta escala de integración que contiene
las partes funcionales de un computador:
•
CPU (Central Processor Unit o Unidad de Procesamiento Central)
•
Memorias volátiles (RAM), para datos
•
Memorias no volátiles( ROM, PROM, EPROM) para escribir el programa
•
Líneas de entrada y salida para comunicarse con el mundo exterior.
•
Algunos periféricos (comunicación serial, temporizador, convertidor A/D, etc)
Es decir el microcontrolador es un computador integrado en un solo chip. Integrar todos
estos elementos en un solo circuito integrado a significado desarrollar aplicaciones
importantes en la industria al economizar materiales, tiempo y espacio.
¿Que no hace el microcontrolador?
Las aplicaciones de un microcontrolador
son tan inmensas que el límite es la propia
imaginación del usuario. Estos microcontroladores están en el auto, en el televisor, en el
teléfono, en una impresora, en un horno de microondas, en un transbordador espacial, en un
juguete, etc. Alguna fuentes estiman que en una casa típica de E.U se tiene alrededor de 250
microcontroladores.
Los siguientes son algunos campos en los que los microcontroladores tienen gran uso:
•
En la industria del automóvil: Control de motor, alarmas, regulador del servofreno,
dosificador, etc.
•
En la industria de los electrodomésticos: control de calefacciones, lavadoras, cocinas
eléctricas, etc.
•
En informática: como controlador de periféricos. Por ejemplo para controlar
impresoras, plotters, cámaras, scanners terminales, unidades de disco, teclados,
comunicaciones (modems), etc.
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•
En la industria de imagen y sonido: tratamiento de la imagen y sonido, control de los
motores de arrastre del giradiscos, magnetófono, video, etc.
En la industria, en general se utilizan en:
•
Regulación: todas las familias de microcontroladores incorporan en alguna de sus
versiones conversores A/D y D/A, para la regulación de la velocidad de las máquinas,
de niveles, de temperatura, etc.
•
Automatismos: La enorme cantidad de líneas de entrada y salidas, y su inmunidad al
ruido le hacen muy valioso para el control secuencial de procesos. Por ejemplo control
de máquinas, herramientas, apertura y cierre automático de puertas según condiciones,
plantas empaquetadoras, aparatos de maniobra de ascensores, etc.
•
Robótica: para control de los motores y captura de señales de los diferentes sensores,
fabricación de controladores robóticos para sistemas automáticos, etc.
Instrumentos portátiles compactos:
•
Radio paginador numérico (beeper)
•
Planímetro electrónico
•
Nivelímetro digital
•
Identificador-probador de circuitos integrados
•
Tacómetro digital
•
Panel frontal de un osciloscopio
•
Controlador de display LCD
•
Analizador de espectros, etc
Dispositivos autónomos:
•
Fotocopiadoras
•
Máquinas de escribir
•
Selector, Codificador decodificador de TV
•
Localizador de peces
•
Teléfonos de tarjeta
•
Teléfonos celulares
•
Cerraduras electrónicas
•
Sistemas de seguridad
Se emplea también en medicina, en aplicaciones militares, edificios inteligentes, etc.
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1.2
Principales fabricantes
Por lo general los fabricantes de microprocesadores lo son de microcontroladores. Los
fabricantes de microcontroladores son más de 50, podemos mencionar a:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Atmel
Motorola
Intel
Microchip
NEC
Hitachi
Mitsibishi
Philips
Matsushita
Toshiba
AT&T
Zilog
Siemens
National Semiconductor
etc.
1.3 APARICION Y DESARROLLO DE LOS MICROCONTROLADORES
Breve Esbozo Histórico. La siguiente es una lista cronológica de los eventos tecnológicos
más recientes que han tenido impacto sobre la aparición y el desarrollo del campo de los
microcontroladores en la electrónica digital.
1971: Intel fabrica el primer microprocesador (el 4004) de tecnología PMOS. Este era un
microprocesador de 4 bits y fue fabricado por Intel a petición de Datapoint Corporation
con el objeto de sustituir la CPU de terminales inteligentes fabricadas en esa fecha por
Datapoint mediante circuitería discreta. El dispositivo fabricado por Intel resultó 10
veces más lento de lo requerido y Datapoint no lo compró, de esta manera Intel
comenzó a comercializarlo. El 4004 podía direccionar sólo 4096 (4k) posiciones de
memoria de 4 bits, reconocía 45 instrucciones y podía ejecutar una instrucción en 20
µseg en promedio.
1972:
Las aplicaciones del 4004 estaban muy limitadas por su reducida capacidad y
rápidamente Intel desarrolló una versión más poderosa (el 8008), el cual podía
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manipular bytes completos, por lo cual fue un microprocesador de 8 bits. La memoria
que este podía manejar se incrementó a 16 kbytes, sin embargo, la velocidad de
operación continuó igual.
1973: Intel lanza al mercado el 8080 el primer microprocesador de tecnología NMOS, lo cual
permite superar la velocidad de su predecesor (el 8008) por un factor de diez, es decir,
el 8080 puede realizar 500000 operaciones por segundo, además se incrementó la
capacidad de direccionamiento de memoria a 64 kbytes. A partir del 8080 de Intel se
produjo una revolución en el diseño de microomputadoras y varias compañías
fabricantes de circuitos integrados comenzaron a producir microprocesadores. Algunos
ejemplos de los primeros microprocesadores son: el IMP-4 y el SC/MP de National
Semiconductors, el PPS-4 y PPS-8 de Rockwell International, el MC6800 de
Motorola, el F-8 de Fairchild.
1975: Zilog lanza al mercado el Z80, uno de los microprocesadores de 8 bits más poderosos.
