Sistemas Embebidos Para El Auto

M.C Abel Daz Olivares Sistemas Embebidos para el Automvil

1

PRIMERA UNIDAD. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS

EMBEBIDOS.

1.1 Qu es un sistema embebido y aplicaciones?

Un sistema embebido (SE) o sistema empotrado lo vamos a definir como un sistema

electrnico diseado especficamente para realizar unas determinadas funciones,

habitualmente formando parte de un sistema de mayor entidad. La caracterstica principal

es que emplea para ello uno o varios procesadores digitales (CPUs) en formato

microprocesador, microcontrolador o DSP lo que le permite aportar inteligencia al sistema anfitrin al que ayuda a gobernar y del que forma parte.

En el diseo de un sistema embebido se suelen implicar ingenieros y tcnicos

especializados tanto en el diseo electrnico hardware como el diseo del software. A su

vez tambin se requerir la colaboracin de los especialistas en el segmento de usuarios de

tales dispositivos.

Hardware

Normalmente un sistema embebido se trata de un mdulo electrnico alojado dentro de

un sistema de mayor entidad (host o anfitrin) al que ayuda en la realizacin tareas tales como el procesamiento de informacin generada por sensores, el control de actuadores, etc.

El ncleo de dicho mdulo lo forma al menos una CPU en cualquiera de los formatos

conocidos:

Microprocesador.

Microcontrolador de 4, 8, 16 o 32 bits.

DSP de punto fijo o punto flotante.

DSC de punto fijo o punto flotante.

Diseo a medida custom tales como los dispositivos FPGA.

Requisitos especficos de la aplicacin a la que est dirigida:

Tamao.

Margen de temperatura especifico del mbito de aplicacin.

Consumo de energa.

Robustez mecnica.

Costo.

Software

En general para el diseo de un SE no se dispone de recursos ilimitados sino que la

cantidad de memoria ser escasa, la capacidad de clculo y dispositivos externos ser

limitada, etc. Podemos hablar de las siguientes necesidades:

Trabajo en tiempo real.

Optimizar al mximo los recursos disponibles.

Disponer de un sistema de desarrollo especfico para cada familia de microprocesadores empleados.


2

Programacin en ensamblador, aunque en los ltimos aos, los fabricantes o empresas externas han mejorado la oferta de compiladores que nos permiten

trabajar en lenguajes de alto nivel, tales como C.

El empleo de un sistema operativo determinado o el no empleo de ste depender del

sistema a desarrollar y es una de las principales decisiones que habr que tomar en la fase

de diseo del SE. As, en el caso de decidirse por el empleo de microcontroladores y DSP,

por lo general no se usar sistema operativo mientras que si se emplea algn micro del tipo

ARM, PowerPC, Intel x86, etc. s que lo llevar. La decisin depender de los requisitos

del sistema, tanto tcnicos como econmicos.

Las aplicaciones ms numerosas y habituales de los SE suelen ser del tipo industrial y

gran consumo. Existen en el mercado de semiconductores una amplia variedad de familias

de microprocesadores, microcontroladores y DSPs dirigidos a este sector.

En la prctica totalidad de las reas de nuestra vida nos encontramos con sistemas

embebidos que prcticamente nos pasan desapercibidos. Sirva como ejemplo el sector del

automvil, que en pocos aos ha introducido notables avances en lo referente a la

seguridad, confort, infomovilidad, etc. Pero, en general, podemos enumerar los siguientes

campos de aplicacin:

Equipos industriales de instrumentacin, automatizacin, produccin, etc.

Equipos de comunicaciones.

En vehculos para transporte terrestre, martimo y areo

En dispositivos dedicados al sector de consumo tales como electrodomsticos, equipamiento multimedia, juguetes, etc.

En bioingeniera y electromedicina.

Sector aerospacial y de defensa.

Equipos para domtica.

A continuacin se muestra la clasificacin ms comn de los fabricantes de

semiconductores en el rango de aplicaciones:

Audio

Automotive

Broadband

Communications & Telecom

Computers & Peripherals

Consumer Electronics

Industrial

Medical

Security

Space, Avionics, & Defense

Video and Imaging

Wireless


3

1.2 Arquitectura de un sistema embebido.

En el diseo de SE basados en microcontroladores, en general no se requiere una gran

potencia de procesado, ni dispositivos de presentacin con gran resolucin grfica ni

sistema operativo y si en cambio el trabajo en tiempo real. Tampoco se suelen contemplar

las posibilidades de ampliacin hardware con nuevos mdulos ya que el sistema anfitrin

se disea en su totalidad para unos requisitos especficos, de forma tal que si el sistema

anfitrin se queda obsoleto lo ser no slo por la CPU embebida sino tambin por el resto

de los elementos que lo integran, con lo que la nica alternativa consistir en el rediseo del

sistema completo, en la mayora de los casos. Requisitos tales como tamao, margen de

temperatura, consumo e inmunidad ante interferencias electromagnticas suelen ser de gran

importancia.

En la figura 1.1 se muestra un diagrama de bloques de lo que puede ser un modelo

general de un sistema embebido, de los aqu considerados.

Figura 1.1.- Diagrama de bloques simplificado de un mdulo tpico de un SE.


4

1.3 Sistemas concurrentes y distribuidos.

Los sistemas concurrentes son la simultaneidad en la ejecucin de mltiples tareas

interactivas. Estas tareas pueden ser un conjunto de procesos o hilos de ejecucin creados

por un nico programa. Las tareas se pueden ejecutar en una sola unidad central de proceso,

en varios procesadores o en una red de computadores distribuidos. La programacin

concurrente est relacionada con la programacin paralela, pero enfatiza ms la interaccin

entre tareas. As, la correcta secuencia de interacciones o comunicaciones entre los

procesos y el acceso coordinado de recursos que se comparten por todos los procesos o

tareas son las claves de esta disciplina.

Figura 1.2 a) La supercomputadora Cray-2. b) La supercomputadora paralela Blue Gene de IBM.

Un sistema distribuido se define como una coleccin de computadoras separadas

fsicamente y conectadas entre s por una red de comunicaciones distribuida; cada mquina

posee sus componentes de hardware y software que el usuario percibe como un solo

sistema. El usuario accede a los recursos remotos (RPC) de la misma manera en que accede

a recursos locales, o un grupo de computadoras que usan un software para conseguir un

objetivo en comn. Los sistemas distribuidos deben ser muy confiables, ya que si un

componente del sistema se descompone otro componente debe ser capaz de reemplazarlo.

Esto se denomina tolerancia a fallos. El tamao de un sistema distribuido puede ser muy

variado, ya sean decenas de hosts (red de rea local), centenas de hosts (red de rea

metropolitana), o miles, o millones de hosts (Internet); esto se denomina escalabilidad.

1.4 Sistemas continuos, discretos e hbridos.

Los sistemas continuos operan con seales analgicas y su principal caracterstica es

presentar continuidad tanto en magnitud como en tiempo. Con los avances tecnolgicos,

tanto en electrnica como en computadoras, la mayora de los sistemas de adquisicin de

datos y de control automtico han evolucionado a procesadores digitales y sistemas que

operan con computadoras, a los cuales se les conoce como sistemas discretos, cuya

principal caracterstica es operar con seales discontinuas que presentan su discontinuidad

tanto en magnitud como en tiempo.


