Microcontroladores y sistemas empotrados

Microcontroladores
M.C. Jorge Eduardo Ibarra Esquer
jorgeeie@uabc.mx
Universidad Autónoma de Baja California
Facultad de Ingeniería Mexicali
Semestre 2008-2
¿Cuándo fue la última vez que
utilicé una computadora?
1
Conceptos básicos
„
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
„
De escritorio
„
Empotradas
2
Arquitecturas
„
De escritorio
… Hardware
„
„
„
„
„
Empotrada
… Hardware
Procesador
Memoria
E/S
… Software
„
„
„
„
„
Procesador
Memoria
E/S
… Software
Sistema operativo
Múltiples aplicaciones
Podemos cambiar de
aplicación
„
„
Puede tener un sistema
operativo
Aplicación específica
Conceptos básicos
„
Software
… Controla
la operación y funcionalidad de la
computadora
3
Conceptos básicos
„
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
„
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
„
Aplicaciones
… Programas
que dan la funcionalidad a la
computadora
4
Conceptos básicos
„
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
ADD #$34
„ AB 34 48 9E EB A0 4F
„
Conceptos básicos
„
Arquitectura de una computadora
5
Conceptos básicos
„
Microprocesador
… Procesador
implementado en un solo circuito
integrado (registros, unidad de control, ALU,
unidad de interfaz de bus)
… Se le conoce también como CPU
„
Microcontrolador
… Microprocesador,
memoria y dispositivos de
E/S incluidos en un solo circuito integrado
… Por lo general se utiliza en sistemas
empotrados
Conceptos básicos
„
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
6
Conceptos básicos
„
Espacio de memoria
Conceptos básicos
„
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:
E/S Programada
„ E/S controlada por interrupciones
„ Acceso Directo a Memoria DMA
„
7
Conceptos básicos
„
Clasificación de interfaces E/S
… Paralela
… Serial
… Analógica
… De
tiempo
Conceptos básicos
„
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
8
Sistema basado en
microprocesador
Sistema basado en
microcontrolador
9
Sistemas empotrados
„
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
Aplicaciones de los sistemas
empotrados
„
Electrodomésticos
… Lavadoras
… Equipo
de ejercicio
… Controles remotos
… Juguetes
… Equipo de audio y video
„
Sistemas de comunicación
… Teléfonos
… Faxes
10
Aplicaciones de los sistemas
empotrados
„
Sistemas automotrices
… Frenos
automáticos
… Encendido electrónico
… Ventanas y asientos eléctricos
… Control de velocidad
„
Sistemas militares
… Posicionamiento
global
… Vigilancia
Aplicaciones de los sistemas
empotrados
„
Aplicaciones empresariales
… Cajas
registradoras
… Cajeros automáticos
… Control de elevadores
… Robots
„
Dispositivos médicos
… Monitores
… Prótesis
… Marcapasos
11
Sistemas empotrados
Son sistemas de uso específico
construidos dentro de sistemas más
grandes.
„ Incluye una computadora conectada a
dispositivos mecánicos, químicos y
eléctricos, programada para un propósito
dedicado y empacada como un sistema
completo.
„
12
Características de los sistemas
empotrados
Por lo general, el usuario no los percibe
como una computadora.
„ El software tiene una misión fija.
„ Relación muy estrecha entre hardware y
software.
„ El sistema debe ser robusto.
„ Bajo consumo de energía.
„
Características de los sistemas
empotrados
Requerimiento de dispositivos de E/S
específicos a la aplicación.
„ Funcionamiento autónomo.
„ Funcionamiento en tiempo real.
„
13
¿Por qué utilizar estos
sistemas?
Aprovechar las capacidades de una
computadora.
„ Las computadoras se vuelven cada vez
más pequeñas y económicas.
„ Hacernos la vida más fácil.
„
¿Qué necesito para desarrollar
un sistema empotrado?
Microprocesadores
„ Microcontroladores
„ DSP
„ ASIC
„ FPGA
„ Sensores
„ Actuadores
„
14
„
Microprocesador
… Procesador
implementado en un solo circuito
integrado (registros, unidad de control, ALU,
unidad de interfaz de bus)
… Se le conoce también como CPU.