En ese mismo año, Motorola reduce sus costos con sus microprocesadores 6501 y
6502 (este último adoptado por APPLE para su primera microcomputadora personal).
estos microprocesadores se comercializan en $20 y $25 (dls.USA) respectivamente.
Esto provoca un auge en el mercado de microcomputadoras de uso doméstico y un
caos en la proliferación de lenguajes, sistemas operativos y programas (ningún
producto era compatible con el de otro fabricante).
1976: Surgen las primeras microcomputadoras de un solo chip, que más tarde se denominarán
microcontroladores. Dos de los primeros microcontroladores, son el 8048 de Intel y
el 6805R2 de Motorola.
198x : En la década de los 80's comienza la ruptura entre la evolución tecnológica de los
microprocesadores y la de los microcontroladores, Ya que los primeros han ido
incorporando cada vez más y mejores capacidades para las aplicaciones en donde se
requiere el manejo de grandes volúmenes de información y por otro lado, los segundos
han incorporado más capacidades que les permiten la interacción con el mundo físico
en tiempo real, además de mejores desempeños en ambientes de tipo industrial.
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1.4
ARQUITECTURA DE UN MICROCONTROLADOR
Según la arquitectura
interna de la memoria de un microcontrolador se puede
clasificar considerando como el CPU accede a los datos e instrucciones, en 2 tipos:
1.4.1 Arquitectura Von Neumann
Fue desarrollada por Jon Von Neumann, se caracteriza por tener una sola memoria
principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. La CPU se
conecta a través de un sistema de buses (direcciones, datos y control). Esta arquitectura
es limitada cuando se demanda rapidez.
Memoria
Bus de direcciones
CPU
Instrucciones
+
Datos
Bus de datos
Fig.1.1 Arquitectura Von Neumann
1.4.2 Arquitectura Harvard
Fue desarrollado en Harvard, por Howard Aiken, esta arquitectura se caracteriza por
tener 2 memorias independientes una que contiene sólo instrucciones y otra, que
contiene sólo datos. Ambas, disponen de sus respectivos sistemas de buses para el
acceso y es posible realizar operaciones de acceso simultáneamente en ambas
memorias.
Existe una variante de esta arquitectura que permite el acceso a la tabla de datos desde
la memoria de programas es la Arquitectura de Harvard Modificada. Esta última
arquitectura es la dominante en los microcontroladores actuales ya que la memoria de
programas es usualmente ROM, OTP, EPROM o FLASH, mientras que la memoria de
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datos es usualmente RAM. Por ejemplo las tablas de datos pueden estar en la memoria
de programa sin que sean perdidas cada vez que el sistema es apagado.
Memoria de
Bus de direcciones
Instrucciones
de instrucciones
Bus de direcciones
CPU
de datos
Bus de instrucciones
Memoria
de datos
Bus de datos
Fig. 1.2 Arquitectura Harvard
Se puede observar claramente que las principales ventajas de esta arquitectura son:
a) que el tamaño de las instrucciones no esta relacionado con el de los datos, y por lo tanto
puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de
programa,
logrando
así
mayor
velocidad
y
menor
longitud
de
programa,
b) que el tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos,
logrando una mayor velocidad de operación.
1.5 TIPOS DE MEMORIA
• Memoria RAM (Random Access Memory) Memoria de Acceso Aleatorio) en esta
memoria se guarda los datos que se está utilizando en el momento presente. El
almacenamiento es considerado temporal por que los datos permanecen en ella
mientras la memoria tiene una fuente de alimentación.
La memoria de programas o de instrucciones contiene una serie de diferentes tipos de
memoria:
•
Memoria ROM con máscara y es de solo lectura, cuyo contenido se graba durante la
fabricación del chip. Es aconsejable cuando se precisan cantidades superiores a varios
miles de unidades.
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•
Memoria OTP
(One Line Programmable) es no volatile y de solo lectura y
programmable una sola vez por el usuario. La grabación se realiza mediante un
sencillo grabador controlado por una PC.
•
Memoria EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), pueden borrarse y
grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de la memoria OTP.
Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en
su superficie por la que se somete a le EPROM a rayos ultravioleta por algunos
minutos.
•
Memoria EEPROM (Electrical EPROM) es de sólo lectura, programable y borrable
eléctricamente. Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente
desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC, y puede hacerse con
el microcontrolador instalado en el circuito. Es muy cómoda y rápida la operación de
grabado y la de borrado.
•
Memoria Flash La memoria Flash es no volátil, de bajo consumo y puede grabarse y
borrarse eléctricamente. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos
energía y es más pequeña. La memoria Flash también puede programarse “en
circuito”, es decir, sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta. además, es
más rápida, tiene mayor densidad y tolera más ciclos de escritura/borrado que la
EEPROM
1.6
¿Qué microcontrolador elegir?
Sin duda la elección del microcontrolador dependerá de la tarea o proyecto que se tiene
en mente pues los fabricantes como se mencionó anteriormente son más de 50, estos
tienen muchos modelos enfocados a tareas específicas. Esta selección deberá ir de la
mano con factores económicos óptimos así como de la idea del controlador incrustado
(embedded controller), el cual es un controlador dedicado a una sola tarea e
incorporado al sistema que gobierna.
Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de
la aplicación:
• Procesamiento de datos: Cuando se desea realizar cálculos complejos en un tiempo
limitado, se debe seleccionar un microcontrolador suficientemente rápido para ello.
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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: Se debe identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez
realizado este análisis puede ser necesario añadir periféricos externos o cambiar a otro
microcontrolador más adecuado a ese sistema.
• Consumo: algunos productos que incorporan microcontroladores están alimentados
con baterías, puede ser que el microcontrolador esté trabajando en estado de bajo
consumo pero debe “despertar” ante la activación de una señal (por ejemplo una
interrupción) y ejecutar el programa adecuadamente.