5

Conocer las caractersticas, ventajas y desventajas de los sistemas continuos como de

los discretos es fundamental para tener claridad en las especificaciones y limitaciones de

diseo que aseguren que, en la implementacin de uno de estos tipos de sistemas,

cumplamos con los objetivos de rendimiento global esperado.

Sistemas Continuos.

Los primeros sistemas de adquisicin de datos (as como sistemas automticos de

control) operaron como sistemas continuos. A estos sistemas actualmente se les conoce

como sistemas o controles convencionales y su principal caracterstica es que registran y

manipulan la informacin mediante seales analgicas, tales como voltaje, corriente,

presin, temperatura, posicin o alguna otra variable fsica.

Estas seales tienen la caracterstica de presentar continuidad tanto en magnitud como

en tiempo. As definiremos a los sistemas continuos como aquellos que operan o manipulan

informacin en forma continua. La continuidad en magnitud se puede definir bajo la

caracterstica de que ante un rango definido de la variable o seal se tienen un nmero

infinito de valores intermedios.

Sistemas Discretos.

Las computadoras, microprocesadores y procesadores digitales operan como sistemas

discretos y como ya se mencion, tienen la caracterstica de operar con informacin o

seales que presentan discontinuidad tanto en magnitud como en tiempo.

Las computadoras operan y manipulan informacin en forma de cdigos digitales, es decir,

en grupos de bits (el bit es la unidad bsica de operacin y puede tener solo 2 posibles

valores: 0 1). Cuando varios bits se agrupan de alguna manera, se forma un cdigo digital, lo que permite representar la informacin con un mayor nmero de estados.

Por una parte, en una seal continua tenemos que en cualquier intervalo definido se

tiene un nmero infinito de valores intermedios y por otra parte en la seal discreta se tiene

un nmero finito de combinaciones. As, en el proceso de conversin se tendr que

aproximar la magnitud de la seal continua a la combinacin digital que mejor represente su magnitud (esto produce un error de redondeo o truncamiento conocido como error de

cuantizacin).

1.5 Sistemas operativos en tiempo real.

Los Sistemas Operativos de tiempo real son aquellos en los cuales no tiene importancia

el usuario, sino los procesos. Por lo general, estn subutilizados sus recursos con la

finalidad de prestar atencin a los procesos en el momento que lo requieran y se utilizan en

entornos donde son procesados un gran nmero de sucesos o eventos.

Muchos Sistemas Operativos de tiempo real son construidos para aplicaciones muy

especficas como control de trfico areo, bolsas de valores, control de refineras, control de

laminadores. Tambin en el ramo automovilstico y de la electrnica de consumo, las

aplicaciones de tiempo real estn creciendo muy rpidamente.


6

Otros campos de aplicacin de los Sistemas Operativos de tiempo real son los

siguientes:

1. Control de trenes. 2. Telecomunicaciones. 3. Sistemas de fabricacin integrada. 4. Produccin y distribucin de energa elctrica. 5. Control de edificios. 6. Sistemas multimedia.

Algunos ejemplos de Sistemas Operativos de tiempo real son: VxWorks, Solaris, Lyns

OS y Spectra.

Los Sistemas Operativos de tiempo real, cuentan con las siguientes caractersticas:

1. Se dan en entornos en donde deben ser aceptados y procesados gran cantidad de sucesos, la mayora externos al sistema computacional, en breve tiempo o dentro de

ciertos plazos.

2. Se utilizan en control industrial, conmutacin telefnica, control de vuelo, simulaciones en tiempo real., aplicaciones militares, etc.

3. Objetivo es proporcionar rpidos tiempos de respuesta. 4. Procesa miles de interrupciones por segundo sin perder un solo suceso. 5. Proceso se activa tras ocurrencia de suceso, mediante interrupcin. 6. Proceso de mayor prioridad expropia recursos. 7. Por tanto generalmente se utiliza planificacin expropiativa basada en prioridades. 8. Gestin de memoria menos exigente que tiempo compartido, usualmente procesos

son residentes permanentes en memoria.

9. Poblacin de procesos esttica en gran medida. 10. Poco movimiento de programas entre almacenamiento secundario y memoria. 11. Gestin de archivos se orienta ms a velocidad de acceso que a utilizacin eficiente

del recurso.

1.6 Fases de diseo de un sistema embebido.

Una vez tomada la decisin de proceder a la fabricacin del SE, vamos a describir

brevemente las fases tpicas de diseo en cualquier sistema electrnico, sea ste embebido o

no lo sea. Desde la primera fase, conocida como diseo previo del sistema, hasta la ltima,

que consiste en la decisin del producto final, se debe de cuidar el orden de ejecucin de las

tareas y solapar todas las que sea posible de modo que se obtenga un producto fiable en el

menor tiempo posible de puesta en el mercado (time-to-market).

En la figura 1.3 se muestra un diagrama simplificado con las fases a seguir y que

comentamos a continuacin:

1. Diseo inicial del sistema que incluye toda una serie de tareas que acabarn en la elaboracin de un esquema elctrico del mismo y en un diseo de necesidades

software.


7

2. A partir del esquemtico y de la forma fsica de cada uno de los componentes que intervienen, elaborar un diseo hardware del mismo. Esta tarea incluye el

posicionamiento de cada uno de los componentes y el ruteado de las pistas de cobre

que realizarn las necesarias interconexiones entre los pines de los componentes,

generando un prototipo de PCB, sobre el que se realiza el montaje o ensamblado de

todos y cada uno de los dispositivos mediante el procedimiento de soldadura ms

adecuado. Termina en un prototipo hardware.

3. Desarrollo del prototipo de software con la programacin inicial del micro o de los micros que formen parte del SE.

4. Integracin hardware/software mediante el volcado o programacin en el circuito de los micros. Se dispondr as del primer prototipo listo para proceder a su testeo y

depuracin.

5. Pruebas y depuracin del software y hardware mediante el empleo de prototipos hasta llegar a la versin final. Si se detectan errores en el hardware ser necesario

proceder a redisear la placa y volver a comenzar el proceso. Si los errores son de

software, el proceso es similar, solo que menos costoso en cuanto a materiales que

no en cuanto a horas de ingeniera.

6. Producto Final. Tras el resultado satisfactorio en todas las pruebas se conseguir el producto final. En el caso de previsiones de fabricacin masiva ser necesario

fabricar pre-series y probarlas para as minimizar los imprevistos de cara a la

fabricacin en serie de altas cantidades.

Figura 1.3. Fases tpicas de diseo de un SE.


8

SEGUNDA UNIDAD. ORGANIZACIN COMPUTACIONAL.

2.1 Definicin de procesador, controlador, computadora, DSP, DSC.

Microprocesador: El microprocesador o procesador es el circuito integrado ms

importante. Est formado por millones de transistores integrados. Incorpora en su interior

una unidad central de proceso (CPU) permitiendo enlazar otros dispositivos. Para realizar

su trabajo debe ejecutar paso a paso un programa que consiste en una secuencia de nmeros

binarios o instrucciones, almacenndolas en uno o ms elementos de memoria,

generalmente externos al mismo.

Microcontrolador: Es un dispositivo que alberga el sistema mnimo dentro de un nico

chip, esto es, incluye CPU, buses, reloj, memoria ROM, memoria RAM, E/S, otros

perifricos tales como conversores A/D, temporizadores, contadores, moduladores de ancho

de pulso, etc.