„
Microcontrolador
… Microprocesador,
memoria y dispositivos de
E/S incluidos en un solo circuito integrado.
… Por lo general se utiliza en sistemas
empotrados.
„
Procesadores de señales digitales (DSP)
… Es
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.
15
„
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)
„
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.
16
„
Sensores
… Son
dispositivos que responden ante algún
estímulo físico.
Luz (fototransistor, fotodiodo)
„ Temperatura (termopar, termistor)
„ Sonido (micrófono)
„ Contacto, acidez, deformación, proximidad, etc.
„
… Proporcionan
entradas de datos hacia los
procesadores.
„
Actuadores
… Son
elementos que pueden provocar un
efecto sobre un proceso automatizado.
Motores
„ Bombas
„ Abanicos
„ Lámparas
„ Resistencias
„ Válvulas
„ Compresores
„
17
Fabricantes de dispositivos para
sistemas empotrados
Freescale
„ Altera
„ Atmel
„ Xilinx
„
Freescale Semiconductor
Anteriormente
Motorola
„ Fabricantes de
microcontroladores,
ASIC, DSP,
memorias,
sensores, entre
otros.
„
18
Freescale Semiconductor
„
Aplicaciones orientadas al sector
automotriz, electrónica de consumo,
industria, redes, conectividad, control de
motores y comunicaciones inalámbricas.
Freescale Semiconductor
„
BMW X5
… Crear
vehículos que se adapten de manera
automática a las condiciones del camino.
… Desarrollar una red intravehicular utilizando
la tecnología FlexRay.
… Controlador de comunicaciones FlexRay
MFR4200.
19
Freescale Semiconductor
„
Lavadoras y secadoras Whirlpool
… Crear
“green cleaning machines”
… Obtener un control del agua y energía
eficiente.
… Microcontroladores MC908AX
Altera
Fabricantes de
FPGA, ASIC y CPLD.
„ http://www.altera.com
„ Aplicaciones
médicas, militares,
inalámbricas,
automotrices, entre
otras.
„
20
Altera
„
Sanyo
… Televisión
de retroproyección de 45’’ y 55’’
… LCD HDTV
… Procesadores NIOS II y FPGA Stratix
… Procesamiento de imagen inteligente.
… Reducción de ruido.
Altera
„
Panasonic
… Cámara
de video digital AG-DVX100A
… LCD HDTV
… FPGA Cyclone
21
Altera
„
Leapfrog
… Plataforma
de aprendizaje Leapster L-Max
… CPLD MAX II
… Convertir la información de la pantalla en
señales para televisión.
Atmel
Fabricantes de
microcontroladores,
ASIC, FPGA y
memorias.
„ Aplicaciones en
comunicaciones,
militares,
aeroespaciales,
industriales, etc.
„
22
Atmel
„
AT8xC51SND1C
… Microcontrolador
diseñado para reproductores
MP3 de bajo costo.
„
AT8xC51SND2C
… Manejo
de “ring tones” MP3 para teléfonos
celulares, lectura de tarjetas MMC-SD,
reproducción MP3 e interfaz USB.
Xilinx
Fabricantes de
FPGA, CPLD y
procesadores.
„ Aplicaciones
orientadas a
diversos campos.
„
23
Xilinx
Sistemas de asistencia al conductor.
„ Sistemas de entretenimiento en los
vehículos.
„ Redes intravehiculares.
„ Diagnósticos.
„
Xilinx
„
Equipo médico.
… Imágenes:
Ultrasonido, rayos X, MRI
… Salud en el hogar: Alcoholímetros, monitores
de colesterol.
… Equipo de hospital: Endoscopías,
fisioterapias, monitores para pacientes,
incubadoras, etc.
24
¿Dónde obtener información?
Sitios Web de las compañías
desarrolladoras de dispositivos.
„ www.embedded.com
„ www.embeddedmarketing.com
„
Conclusiones
El continuo desarrollo de las
computadoras, nos permitirá integrarlas
en casi cualquier otro artefacto de uso
común.
„ El objetivo de desarrollar este tipo de
sistemas, es facilitar y hacer más seguras
nuestras actividades cotidianas.
„
25
Conclusiones
„
Este es un campo en el cual los
programadores pueden interactuar con los
diseñadores de hardware.
26