• Memoria: para detectar las necesidades de memoria de una aplicación debemos saber
la cantidad y el tipo de memoria necesaria para esto se debe tener una versión
preliminar (pseudo-código) de la aplicación y escoger el microcontrolador apropiado.
• 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 reducir los costos, 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 costo, deben reservarse para
aplicaciones que requieran altas prestaciones (Entrada/Salida grande o espacio de
direccionamiento muy elevado).
• Diseño de la placa: la selección de un microcontrolador concreto condicionará el
diseño de la placa de circuitos impresos.
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II.
2.1
EL MICROCONTROLADOR ATMEL AVR
Introducción
ATMEL fabrica los microcontroladores de la familia AVR, esta nueva tecnología
proporciona todos los beneficios habituales de arquitectura RISC y memoria flash
reprogramable eléctricamente. La característica que los identifica a estos microcontroladores
de ATMEL es la memoria flash y eeprom que incorpora. AVR compite con varias familias de
microcontroladores bien establecidas en el mercado, tales como 8051 de Intel, 68HC11 de
motorola y la familia PIC de Microchip. La firma también produce y vende varios
subproductos de la popular familia 8051 con la diferencia de que están basados en la memoria
flash.
El diseño AVR de ATMEL difiere de los demás microcontroladores de 8 bits por tener
mayor cantidad de registros (32) y un conjunto ortogonal de instrucciones. AVR es mucho
mas moderna que su competencia. Por ejemplo, los 8051, 6805 y los PIC, se los arreglan con
un único acumulador, los 658HC11 y 68HC12 tienen simplemente 2. Esto hace que la
arquitectura AVR sea más fácil de programar a nivel de lenguaje ensamblador y que sea fácil
de optimizar con un compilador. El gran conjunto de registros disminuye la dependencia
respecto a la memoria, lo cual mejora la velocidad y disminuye las necesidades de
almacenamiento de datos. Además casi todas las instrucciones se ejecutan en 1 ó 2 ciclos de
reloj versus 5-10 ciclos de reloj para los chips 8051, 6805, 68HC11 y PIC.
Adicionalmente, ATMEL también proporciona en línea el entorno software (AVR
estudio) que permite editar, ensamblar y simular el código fuente, (la explicación del Avr
Studio 4.0, se explicará más adelante). Una vez ensamblado y depurado el código fuente del
programa, se transferirá el código máquina a la memoria flash del microcontrolador para esto
se debe disponer de otro entorno de desarrollo para programar en forma serial o paralelo la
memoria flash.
Las familias AVR rápidamente han crecido en el mercado y se dispone de las
siguientes categorías:
•
TINY AVR: son microcontroladores de propósito general con memoria flash hasta
2 Kbytes y 128 bytes de memorias SRAM y EEPROM.
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•
AVR: Microcontroladores de propósito general con 8 Kbytes de memoria flash y
512 bytes de memoria SRAM y EEPROM.
•
Mega AVR
Memoria flash hasta 256 Kbytes, 4 Kbytes de memoria EEPROM y SRAM
Los tipos de encapsulado del microcontrolador del ATmega presenta desde 28 pines hasta 100
pines en la forma de DIP, TQFP y MLF y su voltaje de alimentación está en el rango de 1.8 a
5.5 voltios. Se presenta en la figura 2.1 sus características principales
Fig.2.1 Características del microcontrolador ATmega AVR
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2.2
Descripción del ATMEGA8
El microcontrolador ATMEGA8(L) es de 8 bits, su procesador presenta características
avanzadas de tipo RISC, segmentado y arquitectura Harvard.
Fig.2.2 Diagrama de Bloques del Atmega8
La tecnología RISC (Reduced Instruction Set Computing), o sea presentan instrucciones con
complejidad reducida, a diferencia de otros que tienen tecnología CISC (Complex Instrucción
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Set Computing), permite una rápida ejecución de las instrucciones que se ejecutan en un solo
ciclo de reloj, el ATMEGA 8L consigue obtener 1 MIPS por Mhz, permitiendo al diseñador
del sistema optimizar su consumo de energía versus la velocidad de procesamiento). Las
instrucciones en la memoria de programas son ejecutados con estructura segmentada
(pipeling), al mismo tiempo que una instrucción es ejecutado, se realiza la búsqueda de la
próxima instrucción. Este concepto permite de habilitar instrucciones paras ser ejecutados con
cada ciclo de reloj.
Las características principales del microcontrolador (Ver el diagrama de bloques de. la
Fig.2.2) son:
•
Tiene 32 registros de 8 bits de propósito general. Todos estos registros están
conectados a la unidad aritmética lógica (ALU) para un rápido acceso, una
instrucción es ejecutada con uno solo ciclo de reloj.
•
Tipos de Memoria:
Memoria flash de 8 Kbytes
EEPROM de 512 bytes
SRAM de 1 Kbytes
• Característica de los periféricos internos:
•
2 temporizador/contador de 8 bits con pre-escalador y comparador
•
1 temporizador/contador de 16 bits con pre-escalador, comparador y
capturador
•
8 canales de entrada para cada convertidor A/D (en TQFP y MLF)
6 canales A/D de 10 bits y 2 canales A/D de 8 bits
•
6 canales de entrada para cada convertidor A/D (tipo PDIP)
4 canales A/D de 10 bits
2 canales A/D de 8 bits.