Computadora: Es una mquina electrnica que recibe y procesa datos para convertirlos en

informacin til. Una computadora es una coleccin de circuitos integrados y otros

componentes relacionados que pueden ejecutar con exactitud, rapidez y de acuerdo a lo

indicado por un usuario o automticamente por otro programa, una gran variedad de

secuencias o rutinas de instrucciones que son ordenadas, organizadas y sistematizadas en

funcin a una amplia gama de aplicaciones prcticas y precisamente determinadas, proceso

al cual se le ha denominado con el nombre de programacin y al que lo realiza se le llama

programador.

Procesador Digital de Seal (DSP): Es un sistema basado en un procesador o

microprocesador que posee un conjunto de instrucciones, un hardware y un software

optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numricas a muy alta velocidad.

Debido a esto es especialmente til para el procesado y representacin de seales

analgicas en tiempo real: en un sistema que trabaje de esta forma (tiempo real) se reciben

muestras, normalmente provenientes de un conversor analgico/digital (ADC), para realizar

tareas tpicas de procesamiento digital de seales en tiempo real.

DSC: Dispositivos mixtos microcontrolador/DSP que algunos fabricante ofrecen dentro de

su catlogo de productos. Por ejemplo, Microchip ha unido la potencia y posibilidades de

sus microcontroladores de 16bits (MCU) con las prestaciones ms interesantes de los DSP

para fabricar un circuito integrado denominado DSC. Dada las similitudes del DSC con los

MCU en cuanto arquitectura y repertorio de instrucciones, los usuarios de las familias de

microcontroladores PCI no encuentra dificultades para introducirse en el campo del

procesamiento digital de seales. Estos dispositivos se caracterizan por alcanzar un

rendimiento de 40 MIPS e integrar memoria FLASH de alta calidad junto a novedosos

recurso hardware, apoyndose en herramientas de desarrollo muy fciles de manejar.


9

2.2 Arquitectura general de una computadora y un sistema mnimo.

La tecnologa de los microprocesadores est evolucionando en dos direcciones:

i) Desempeo

ii) Integracin.

Por un lado, el Desempeo hace nfasis en incrementar la velocidad y capacidad de

cmputo, junto con la habilidad de almacenar ms datos. Las computadoras personales usan

estos microprocesadores como CPU.

Por otro lado, muchas aplicaciones de control se estn beneficiando con la

reduccin en el nmero de circuitos integrados y no necesitan incrementar el poder de

cmputo. Existe un gran deseo por mejorar la integracin, aqu es cuando se desarrolla un

CPU con memoria y perifricos integrados al chip.

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de una computadora, y tambin

puede ser el diagrama a bloques de un microcontrolador.

Figura 2.1 Diagrama a bloques de una micro-computadora.

2.3 Definicin y tipos de buses y memorias.

BUSES.

Los diferentes elementos que componen una computadora se tienen que comunicar de

alguna manera, y esta comunicacin se realiza por los llamados buses. Los buses son un

conjunto de hilos o conexiones que llevan informacin de todo tipo de un elemento a otro,

transportando la informacin en paralelo. Hay 3 tipos de buses:

Bus de datos: Lleva los datos que es necesario enviar de un elemento a otro, puede ser bidireccional. Existe un bus de datos interno: (ejemplo: entre el microprocesador y la

memoria) y uno externo, entre la computadora y sus perifricos (ejemplo: Computadora

e impresora).


10

Bus de direcciones: Muchos de los elementos de una computadora as como las posiciones de memoria tienen una direccin nica dentro del sistema. De esta direccin

se puede leer un dato o en esta direccin podemos escribir un dato. En el bus de

direcciones se coloca la direccin del elemento a accesar y con ayuda del bus de datos

movemos la informacin de un elemento a otro.

Bus de control: Son hilos que transportan seales de control, dan la informacin del estado de ciertos componentes, la direccin del flujo de la informacin, controlan el

momento (temporizacin) en que suceden ciertos eventos de manera que no haya

choques de datos, transmiten seales de interrupcin, etc.

MEMORIA.

Parte de la computadora que almacena los programas y datos para que el programa que

est en funcionamiento cumpla su tarea. Es por este motivo que esta memoria es de gran

velocidad. Existen dos tipos de memoria (memoria RAM y ROM):

MEMORIA RAM: Memoria RAM (Random Acces Memory): Memoria de acceso aleatorio. En este

tipo de memoria se puede escribir y leer, pero los datos almacenados en ella

desaparecern si se desconecta la energa. Hay diferentes tipos de memoria RAM, la

esttica SRAM (retiene los datos mientras haya energa) y la dinmica DRAM (va

perdiendo el dato que tiene almacenado y hay que refrescarlos frecuentemente), por

este motivo las SRAM son ms rpidas pero tienen menos capacidad que una

DRAM para un mismo dispositivo de memoria.

VRAM (Video RAM): Es un tipo especial de memoria RAM, que se utiliza en adaptadores de video. Su principal diferencia es que puede ser accesada por dos

diferentes dispositivos en forma simultnea. Esto permite que un monitor pueda

acceder a la VRAM para actualizar la pantalla mientras que el procesador grfico

suministra nuevos datos. Permite mejores rendimientos, pero es ms cara.

RAMBUS: Esta memoria es exclusiva de las Pentium 4, y trabaja a una velocidad de 400 a 800 Mhz del bus de datos

MEMORIA ROM: Memoria ROM: (Read Only Memory) Memoria de slo lectura. Este dispositivo

slo permite leer la informacin que en el est grabada. Y no pierde la informacin

cuando se quita la energa. Normalmente vienen grabadas de fbrica.

Memoria PROM: Cuando se compra est en blanco (vaca) y mediante un proceso el usuario graba la informacin en ella, pero slo una vez.


11

Memoria EPROM: (Erasable PROM) Igual a la anterior pero que mediante la exposicin de una ventana, en la parte superior del integrado, a la luz ultravioleta,

por un periodo definido de tiempo, se puede borrar.

Memoria EEPROM: (Electrical Erasable PROM) Igual a la anterior pero el borrado se realiza elctricamente.

Memoria Flash: Tipo especial de EEPROM que puede ser borrada y reprogramada dentro de una computadora. Los EEPROM necesitan un dispositivo especial

llamado lector de PROM.

2.4 Arquitecturas internas: Von Neumann y Harvard.

Von Neumann John Von Neumann fue un matemtico que propuso la arquitectura que es

considerada como tradicional en una computadora, dicha arquitectura se refiere

simplemente a que el CPU o el procesador se conecta a la memoria que guarda las

instrucciones y datos de los programas. Hay aspectos positivos en esta configuracin como

son los accesos a tablas almacenadas en ROM y un set de instrucciones ms ortogonal o

paralelo. El bus de direcciones es usado para identificar qu localidad de memoria est

siendo accesada, mientras que el bus de datos es utilizado para trasladar informacin entre

el CPU y alguna localidad de memoria o viceversa. En las primeras computadoras el

almacenamiento del programa era completamente diferente al almacenamiento de los datos.

Con un solo bus, la arquitectura Von Neumann es usada secuencialmente para acceder

instrucciones de la memoria de programa y ejecutarlas regresando desde/hacia la memoria

de datos. Esto significa que el ciclo de instruccin no puede traslaparse con algn acceso a

la memoria de datos.

Ventajas:

Tiene un bus de direcciones y de datos uniendo la memoria con el CPU.

Desventajas:

La longitud de las instrucciones se encuentra limitada por la longitud de los datos, lo que ocasiona que el procesador se vea obligado a hacer varios accesos a memoria

al momento de buscar instrucciones complejas.