• 1 USART (módulo programable para comunicación serial)
• 1 módulo SPI, para interface serial (master/slave)
• 1 perro guardián
• 1 comparador analógico
• Puertos programables de entrada/salida
• Puerto B, con 8 líneas
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• Puerto C, con 7 líneas
• Puerto D, con 8 líneas
•
Velocidad de operación:
0 – 8 Mhz (ATMEGA8L)
0-16 MHZ (ATMEGA8)
•
Voltaje de alimentación:
2.7 a 5.5 voltios (ATMEGA 8L)
4.5 a 5.5 voltios (ATMEGA8)
•
Tipo de empaque:
PDIP de 28 pines
TQFP de 32 pines
MLF de 32 pines
•
Otras características:
Fuentes de interrupción internas y externas
Oscilador interno de 1, 2, 4 y 8 Mhz.
•
Etc.
Se puede configurar su frecuencia de trabajo a través de su oscilador interno a 1, 2,
4 y 8
MHz (Se pide revisar el manual del Atmega8, pagina No. 28),
también el
microcontrolador puede hacer uso de un cristal externo(revisar el manual del Atmega8).
La memoria de programas y de datos están separadas (arquitectura Harvard). Para la
memoria de programas, el microcontrolador maneja un bus de direcciones de 14 bits, por lo
tanto puede direccionar hasta 4KB, dado que la memoria de programas (Flash de 8Kx8) está
organizado en 4Kx16. Una instrucción tiene un formato de 16 bits.
La memoria de datos tiene su propio bus de direcciones y datos. El bus de datos es de
8. ¿De cuántas líneas comprende el bus de direcciones, para la memoria de datos?.
El Atmega8 además de poseer los 32 registros de propósito general, también dispone
de 3 registros índices de 16 bits, X , Y, Z, un registro contador de programa PC y un puntero
de pila, SP (stack pointer), también de 16 bits. El registro de estado,
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contiene los
8
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indicadores: C (bandera de acarreo), V (bandera de desbordamiento), Z (bandera de resultado
cero), N (bandera negativo), H (bandera de acarreo a la mitad), I (habilitador
de
interrupciones), T (copia, almacena un bit), y S (bit de signo).
2.3
Descripción de los pines del ATMEGA8L
Fig.2.3 Tipo PDIP
• VCC y GND. Son los pines de alimentación (+5 v) y tierra (0 v).
• XTAL1 y XTAL2. Conectores del cristal de reloj externo.
• RESET. Corresponde a la línea de reset (entrada).
• AVCC. Es el pin para conectar la fuente de alimentación al convertidor A/D.
• AREF.
Para conectar una tensión de referencia para el conversor A/D interno.
• Puerto B(PB7 .. PB0). Compuesto de 8 bits, a cada pin le corresponde un bit, son
bidireccionales con resistencia interna “pull up” para cada bit.
Alternativamente, cada pin tiene otras funciones alternativas (ver el manual de
Atmega8(L), página 56), por ejemplo PB6 y PB7, permiten la conexión a un cristal
externo.
•
Puerto C(PC0 .. PC5). Tiene 7 bits, bidireccionales con resistencias internas pull up, para
cada bit.
•
PC6/RESET. El bit 6, puede ser usado como entrada/salida si los fusibles han sido
programados, en caso contrario, PC6 es usado para la entrada Reset. Un bajo nivel en este
pin generará un reset.
Las otras funciones de cada pin del puerto C, son descritos en la página 59, del manual
Atmega8(L).
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• Puerto D (PD0..PD7). Son 8 líneas bidireccionales de entrada/salida con resistencias
internas pull up, para cada uno. Los pines del puerto D, también tiene otras funciones
descritas en la página 61 del manual Atmega8, por ejemplo PD0 y PD1 permiten usar el
periférico de comunicación serial USART, PD1
permite la transmisión de datos y PD0,
permite la recepción de datos.
2.4 La Unidad Central de Procesos (CPU)
La función de la CPU es controlar la operación del microcontrolador, permitiendo la
ejecución correcta del programa, habilitando el acceso
a las memorias, controlar los
periféricos y manejar las interrupciones.
Para obtener una mejor perfomance y paralelismo, el AVR, utiliza la arquitectura Harvard
gracias a ella se puede acceder de forma simultánea e independiente a la memoria de datos y a
la memoria de instrucciones (se estudiará más adelante).
Los registros de archivo de acceso rápido contienen 32 registros de propósito general de 8 bits
y son accesados con un solo ciclo de reloj. Esto permite usar un solo ciclo en una operación
aritmética-lógica(ALU), por ejemplo en una operación típica ALU, 2 operandos son extraídos
del archivo de Registros, y la operación es ejecutada, el resultado es almacenado de nuevo en
el Registro de archivos(Rd), en un solo ciclo de reloj.
Rd Rd + Rr
De los 32 registros de 8 bits 6 pueden ser usados como 3 registros de 16 bits para
direccionamiento indirecto apuntando el espacio de memoria de datos. Estos registros
adicionales son X, Y, y Z, de 16 bits.
La ALU, permite realizar las operaciones aritméticas y lógicas entre registros o entre un
registro y una constante. Luego de una operación aritmética, el registro de estados es
modificado para reflejar la información acerca del resultado de una operación.
El flujo de un programa es variado por los saltos condicionales e incondicionales y las
instrucciones de llamada para dirigirse a la nueva dirección en el espacio de memoria. Las
instrucciones del AVR, tiene normalmente un formato de compuesto por una palabra de 16
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bits. Cada dirección en la memoria de programas contiene instrucciones de 16 ó 32 bits (el
concepto de llamadas a subrutinas y ejecución de interrupciones se estudiará más adelante).
Fig. 2.4 Arquitectura AVR
2.4
El Registro de estados
El registro de estado contiene información acerca del resultado de la mas reciente instrucción
ejecutada. Esta operación puede ser utilizada para alterar el flujo de un programa. El registro
de estados es sobrescrito luego de ejecutarse una operación en la ALU.
Bit
Lectura/escritura
Valor inicial
•
7
6
5
4
3
2
1
0
I
T
H
S
V
N
Z
C
R/W
0
R/W
0
R/W
0
R/W
0
R/W R/W R/W
0
0
0
R/W
0
I: Global interrup enable
El bit I permite habilitar las interrupciones con “1” lógico, si el bit es “0”, no se aceptará
ningún pedido de interrupción. Se puede hacer esto usando las instrucciones SEI y CLI.
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•
T: Bit copy storage
La posición del bit T, permite ser el destino o la fuente de un bit determinado (es como un
lugar temporal para guardar un bit). Para esto se utiliza las instrucciones BLD(bit LoaD) y
BST (Bit Store).
Ejemplo:
Bst
R5,3
; guarda el bit 3 del registro R5 en la bandera T
Bld
R0,4
; carga la el valor de la bandera T dentro del bit 4 del registro R0.
•
H: Half carry flag
Es la bandera de medio acarreo, se pone a “1” si en una suma de operandos de 8 bits, hay un
acarreo del nible menos significativo, al más significativo. Se pone a “0” en caso contrario.
•
S: Sign Bit
El bit S siempre es un or-exclusivo entre la bandera negativa “N” y la bandera de desborde
“V”.
•
V: Two’s complement overflow flag
La bandera V se hace 1 cuando el resultado de una instrucción excede el rango de las
operaciones aritméticas, es decir, en el caso de operaciones de 8 bits cuando el resultado de
una operación no está entre –128 y +127 decimal y en el caso de 16 bits entre –32768 y
+32767 decimal. Esto es algo que sucede usualmente en el complemento a dos.
•
N: Negative flag
La bandera N, se hace 1 cuando el resultado de una operación es un número negativo, o sea el
bit mas significativo del resultado vale 1. Se pone a 0 en caso contrario.
•
Z: Zero flag
Se hace “1” cuando el resultado de un operación es cero, de lo contrario es cero.
•
C: Carry flag
La bandera de acarreo (C) se hace 1 cuando existe acarreo en el bit de mayor significado de
una operación aritmética; de lo contrario es cero.
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2.5
Registros de propósito general
Atmega8(L), dispone de 32 registros de propósito general
7
R0
0
Dirección
0x00
R1
0x01
R2
0x02
...
R13
0x0D
R14
0x0E
R15
0x0F
R16
0x10
R17
0x11
...
R26
0x1A
R27
0x1B
R28
0x1C
R29
0x1D
R30
0x1E
R31
0x1F
Fig.2.5 Registros de propósito general
Se observa en la figura, además que a cada registro le corresponde una dirección
dentro de las 32 primeras posiciones en el espacio de memoria de datos.
Los registros R26..R31 tienen algunas funciones adicionales.
•
Registros X, Y, Z
Los registros R26 y R27 forman el registro X de 16 bits, los registros R28 y R29
forman el registro Y de 16 bits, los registros R30 y R31 forman el registro apuntador
Z de 16 bits.
XH
7
XL
0
R27
7
0
R26
YH
YL
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7
0
7
R29
0
R28
ZH
ZL
7
0
7
R31
0
R30
Fig.2.6 Los Registros X, Y, Z
Puntero de Pila
La pila es el área de espacio de memoria, utilizado temporalmente para guardar y
recuperar datos y/o direcciones cuando el CPU está ejecutando una subrutina programada o
una interrupción. El puntero de pila apunta (almacena la dirección) a la próxima dirección
libre de la pila y que decrementa su valor en uno cada vez que se almacena un dato(de un
byte) en ella, incrementándolo en uno cuando se retira este valor(de un byte). En el caso que
se guarda la dirección de retorno cuando se atiende a una subrutina o una interrupción el
puntero de pila es decrementado en 2 y luego de ejecutarse la última instrucción de retorno de
la subrutina, el puntero de pila es incrementado en 2.
El puntero de pila en el AVR es implementado con 2 registros de 8 bits en el espacio
de memoria E/S. El programador debe darle el valor inicial al puntero de pila en la memoria
de datos SRAM por encima de la dirección $60,
Bit
2.6
15
14
13
12
11
10
9
8
SP15
SP14
SP13
SP12
SP11
SP10
SP9
SP8
SPH
SP7
SP6
SP5
SP4
SP3
SP2
SP1
SP0
SPL
7
6
5
4
3
2
1
0
La arquitectura Harvard y RISC
El microcontrolador ATmega8
utiliza la
arquitectura conocida como Harvard,
consiste simplemente en un esquema en el que el CPU está conectado a dos memorias por
intermedio de dos buses separados. Una de las memorias contiene solamente las instrucciones
del programa, y es llamada Memoria de Programa. La otra memoria solo almacena los datos y
es llamada Memoria de Datos. Ambos buses son totalmente independientes y pueden ser de
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distintos anchos. En cuanto a sus instrucciones es de tipo RISC (Reduced Instrucción Set
Computer), esto permite que el set de instrucciones y el bus de la memoria de programa
pueden diseñarse de manera tal que todas las instrucciones tengan una sola posición de
memoria de programa de la misma longitud. Además, como los buses son independientes, el
CPU del microcontrolador puede estar accediendo a los datos para completar la ejecución de
una instrucción, y al mismo tiempo estar leyendo la próxima instrucción a ejecutar. En
resumen Atmega8, maneja:
•
130 instrucciones, la mayoría se ejecuta en un solo ciclo de reloj
•
32 registros de propósito general de 8 bits
•
Hasta 16 MIPS si trabaja a 16 Mhz.
2.7 Memoria de programa y memoria de datos
El microcontrolador ATmega8 define 2 tipos de espacio de memoria, el espacio de la
memoria de datos y el espacio de memoria de programas. Además tiene una memoria
EEPROM.