La velocidad de operacin se encuentra limitada por el efecto cuello de botella, el cual se refiere a que existe un slo BUS para datos e instrucciones, lo que impide

superponer a ambos en el mismo tiempo de acceso. Esto provocara que el

apuntador de programa o algn otro registro se corrompieran y apuntara a la

memoria de datos y se tomara sta momentneamente como memoria de programa.

Consecuentemente se ejecutara una instruccin no deseada o un error en la

decodificacin de la instruccin.


12

La siguiente figura se refiere a la arquitectura bsica de Von Neumann, de acuerdo a

su definicin anterior:

Figura 2.2 Arquitectura bsica de Von Neumann.

Harvard La arquitectura Harvard fue diseada en Harvard por Howard Aiken, para

contrarrestar las debilidades de la arquitectura Von Neumann, donde la ms importante es

la referente a el bus por donde se transportan los datos e instrucciones, el procesador se une

a dos tipos de memoria diferentes entre s por medio de buses independientes, y se termina

con el problema de cuello de botella, ya que tanto los datos como las instrucciones viajan por buses diferentes y no importa si el procesador los toma en el mismo tiempo de acceso.

Las dos memorias diferentes son la memoria de datos, donde se almacenan los datos de

programa, y la memoria de instrucciones, en las cuales se almacena el programa en s.

Ventajas:

La velocidad de operacin, o tambin llamada ancho de banda de operacin, se encuentra limitada por el efecto de cuello de botella, que como ya vimos, se refiere a un bus nico para datos e instrucciones lo que impide superponer ambos

tiempos de acceso.

La operacin del Microcontrolador puede ser controlada ms fcilmente si se presentara una anomala en el apuntador de programa.

Existe adems la Arquitectura Harvard Modificada que permite accesos a tablas de datos desde la memoria de programa. Esta ltima arquitectura es la dominante en

los microcontroladores actuales ya que la memoria de programa es usualmente

ROM, OTP, EPROM o FLASH mientras que la memoria de datos es usualmente

RAM. Consecuentemente, las tablas de datos pueden estar en la memoria de

programa sin que sean perdidas cada vez que el sistema es apagado.


13

Otra ventaja importante en la arquitectura Harvard Modificada es que las transferencias de datos pueden ser traslapadas con los ciclos de decodificacin de

instrucciones. Esto quiere decir que la siguiente instruccin puede ser cargada de la

memoria de programa mientras se est ejecutando una instruccin interviniendo la

memoria de datos.

Desventajas:

Los procesadores con este tipo de arquitectura deben poseer instrucciones especiales para acceder a tablas de valores constantes necesarios a incluir en los programas, ya

que estas tablas se encontraran fsicamente en la memoria de programa (por ejemplo

en la EPROM de un microprocesador).

La desventaja de la arquitectura Harvard Modificada podra ser que se requieren instrucciones especiales para accesar valores en RAM y ROM haciendo la

programacin un poco complicada.

La siguiente figura se refiere a la arquitectura bsica Harvard, de acuerdo a su

definicin anterior:

Figura 2.3 Arquitectura bsica Harvard.

2.5 Organizacin del procesador.

ALU (Unidad Aritmtica y Lgica)

Las instrucciones de programa y los datos que se van a procesar se almacenan en la

memoria, la ALU se considera como el corazn o elemento principal del CPU debido a que

todas las instrucciones se refieren al procesado de los datos por medio del ALU. La primera

ALU era del tipo BCD, despus se implement un ALU de complemento a 2, actualmente

las ALUs trabajan en ambos modos.


14

Los siguientes son ejemplos de operaciones que realiza la ALU: Limpiar,

Complementar, Incrementar, Decrementar, Negar, Transferir, Sumar, Restar, Dividir,

Multiplicar, Corrimiento, AND, OR, XOR.

La siguiente figura muestra el smbolo de la ALU.

Figura 2.4 Smbolo de la ALU.

Decodificador de Instrucciones.

Se encarga de traducir las instrucciones en seales de control. Normalmente se

implementa utilizando mquinas de estado donde su tamao y velocidad dependen del

diseo en particular, aunque actualmente sta es la parte principal de control y hace la

diferencia entre procesadores RISC y CISC.

Secuenciadores.

Esta es otra de las partes principales de control y cuya funcin principal es que se

encarga del direccionamiento de la memoria de programa, no slo se puede incrementar de

uno en uno, sino que puede cargar un valor arbitrario debido a un brinco, llamado

subrutina, interrupcin, etc. Podemos decir que la salida de los secuenciadores es el

Program Counter que es el registro que apunta directamente a la memoria de programa. Los

secuenciadores normalmente actan a la par con la pila, la pila se encarga de proporcionar

al secuenciador la direccin a la cual debe retornar despus de una interrupcin o subrutina.

Registro de Banderas.

Es un registro especial donde el CPU indica algn cambio en la ltima operacin

realizada, los brincos (instrucciones) condicionales siempre van a leer este registro antes de

brincar. Esta bandera siempre es leda entonces por el decodificador de instrucciones.

El registro de banderas normalmente es de 8 bits en los microcontroladores, aunque

Intel tiene procesadores con registros de banderas de 32 bits. Algunas de las principales

banderas son:

C (Acarreo): Indica un acarreo despus de una suma o un prstamo despus de una resta.

La bandera de acarreo tambin indica condiciones de error en ciertos programas y

procedimientos. Tambin se utiliza en algunas instrucciones de rotacin y desplazamiento.

A (Acarreo Auxiliar): Indica un acarreo despus de una suma o un prstamo despus de una

resta entre las posiciones de los bits 3 y 4 en el resultado.

Z (Zero): Indica que el resultado de una operacin aritmtica o lgica es cero. Si Z=1, el

resultado es cero, si Z=0 entonces el resultado no es cero.


15

S (Signo): Indica el signo aritmtico del resultado despus de una suma o resta. Si S=1 la

bandera de signo se activa y el resultado es negativo. Si S=0 la bandera de signo se

desactiva y el resultado es positivo. Se debe tener en cuenta que el valor de la posicin del

bit ms significativo se coloca en el bit de signo para cualquier instruccin que afecte las

banderas.

O (Sobreflujo): Es una condicin que ocurre cuando se suman o restan nmeros con signo.

Un sobreflujo indica que el resultado ha excedido de la capacidad de la maquina. Por

ejemplo, si se suma un 7FH (+127) a 01H (+1) el resultado es 80H (-128). Este resultado

representa una situacin de sobreflujo sealado por la bandera para la suma con signo. Para

operaciones sin signo no se toma en cuenta esta bandera.

Registro de Interrupciones, Mascaras y Control.

Este registro es la salida principal del secuenciador, y es el que guarda la direccin

de la memoria de programa en la cual se encuentra la siguiente instruccin.

2.6 Organizacin de la memoria.

La tabla 2.1 muestra el mapa de registro del dispositivo despus del Reset.

Tabla 2.1 Mapa de Registro del Dispositivo.


16

La siguiente figura ilustra el mapa de memoria completo del dispositivo.

Figura 2.5 Mapa de memoria completo del Microcontrolador MC9S12C32.

2.7 Arquitecturas del procesador: CISC, RISC y SISC.

Una de las primeras decisiones a la hora de disear un microprocesador es decidir cul

ser su juego de instrucciones. La decisin es trascendente por dos razones; primero, el

juego de instrucciones decide el diseo fsico del conjunto; segundo, cualquier operacin

que deba ejecutarse en el microprocesador deber poder ser descrita en trminos de un

lenguaje de estas instrucciones. Frente a esta cuestin caben dos filosofas de diseo;

mquinas denominadas CISC y mquinas denominadas RISC.