La memoria flash del Atmega8 tiene una capacidad de 8K x 8, las instrucciones son de 16
bits o 32 bits, por tanto esta memoria es organizado como 4Kx16 bits. Para mayor seguridad
el espacio de la memoria flash(memoria de programas) está dividido en 2 áreas: arranque y de
aplicación. Para acceder al espacio comprendido entre 0 y 4095 ($FFF) direcciones, el
tamaño del registro contador de programa (PC) será de 12 bits.
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Fig.2.8 Memoria de programas
Memoria de datos
En la memoria de datos residen los registros de propósito general (R0...R31), los
registros de E/S y los registros de la SRAM interna.
El espacio de EEPROM consta de 512 bytes, donde opcionalmente se pueden guardar
datos que no se pierden al desconectar la alimentación.
La siguiente figura muestra la organización de la memoria SRAM del Atmega8
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Fig.2.9 Mapa de la memoria de datos
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2.8.
Descripción de los Puertos de Entrada y Salida
Los puertos son un conjunto de líneas (pines) programables como entrada ó salida que
dispone el microcontrolador para comunicarse con el mundo exterior.
El microcontrolador Atmega8(L), tiene 3 puertos de E/S (Puertos B, C D). Todos los pines de
cada puerto son programables como entrada o salida de datos
configurando el registro
asociado respectivo.
Cuando se programa el funcionamiento de un puerto como entrada tenemos que habilitar o
deshabilitar las resistencias pull-up internas. Cada pin del puerto tiene independiente su
resistencia pull-up como una resistencia invariante hacia la fuente de voltaje, además tiene 2
diodos de protección uno conectado a Vcc y el otro conectado a GND. (ver figura 4.1)
Fig.4.1 Diagrama equivalente de un pin de E/S
En resumen, para cada puerto del microcontrolador (puertos B, C y D) existen tres registros de
E/S que permiten configurar cada pin del puerto como entrada o salida, enviar datos a los
pines configurados como salidas, y recibir datos de los pines configurados como entradas.
Estos registros son:
•
el Registro de Direcciones de Datos DDRx,
•
el Registro de Datos – PORTx, y
•
el registro – PINx, .
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En el párrafo anterior, “x” puede ser B, C ó D. Es decir, si nos referimos al puerto B, los
registros son DDRB, PORTB y PINB.
Los registros PINx son de sólo lectura, mientras que los registros PORTx y DDRx son de
lectura/escritura. Adicionalmente, el bit “Pull-up Disable” – PUD, en el registro SFIOR
inhabilita la función Pull-up para todos los pines de todos los puertos cuando es puesto a nivel
alto. (Ver Figura 4.2)
Cada pin del puerto de E/S, está asociado a 3 registros DDxn, PORTxn, y PINxn, cuyas
direcciones en el espacio de memoria están indicados por los Registros DDRx E/S,
PORTxE/S y PINxE/S.(ver Register Descripción for E/S ports, pagina 63 del manual
Atmega8(L)).
El bit DDxn del Registro DDRx, establece la dirección de este pin. Si DDxn es escrito con
“1” lógico, Pxn es configurado como un pin de salida. Si en DDxn es escrito un “0”, Pxn es
configurado como un pin de entrada.
Si el pin PORTxn está configurado como un pin de entrada y es escrito un “1” lógico,
entonces la resistencia pull-up está activada. En cambio si en PORTxn está configurado como
un pin de salida ó es escrito con un “0” lógico, la resistencia pull-up está desactivada.
Si el pin PORTxn está configurado como un pin de salida y es escrito con un “1” lógico, el
pin toma un valor alto, en cambio si es escrito con “0” lógico el pin toma un valor bajo(cero).
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Fig.4.2 Puertos de E/S
Adicionalmente, se puede observar en el anterior diagrama que si el bit PUD(PULLUP
DISABLE) del registro SFIOR, tiene un valor alto “1”, se deshabilitarán las resistencias pullup de todos los puertos. El funcionamiento de la configuración de los pines de un puerto se
resume en la siguiente tabla:
DDxn
PORTxn
PUD
E/S
Pull-up
Comentario
Tri-state
(en SFIOR)
0
0
X
Entrada
No
0
1
0
Entrada
Yes
0
1
1
Entrada
No
Tri-state
1
0
X
Salida
No
Salida baja
1
1
X
Salida
No
Salida alta
Tabla: Configuración de los pines del puerto.
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PRACTICA N° 1
MANEJO DE PUERTOS ENTRADA/SALIDA
I. OBJETIVO
Aprender a desarrollar programas con el microcontrolador Atmega8, utilizando instrucciones
básicas.
Aprender a manejar el entorno de desarrollo VMLAB
Aprender a grabar la memoria flash del microcontrolador
II. MATERIALES
• 1 módulo de entrenamiento “AvrPUCP -Mega8”.
• 1 Módulo de entrada/salida.
• 1 Cable de programación
• 1 computadora personal.
• Entorno de desarrollo VMLAB
• Cables de conexión
III. PROCEDIMIENTO
Ejemplo 1
Se desea escribir un programa que permita prender 2 leds, que están conectados a 2 pines
de un puerto del microcontrolador
Planteamiento
•
El microcontrolador ATmega8L tiene 23 pines programables E/S. Para la solución
utilizaremos PB0 y PB1 de acuerdo al siguiente Circuito esquemático:
•
Para desarrollar el programa utilizaremos el entorno VMLAB y los módulos de
entrenamiento del laboratorio, que explicaremos a continuación.
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IV.
MANEJO DEL VMLAB (VISUAL MICRO LAB)
4.1
Creación del primer proyecto: Edición y Compilación
El problema planteado tiene como objetivo encender 2 leds, conectados a los pines PB0 y PB1
del microcontrolador ATmega8.