Cuando hablamos de microprocesadores CISC, computadoras con un conjunto de

instrucciones complejo, del ingls complex instruction set computer, y procesadores RISC,

computadoras con un conjunto de instrucciones reducido, del ingls reduced instruction set

computer, se piensa que los atributos complejo y reducido describen las diferencias entre

los dos modelos de arquitectura para microprocesadores.


17

ARQUITECTURA CISC

La tecnologa CISC (Complex Instruction Set Computer) naci de la mano de Intel,

creador en 1971 del primer microchip que permitira el nacimiento de la informtica

personal. Ms concretamente, sera en 1972 cuando aparecera el 8080, primer chip capaz

de procesar 8 bits, suficiente para representar nmeros y letras. Con la posibilidad de

colocar todos los circuitos en un solo chip y la capacidad de manejar nmero y letras

nacera la cuarta generacin de ordenadores, la de los conocidos como PC u ordenadores

personales.

Los microprocesadores CISC tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza

por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre operandos situados en la

memoria o en los registros internos. Este tipo de arquitectura dificulta el paralelismo entre

instrucciones, por lo que en la actualidad la mayora de los sistemas CISC de alto

rendimiento implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en

varias instrucciones simples, llamadas generalmente microinstrucciones.

La microprogramacin es una caracterstica importante y esencial de casi todas las

arquitecturas CISC. La microprogramacin significa que cada instruccin de mquina es

interpretada por un microprograma localizado en una memoria en el circuito integrado del

procesador. Las instrucciones compuestas son decodificadas internamente y ejecutadas con

una serie de microinstrucciones almacenadas en una ROM interna. Para esto se requieren

de varios ciclos de reloj, al menos uno por microinstruccin. Es as entonces como los chips

CISC utilizan comandos que incorporan una gran diversidad de pequeas instrucciones

para realizar una nica operacin.

Entre las bondades de CISC destacan las siguientes:

Reduce la dificultad de crear compiladores.

Permite reducir el costo total del sistema.

Reduce los costos de creacin de software.

Mejora la compactacin de cdigo.

Facilita la depuracin de errores.

Ejemplo de microprocesadores basados en la tecnologa CISC:

Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486.

Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840.


18

ARQUITECTURA RISC

Buscando aumentar la velocidad del procesamiento se descubri en base a

experimentos que, con una determinada arquitectura de base, la ejecucin de programas

compilados directamente con microinstrucciones y residentes en memoria externa al

circuito integrado resultaban ser ms eficientes, gracias a que el tiempo de acceso de las

memorias se fue decrementando conforme se mejoraba su tecnologa de encapsulado.

La arquitectura RISC funciona de modo muy diferente a la CISC, su objetivo no es

ahorrar esfuerzos externos por parte del software con sus accesos a la RAM, sino facilitar

que las instrucciones sean ejecutadas lo ms rpidamente posible. La forma de conseguirlo

es simplificando el tipo de instrucciones que ejecuta el procesador. As, las instrucciones

ms breves y sencillas de un procesador RISC son capaces de ejecutarse mucho ms aprisa

que las instrucciones ms largas y complejas de un chip CISC. Sin embargo, este diseo

requiere de mucha ms RAM y de una tecnologa de compilador ms avanzada.

La relativa sencillez de la arquitectura de los procesadores RISC conduce a ciclos de

diseo ms cortos cuando se desarrollan nuevas versiones, lo que posibilita siempre la

aplicacin de las ms recientes tecnologas de semiconductores. Adems, los comandos de

RISC son todos del mismo tamao y se cargan y almacenan del mismo modo. Al ser estas

instrucciones pequeas y sencillas, no necesitan ser descodificadas en instrucciones

menores como en el caso de los chips CISC, pues ya constituyen en s unidades

descodificadas. Por ello, el procesador RISC no gasta tiempo verificando el tamao del

comando, en descodificarlo ni en averiguar cmo cargarlo y guardarlo.

Entre las ventajas de RISC tenemos las siguientes:

La CPU trabaja ms rpido al utilizar menos ciclos de reloj para ejecutar instrucciones.

Utiliza un sistema de direcciones no destructivas en RAM. Eso significa que a diferencia de CISC, RISC conserva despus de realizar sus operaciones en memoria

los dos operandos y su resultado, reduciendo la ejecucin de nuevas operaciones.

Cada instruccin puede ser ejecutada en un solo ciclo del CPU

Ejemplo de microprocesadores basados en la tecnologa CISC:

PA-RISC, Hewlett Packard.

SPARC, Scalable Processor Architecture, Sun Microsystems.

POWER PC, Apple, Motorola e IBM.


19

2.8 Arquitecturas DSP, DSC.

DSP

A lo largo de los ltimos aos, la aparicin y posterior desarrollo de los dispositivos

especializados en el procesado digital de seales o DSPs ha supuesto la apertura de una

nueva va de evolucin hacia niveles superiores en el tratamiento de datos. En este corto

espacio de tiempo, debido a su bajo coste y gran rendimiento, los DSPs han reemplazado

casi por completo a la tecnologa analgica tradicional en campos como

telecomunicaciones, procesado de audio y vdeo y control industrial. Se ha generalizado el

diseo de soluciones en este campo por parte de empresas de primer nivel, desarrolladores

independientes y universidades.

Figura 2.6. Diagrma de un SE que incorpora un nuclo DSP y modulos adicionales .

Es necesario un conocimiento de la teora de tratamiento digital de seales, en la

que se basan estos procesadores, para poder comprender el porqu de las arquitecturas que

emplean estos procesadores as como disponer de criterios ante la posible la eleccin del

procesador idneo para un proceso determinado.

DSC

El fabricante Microchip lanz la familia dsPIC con el objetivo de cubrir el nicho de

mercado existente entre las aplicaciones que les basta con un microcontrolador y aquellas

especficas donde los DSP de altas prestaciones son la solucin idnea. La idea era

conseguir, dentro de un mismo chip, las funciones MCU+DSP=DSC aunque con

prestaciones mas limitadas, seran tiles a muchas aplicaciones industriales que emplean

procesamiento de seales no muy complejo.

Se tratara de una CPU de altas prestaciones con arquitectura Harvard modificada,

que emplea 24 bits para codificar cada instruccin.Hay que tener en cuenta, que aunque se

disponga de 144 Kb de memoria de programa, solo podemos direccionar 48K instrucciones.


20

Consigue hasta 30 millones de instrucciones por segundo e incorpora 41 fuentes de

interrupcin. Incorpora hasta 4 Kbytes de memoria de datos tipo EEPROM. El fabricante

separa las prestaciones como microcontrolador y como DSP.

2.9 Ejecucin de instrucciones y pipeline.

El ciclo de instruccin podemos dividirlo en tres partes:

1. Tomar la siguiente instruccin (fetch). 2. Decodificar la instruccin. 3. Ejecutar la instruccin.

Tomar la siguiente instruccin (fetch).

El procesador siempre tiene su registro PC (Contador de Programa) apuntando a la

direccin de memoria de la siguiente instruccin a ejecutar. Durante esta fase el procesador

extrae la instruccin de la memoria apuntada por el PC volcando el contenido de este

registro al bus de direcciones y pidiendo una operacin de lectura a la memoria.