Procedimiento:
1er Paso:
Ejecutar el entorno VMLAB, y del menú principal, escoger Proyect, luego la opción New
Proyect, y aparecen las siguientes figuras:
Figura 1. Barra de herramientas del menú principal del VMLAB
Figura 2. Pantalla para definir el nuevo proyecto
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2do.paso:
Defina el proyecto con los parámetros correctos, activando las pestañas respectivas:
1. Project name and location: C:\CursoAtmega8\ejemplo1.prj
2. Luego seleccione el código del microcontrolador: Atmega8
3. Elija el modo estándar de compilación : Standart micro manufacturer assembler/linker (por
defecto ya está marcado)
4. Añada el archivo ejemplo1.asm en la caja de archivos (Code files list), haciendo clic en
el botón Add this:
Figura 3: Definición de un proyecto.
5. Una vez completados todos los datos se hace clic en el botón OK, y aparecerá 3 ventanas
de trabajo con líneas de texto predeterminadas (ver figura 4):
•
•
•
Ejemplo1.asm: Aquí escribiremos nuestro programa en lenguaje ensamblador
Ejemplo1.prj: Esta ventana nos permite dibujar(mediante líneas de texto definidos)
el hardware del circuito, para los cuáles debemos conocer la sintaxis de cada
elemento.
Ventana de mensajes: Nos mostrará si hubo o no errores en la compilación tanto del
software como del hardware del proyecto.
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Figura 4: Ventanas de trabajo (*.hex y *.prj) y de mensajes
3er. Paso:
Definiendo el hardware del proyecto
Para construir nuestro circuito debemos usar la ayuda del menú principal Help, en su contenido
muestra la lista de componentes que conforman toda la librería del hardware (abrir el enlace
Hardware component) y aparece la figura siguiente. ( Debemos abrir el componente en particular y
estudiar la sintaxis respectiva)
Ejemplos:
(a) Para definir el diodo led se debe tener que el ánodo siempre está conectado a la fuente VDD.
La sintaxis es la siguiente:
D{1-8} VDD (Nombre del nodo)
Ejemplo:
D1 VDD NODO1 ; el ánodo del diodo está conectado a la fuente VDD y el cátodo al nodo 1.
(b) En la lista de componentes no existe la puerta inversora, pero sí existe la puerta NAND de 2 entradas
con la cual se formará el inversor. La sintaxis de la compuerta NAND es la siguiente:
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X(<nombre de la compuerta>) ND2 <entrada1><entrada2><salida>
Ejemplo:
X1 ND2 <nodo2><nodo3><nodo4>
( c) La resistencia tiene la siguiente sintaxis:
R(<nombre de la resistencia>) <nodo1><nodo2> <valor>
Ejemplo para definir una resistencia de 180 ohmios entre 2 nodos N1 y N2:
R1 N1 N2 180.
Figura 5: Se muestra una lista de componentes electrónicos que dispone VMLAB
En el archivo de trabajo ejemplo1.prj, se observa algunas directivas y comentarios creados por
defecto.
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Para nuestro caso se agrega las siguientes líneas de texto que definen el hardware del proyecto: 2 leds
con 2 resistencias en serie conectados a los pines PB0 y PB1.
D1 VDD N1
R1 N1 PB0 330
D2 VDD N2
R2 N2 PB1 330
;Diodo led1 conectado a PB0 usando la resistencia R1
; Diodo led2 conectado a PB1 usando la resistencia R2
Luego de escribir estas líneas de texto se compila (presionar la tecla F9), apareciendo una carita feliz
en la ventana de mensajes. Si algo no está correcto debemos corregir y compilar otra vez.
Figura 6: Se muestra las líneas de texto que define el Hardware del proyecto y su compilación.
Cuarto Paso:
EDICIÓN DEL PROGRAMA
Abra la ventana de trabajo ejemplo1.hex, para escribir el programa
(Antes de escribir el siguiente programa borre todas las líneas de texto que aparecen)
Algoritmo del programa:
Se configura 2 pines del puerto B como salida
Se prende 2 leds con nivel bajo.
A continuación se muestra el programa con las directivas necesarias del VMLAB, que permitirá
compilar y simular su funcionamiento
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Figura 7. Se muestra el programa en leguaje ensamblador
Quinto Paso:
ENSAMBLAJE Y DEPURACIÓN DEL PROGRAMA
Para ensamblar el programa presione la tecla F9 ó puede utilizar la opción (haciendo un clic) que se
muestra en la siguiente figura.
Build (F9)
De la barra de herramientas
Figura 8: Forma de ensamblar un programa
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Si al momento de compilar no existe ningún error aparecerá en la ventana de mensajes un símbolo
similar a una carita feliz, con un texto Succes! All ready to run, como en la siguiente figura
simplificada (Si hay errores se debe corregir el programa):
Figura 9
4.2. USO DEL SIMULADOR
Paso 1:
Para observar nuestros resultados activaremos las siguientes opciones de la barra de herramientas
View:
Panel de control: Permite observar los leds, interruptores/pulsadores, potenciómetro
I/O ports : Para observar las modificaciones de los puertos B, C y D y sus registros asociados.
Register/flags: Para ver los registros de propósito general (R0 a R31) y de control, Flags, PC
Figura 10. Se observan los leds, los registros y los puertos que presenta el VMLAB
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Paso 2:
Podemos simular el funcionamiento del proyecto de 2 maneras:
1) Ejecutando el Programa paso a paso (instrucción por instrucción).
Se utiliza las teclas F6 ó F7.(también se puede usar los botones del menú (Step Over) ó (Step
into))
2) Ejecutando todo el programa .
Se utiliza la tecla F5 ò los botones del menú GO/Continue
Go (F5)
De la barra de herramientas
Figura 11
Obteniéndose el siguiente resultado: se comprueba los valores de los registros R20,R16,
DDRB, PORTB y se prenden 2 leds, como se observa en la siguiente figura:
Figura 12: Se observa los resultados obtenidos
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Ejercicio 1:
Modifique su programa para prender los leds, cuando los pines de salida del
microcontrolador tienen un nivel alto “1”, para esto en el archivo ejemplo1.prj, introduzca
el uso de la compuerta NAND de 2 entradas para simular un inversor y luego haga los
cambios necesarios en el programa. Use la librería del VMLAB para la sintaxis respectiva.
Figura No.13
Ejemplo No, 2:
El objetivo de este proyecto es controlar 2 leds usando un interruptor.
Condiciones:
El interruptor está conectado al pin PB7, usando una resistencia pull up (resistencia a fuente de 5 V.)
Los diodos leds están conectados a los pines PB0 y PB7. Se prenden cuando se cierra el interruptor.
Circuito esquemático:
Figura No.14
Programa: De acuerdo a los pasos anteriores, compruebe el funcionamiento del siguiente programa,
creando un nuevo proyecto en el entorno VMLAB:
; ******************************************************
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; * Laboratorio de sistemas digitales
; * El Programa prende 2 leds, mediante un interruptor
; *
Entrada: 1 pulsador, conectado al pin PB7
; *
Salida: 2 leds, conectados a PB0 y PB1
; ******************************************************
.include "C:\VMLAB\include\m8def.inc";
.cseg
.org $0
rjmp inicio
inicio:
ldi
R16,0b00000011 ; Configuro PB0 y PB1 como salida y PB7 como entrada
out
DDRB,R16
;utilizando el registro DDRB
lazo:
in
R16,PINB
andi
R16,0b10000000 ; ==> Filtro solo el pin PB7.
; Leo los pines del puerto B, pero solo interesa
cpi
R16,0b00000000 ;
breq
SWcerrado
ldi
R16,0b11111111 ; Si el interruptor esta abierto los leds están
PB7
analizo si el interruptor está cerrado ¿PB7=0?
; Si el interruptor esta cerrado, prendo los leds
;apagados
out
PORTB,R16
rjmp
lazo
; retorno para una nueva lectura
SWcerrado:
ldi
R16,0b11111100 ;Se escribe "0" lógico para prender los leds
out
PORTB,R16
rjmp
lazo
Archivo que define el circuito esquemático del proyecto:
D1
VDD
N1
; diodo led D1 conectado al pin PB0 usando la Resistencia R1 de 330Ω
R1
N1
PB0
330;
D2
VDD
N2
R2
N2
PB1
K0
PB7
VSS
R3
VDD
PB7
;
diodo led D2 conectado a PB1 usando la Resistencia R2 de 330Ω
330
latched
10K
; interruptor K0 conectado al pin PB7 con una
; resistencia de 10K, conectado a la fuente VDD.
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Ejercicio 2
Ejecute nuevamente el programa pero borre la palabra latched en el archivo *.prj
Con lo que tendremos un pulsador.
Ensamble el programa y compruebe su funcionamiento usando el control panel del VMLAB
Ejemplo No. 3:
El objetivo de este proyecto es controlar 2 diodos leds usando un pulsador. Los leds, se prenden luego
de presionar y soltar un pulsador
Considere:
Entrada:
1 pulsador conectado al pin PC5
Salida:
2 diodos leds conectados a PB0 y PB1
Circuito esquemático:
Figura No.15
Diagrama de flujo
Dibujar el diagrama de flujo
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;Programa
; ******************************************************
;El programa prende 2 leds, luego de presionar y soltar un pulsador
;Entrada: 1 pulsador conectado al pin PC5
;Salida: 2 leds conectados a PB0 y PB1
; ******************************************************************
.include "C:\VMLAB\include\m8def.inc";
.cseg
.org $0
rjmp inicio
inicio:
ldi
R16,0b00000011 ; Configuro PB0 y PB1 como salida
out
DDRB,R16
ldi
R18,0b11111111 ;inicialmente los leds están apagados
out
PORTB,R18
;utilizando el registro DDRB
;el pulsador está conectado a PC5
PulsadorNoPresionado:
in
R20,PINC ;lectura del pulsador, para analizar si está presionado
andi
R20,0b00100000 ; ==> Filtro solo el pin PC5.
cpi
R20,0 ;
breq
PulsadorNoPresionado ;
analizo el pin 5 (PC5) ¿El Pulsador está presionado?
;El pulsador está presionado, cuando PC5= 5 voltios (Ver el
circuito)
SoltarPulsador:
in r20,PINC
;lectura del pulsador, para ver si soltó el pulsador
andi R20,0b00100000 ; se filtra solo el pin PC5
cpi R20,0
;¿Soltó el pulsador?
brne SoltarPulsador ; todavía el pulsador sigue presionado
;Se soltó el pulsador
; Luego de presionar y soltar el pulsador se prende los 2 leds
ldi
R18,0b11111100 ;Se escribe "0" lógico para prender los leds
;(ver el circuito)
out
lazo: rjmp
PORTB,R18
lazo
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Definición del circuito esquemático(*.prj):
D1
VDD
N1
R1
N1
PB0
D2
VDD
N2
R2
N2
PB1
K3
VDD
PC5
R3
PC5
VSS
; diodo D1 conectado al pin PB0 usando la Resistencia R1 de 330Ω
330;
;
diodo led D2 conectado a PB1 usando la Resistencia R2 de 330Ω
330
; pulsador conectado al pin PC5
10K
; usando la resistencia R3 de 10K, conectado a Tierra.
.
Material de trabajo elaborado por:
Zenón Cucho Mendoza
Diciembre de 2006
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