Simultneamente a esta peticin, el PC se incrementar en una unidad para apuntar a la

siguiente instruccin o bien al primer operando de la instruccin extrada si esta lo tuviera.

Cuando la memoria est preparada para atender la peticin, vuelca el contenido de la

direccin pedida al bus de datos de donde el procesador recoge el cdigo de operacin y lo

coloca en un registro especial llamado Registro de Instruccin (IR).

Decodificar la instruccin.

Una vez tiene el cdigo de operacin alojado en el IR, el procesador decodifica ste

para saber de qu instruccin se trata y obtiene los parmetros de la memoria (si los

tuviera), incrementando el PC en una unidad por cada parmetro extrado.

Ejecutar la instruccin.

Llegado a este paso, el procesador ya sabe de qu instruccin se trata y los parmetros

que necesita, luego simplemente la ejecuta de la forma apropiada.

Al finalizar este paso finaliza una iteracin del ciclo de instruccin, volveremos al fetch de

la siguiente instruccin y as sucesivamente.

Pipeline

Es una tcnica empleada en el diseo de procesadores, basada en la divisin de la

ejecucin de las instrucciones en etapas, consiguiendo as que una instruccin empiece a

ejecutarse antes de que hayan terminado las anteriores y, por tanto, que haya varias

instrucciones procesndose simultneamente. Cada una de las etapas debe completar sus

acciones en un ciclo de reloj, pasando sus resultados a la etapa siguiente y recibindolos de

la anterior. Para eso es necesario almacenar los datos en registros intermedios. Cualquier

valor que pueda ser necesario en una etapa posterior debe irse propagando a travs de esos

registros intermedios hasta que ya no sea necesario. Para conseguir la segmentacin es

necesario que una instruccin utilice solamente una etapa en cada ciclo de ejecucin.


21

Ya que todas las etapas deben de tardar lo mismo en su ejecucin, el tiempo de ciclo

ser el de la etapa ms lenta, ms el del retardo provocado por la utilizacin de los registros

intermedios. Comparando este esquema con el multiciclo, el tiempo de ciclo ser ms lento,

pero el CPI (Ciclos Por Instruccin) ser menor, lo que provoca un aumento del

rendimiento. Ya que si no tenemos en cuenta los riesgos estructurales (que pueden provocar

paradas en el pipeline), tendramos que en cada ciclo de reloj, termina de ejecutarse una

instruccin (CPI=1).

2.10 Recursos internos de los microcontroladores.

Al estar todos los microcontroladores integrados en un chip, su estructura fundamental

y sus caractersticas bsicas son muy parecidas. Todos deben disponer de los bloques

esenciales Procesador, memoria de datos y de instrucciones, lneas de E/S, oscilador de

reloj y mdulos controladores de perifricos. Sin embargo, cada fabricante intenta enfatizar

los recursos ms idneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente.

A continuacin se describen todos los recursos que se hallan en todos los

microcontroladores describiendo las diversas alternativas y opciones que pueden

encontrarse segn el modelo seleccionado.

Recursos Especiales.

Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura bsica de

microcontrolador. En algunas ampla las capacidades de las memorias, en otras incorpora

nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mnimo para aplicaciones muy simples,

etc. La labor del diseador es encontrar el modelo mnimo que satisfaga todos los

requerimientos de su aplicacin. De esta forma, minimizar el costo, el hardware y el

software.

Los principales recursos especficos que incorporan los microcontroladores son:

Temporizadores o "Timers". Perro guardin o "Watchdog". Proteccin ante fallo de alimentacin o "Brownout". Estado de reposo o de bajo consumo. Conversor A/D. Conversor D/A. Comparador analgico. Modulador de anchura de impulsos o PWM. Puertos de E/S digitales. Puertos de comunicacin.

Temporizadores o "Timers".

Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la

cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores).


22

Para la medida de tiempos se carga un registro con el valor adecuado y a

continuacin dicho valor se va incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de

reloj o algn mltiplo 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 alguno de los pines del microcontrolador, el mencionado registro se va

incrementando o decrementando al ritmo de dichos impulsos.

Perro guardin o "Watchdog".

Cuando el computador personal se bloquea por un fallo del software u otra causa, se

pulsa el botn 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 da. El Perro guardin

consiste en un temporizador que, cuando se desborda y pasa por 0, provoca un reset

automticamente en el sistema.

Se debe disear el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque

o inicialice al Perro guardin antes de que provoque el reset. Si falla el programa o se

bloquea, no se refrescar al Perro guardin y, al completar su temporizacin, "ladrar y

ladrar" hasta provocar el reset.

Proteccin ante fallo de alimentacin o "Brownout".

Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de

alimentacin (VDD) es inferior a un voltaje mnimo ("brownout"). Mientras el voltaje de

alimentacin sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado, comenzando

a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor.

Estado de reposo de bajo consumo.

Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe

esperar, sin hacer nada, a que se produzca algn acontecimiento externo que le ponga de

nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energa, (factor clave en los aparatos porttiles), los

microcontroladores disponen de una instruccin especial (SLEEP o WAIT), que les pasa al

estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son

mnimos. En dicho estado se detiene el reloj principal y se "congelan" sus circuitos

asociados, quedando sumido en un profundo "sueo" el microcontrolador. Al activarse una

interrupcin ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y

reanuda su trabajo.

Convertidor A/D (ADC).

Los microcontroladores que incorporan un Convertidor A/D (Analgico/Digital)

pueden procesar seales analgicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de

un multiplexor que permite aplicar a la entrada del ADC diversas seales analgicas desde

los pines del circuito integrado.

Convertidor D/A (DAC).

Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento de la computadora en su

correspondiente seal analgica que saca al exterior por uno de los pines del encapsulado.

Existen muchos efectores que trabajan con seales analgicas.


23

Comparador analgico.

Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador

Operacional que acta como comparador entre una seal fija de referencia y otra variable

que se aplica por uno de los pines del encapsulado. La salida del comparador proporciona

un nivel lgico 1 0 segn una seal sea mayor o menor que la otra. Tambin hay modelos

de microcontroladores con un mdulo de tensin de referencia que proporciona diversas

tensiones de referencia que se pueden aplicar en los comparadores.

Modulador de anchura de impulsos o PWM.

Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se

ofrecen al exterior a travs de los pines del encapsulado.

Puertos de E/S digitales.

Todos los microcontroladores destinan algunos de sus pines a soportar lneas de E/S

digitales. Por lo general, estas lneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos. Las

lneas digitales de los Puertos pueden configurarse como Entrada o como Salida cargando

un 1 un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su configuracin.

Puertos de comunicacin.

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 comunicacin serie asncrona.

USART, adaptador de comunicacin serie sncrona y asncrona.

Puerto paralelo esclavo 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 adaptacin con redes de conexin multiplexado, desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el

cableado de dispositivos en automviles. En EE.UU. se usa el J185O.

2.11 Seleccin de los microcontroladores.

Cuando se desea armar un sistema de cmputo la primera decisin es cual

microprocesador usar, para ello vamos a utilizar la clasificacin en cuanto a lo siguiente:

Tamao del bus (datos, direccin y control).

Compatibilidad.

Condiciones Ambientales.

Duracin (Tiempo).

Tamao fsico.

Velocidad del procesador (clock).

Arquitectura.

Material de fabricacin.

Costo.

Desempeo.

Fabricante.

M.C. Abel Daz Olivares Sistemas Embebidos para el Automvil

24

TERCERA UNIDAD. MICROCONTROLADOR HC12.

3.1 Introduccin al Microcontrolador HC12

La tecnologa de los microprocesadores est evolucionando en dos direcciones:

i) Desempeo

ii) Integracin.

Por un lado, el Desempeo hace nfasis en incrementar la velocidad y capacidad de

cmputo, junto con la habilidad de almacenar ms datos. Las computadoras personales usan

estos microprocesadores como CPU.

Por otro lado, muchas aplicaciones de control se estn beneficiando con la

reduccin en el nmero de circuitos integrados y no necesitan incrementar el poder de

cmputo. Existe un gran deseo por mejorar la integracin, aqu es cuando se desarrolla un

CPU con memoria y perifricos integrados al chip. La siguiente figura muestra el diagrama

de bloques de una computadora, y tambin puede ser el diagrama a bloques de un

microcontrolador.

Figura 1.1 Diagrama a bloques de una micro-computadora.

El primer microprocesador de Motorola, una compaa de Phoenix, AZ, fue el 6800.

Le siguieron los microprocesadores 6808, 6809 y 6802. Usando stos diseos construyeron

el microcontrolador 6801 que incluy algunos circuitos de memoria y perifricos, este

dispositivo lleg a ser popular en sistemas de control de autos. Luego, se desarroll otro

microcontrolador muy popular, el 6805, al cual todava se le encuentra en aplicaciones de

baja velocidad, o como esclavo de otros micros.

Posteriormente, en 1985 Motorola desarroll el 68HC11, un microcontrolador

compatible con el 6800. En 1991. Motorola desarroll el 68HC16, que es compatible con el

68HC11. Una primera distincin entre el 68HC11 y los procesadores anteriores est en el

mtodo de fabricacin, el 68HC11 utiliza tecnologa CMOS de alta densidad (HCMOS).


25

Cuando un microcontrolador se fabrica usando este proceso, se vuelve ms pequeo

y ms rpido, adems utiliza menos potencia y tiene una alta tolerancia al ruido, factores

muy importantes en aplicaciones de control.

Con el afn de competir con fabricantes de micros baratos, Motorola desarrollo el

68HC08. Inclua 32K de RAM, 8 (4) canales del ADC y 2 canales de PWM adems de

Temporizadores y 2 puertos seriales. Despus se desarrolla el 68HC12 que es un micro de

16 bits, compatible con 68HC11 y que rene una gran cantidad de ventajas.

3.2 Caractersticas principales de la familia HCS12.

Compatible con 68HC11

25 MHz de velocidad en el bus

Ruta de Datos de 16 bits

32 KB de memoria Flash EEPROM

2 KB de RAM

1 Puerto Serial Asncrono (SCI)

1 Puerto Serial Sncrono (SPI)

1 Puerto Serial CAN 2.0 de 1M bit por segundo

8 Canales del Temporizador Programable

6 Canales del Modulador de Ancho de Pulsos (PWM)

8 Canales del Convertidor Anlogo-Digital (ADC) de 10 bits

52 terminales para puertos de Entrada/Salida (I/O)

Cola de instrucciones de 3 bytes

Direccionamiento Indexado muy verstil

Soporte para Lgica Difusa

Voltaje de entrada de 2.97 a 5.5 Volts

Figura 3.1 Codificado del Nmero de Parte


26

3.3 Arquitectura y registros del HC12.

Figura 3.2 Diagrama de Bloques de la Familia HC12


27

Registros del HCS12.

Se denomina CPU al Core del microcontrolador. Existen varias versiones del HC12,

pero el Core es el mismo.

Figura 3.3 Modelo de Programacin del CPU12

Acumuladores (A , B y D).

Los acumuladores A (ACCA) y B (ACCB) son registros acumuladores de propsito

general de 8 bits. Se utilizan para retener operandos y resultados de operaciones aritmticas

y movimiento de datos. Algunas instrucciones los tratan como un acumulador de 16 bits

(acumulador doble ACCD). La mayora de las instrucciones usan A o B indistintamente,

pero existen algunas excepciones: La instruccin ABX y ABY suman el contenido de B a

los registros IX o IY pero no existe instruccin equivalente para A. Las instrucciones TAP

y TPA se usan para intercambiar los datos entre el acumulador A y el registro de cdigos de

condicin, y no hay equivalente para el acumulador B. La instruccin de ajuste decimal al

acumulador (DAA) solo existe para A. Finalmente, la suma, resta y comparacin entre

acumuladores operan solo en una direccin; por lo tanto es importante planear

adecuadamente en cual acumulador poner el operando.

Registros ndices (X y Y)

Son usados en el modo de direccionamiento indexado. En este modo, los contenidos

de estos ndices de 16 bits, son sumados a un desplazamiento (offset) de 8 bits para obtener

la direccin efectiva del operando que se usar en la instruccin.


28

Apuntador de la Pila (SP).

La pila puede estar en cualquier ubicacin de los 64 Kb de memoria y puede tener

cualquier tamao, mientras el espacio lo permita. Cada vez que una instruccin mete un

dato al stack, el SP se decrementa automticamente. Cuando se saca un dato de la pila, el

SP se incrementa automticamente. En cualquier momento, el SP retiene la siguiente

localidad de 16 bits libre del stack. La pila es usada para llamadas a subrutinas,

interrupciones y como almacenamiento temporal de datos.

Contador de Programa (PC)

Es un registro de 16 bits que aloja la direccin de la siguiente localidad a ser

ejecutada.

Registro de Cdigo de Condicin (CCR).

Contiene cinco indicadores de estado, dos bits de mascara de interrupcin y un bit

de deshabilitacin de STOP.

La bandera C se usa para indicar Acarreo (Carry) en sumas, y prstamo (Borrow) en restas. Tambin es un indicador de error en multiplicaciones y divisiones. Las

instrucciones de corrimiento y rotacin a travs del carry se usan para facilitar

operaciones de mltiples bytes.

La bandera V (Overflow) indica que una operacin de complementos a dos ha producido un desbordamiento.

La bandera Z (Zero) se enciende cuando todos los bits de un resultado son cero.

La bandera N (Negative) refleja el bit ms significativo (MSB) del resultado. En complemento a dos este bit es uno para nmeros negativos y cero para nmeros

positivos.

La bandera H indica un acarreo del bit 3 durante una suma, se usa para ajustar nmeros que estn en formato BCD

La mscara de interrupcin (bit I) es un deshabilitador de todas las interrupciones enmascarables. Mientras este bit este encendido, el procesador deja pendientes las

interrupciones, no las atiende, pero las memoriza, las atender cuando este bit se

apague Se enciende automticamente al meter a la pila los registros pero antes de ir

por el vector de interrupciones.

El bit X (XIRQ mask) se usa para deshabilitar las interrupciones del pin /XIRQ. Este pin es una versin moderna del /NMI (Non-Maskable Interrupts) de los

primeros micros.

Despus del reset, el bit X se activa y mientras permanezca en UNO, las

interrupciones hechas en pin XIRQ sern ignoradas. Una instruccin debe apagar el bit X

para habilitar interrupciones en el pin XIRQ.


29

Despus de que bit ha sido apagado, no se podr regresar a UNO mediante una

instruccin de software. Esto la har la instruccin RTI al final de la interrupcin. Aunque

al entrar a la interrupcin, la bandera X e I sern puestas en UNO para evitar interferir la

interrupcin.

3.4 Modos de direccionamiento.

Todos los modos de direccionamiento del HC11 los soporta el HC12 y adems se

incluyen nuevos modos de direccionamiento indexado

Existen seis modos bsicos de direccionamiento para acceder a los datos:

Inmediato

Directo

Extendido

Indexado

Inherente

Relativo

Inmediato. El argumento se encuentra inmediatamente despus de la instruccin. Por

ejemplo:

LDAA #$AC ; Carga el acumulador A con el numero AC hexadecimal

LDD #1492 ; Carga el acumulador doble con el numero 1492 decimal

Directo. Permite acceder de las localidades $0000 a $00FF, indicando el ultimo byte de la

localidad. Por ejemplo:

LDAA $AC ; Carga A con el contenido de la localidad AC hexadecimal

STAB $7 ; Guarda el contenido de B en la localidad 7.

Extendido. La direccin efectiva se expresa usando dos bytes. Permite acceder los 64KB

de memoria. Por ejemplo:

LDAA $AA03 ; Carga A con el contenido de la localidad AA03

ADDB $01F5 ; Suma el acumulador B y el contenido de 01F5

Indexado. Es el modo ms verstil de todos. Se dispone de las siguientes variantes:

Indexado con offset de 5, 9 o 16 bits. El offset se suma al registro base (X, Y, SP o PC)

para formar la direccin de memoria que ser afectada por la instruccin. Por ejemplo,

asuma que X contiene un $1000 y Y un $2000,

LDAA 0,X ;Carga el acumulador con el contenido de la localidad

;$1000 ($1000 + 0)

STAB -8,Y ;Guarda el contenido del acumulador B en la

; localidad $1FF8 ($2000 - 8)

LDAA $FF,X ;Carga el acumulador con el contenido de la localidad

;$10FF ($1000 + $FF)

STAB -20,Y ;Guarda el contenido del acumulador B en la

; localidad $1FEC ($2000 - 20)


30

Indexado Indirecto de 16 bits. La direccin efectiva se obtiene del contenido de la direccin

que resulte de sumar un registro base a un nmero. Por ejemplo, asuma que X contiene un

$1000 y que en la localidad $100A y $100B se tiene un $2000,

LDAA [10,X] ;Carga el acumulador con el contenido de la localidad

;que resulte de sumar $1000 y $A

Indexado con Auto Pre/Post Decremento/Incremento. Este direccionamiento provee cuatro

formas de cambiar automticamente un Registro ndice Base al ejecutar una instruccin.

Los registros base pueden ser X, Y o SP.

El pre-decremento y pre-incremento modifican el registro base antes de acceder a la

memoria. El post-decremento y post-incremento usan el valor inicial del registro y despus

de acceder la memoria lo modifican. Por ejemplo:

STAA 1,SP ;equivalente a PSHA

STX 2,SP ;equivalente a PSHX

LDX 2,SP+ ;equivalente a PULX

LDAA 1,SP+ ;equivalente a PULA

Indexado con un offset en un acumulador. Ejemplo

LDAA B,X ;Carga el acumulador A con el contenido de la

; localidad que resulte de sumar B y X

Indexado Indirecto con el acumulador D. Usa un clculo indirecto donde primero suma el

acumulador D a un nmero y de all obtiene una direccin, el contenido de esta es el valor

que se usa. Por Ejemplo:

JMP [D, PC] ; Salta a la localidad que se encuentre en la direccin

; de resulte de sumar D + PC

Inherente. El operando esta implcito en la instruccin, es decir, no requiere ir por ningn

argumento. Por ejemplo:

ABA ; Suma acumuladores

INCB ; Incrementa B

Relativo. Se utiliza nicamente para saltos. Estas instrucciones consumen dos bytes, el

segundo byte se suma al contenido actual del PC, pudiendo ser un salto hacia atrs o hacia

adelante. Ejemplo:

BRA INICIO ; Salta a la etiqueta Inicio

BCC LBCC ; Salto largo si el carry esta apagado

BEQ $ ; Salta aqu mismo

LBCC: JMP MAS_ALLA


31

3.5 Modos de operacin.

Modos de Operacin Normal y Emulacin

Normal Single-Chip Mode

Normal Expanded Wide Mode

Normal Expanded Narrow Mode

Emulation Expanded Wide Mode

Emulation Expanded Narrow Mode

Modos de Operacin Especiales

Special Single-Chip Mode with active Background Debug Mode

Special Test Mode (Motorola use only) Special Peripheral Mode (Motorola use only)

3.6 Organizacin de la memoria.

Figura 3.4 Resumen del Mapa de Memoria


32

Figura 3.5 Mapa de Memoria del MC9S12C32

3.7 Conjunto de Instrucciones.

Se considera que el HC12 tiene un superjuego de instrucciones del juego de

instrucciones del HC11. El cdigo escrito para el HC11 puede ser ensamblado y ejecutado

en el HC12. Para una descripcin completa vea el manual del microcontrolador.

Instrucciones de Carga y Almacenamiento.

Las instrucciones de carga copian contenidos de localidades de memoria en algn

registro del microcontrolador. Las banderas del CCR se afectan automticamente, excepto

en las instrucciones LEA


33

Figura 3.6 Instrucciones de Carga

Las instrucciones de Almacenamiento copian el contenido de registros a memoria.

Automticamente se afectan las banderas correspondientes.

Figura 3.7 Instrucciones de Almacenamiento

Instrucciones de Transferencia e Intercambio.

Las instrucciones de Transferencia copian contenidos de un registro a otro. La

instruccin TFR es universal para cualquier registro como fuente o destino. Se conservan

las transferencias entre acumuladores TAB y TBA para compatibilidad con el HC11. Estas

dos ltimas instrucciones afectan las banderas, pero TFR no las afecta. Las instrucciones

de Intercambio pasan datos entre registros.

Figura 3.8 Instrucciones de Transferencia e Intercambio


34

Instrucciones de Movimiento de Datos.

Permiten copiar contenidos entre localidades de memoria, sin afectar registros. Se

tienen seis combinaciones: IMM EXT, IMM IDX, EXT EXT, EXT IDX, IDX EXT, IDX IDX.

Figura 3.9 Instrucciones de Movimiento de Datos

Instrucciones de Adicin y Substraccin.

Se dispone de sumas y restas con y sin signo en 8 y 16 bits

Figura 3.10 Instrucciones de Suma y Resta

Instrucciones con nmeros BCD.

Cuando se sumen nmeros BCD, se afectara la bandera Half-carry (H), enseguida

hacer ajustes DAA.

Figura 3.11 Instrucciones con nmeros BCD


35

Instrucciones de Decremento e Incremento.

Son operaciones restas y sumas optimizadas en 8 y 16 bits. No afectan la bandera

Carry.

Figura 3.12 Instrucciones de Decremento e Incremento

Instrucciones de Comparacin y Prueba.

Estas instrucciones realizan restas, pero el resultado no se almacena, solo se afectan

las banderas correspondientes.

Figura 3.13 Instrucciones de Comparacin y Prueba


36

Instrucciones Lgicas.

Realizan operaciones lgicas entre el acumulador o el CCR y la memoria.

Figura 3.14 Instrucciones Lgicas

Instrucciones de Borrado, Complemento y Negacin.

La instruccin Clear llena de ceros el Acumulador o la Memoria. El complemento a

1 niega cada bit y la Negacin realiza el complemento a dos.

Figura 3.15 Instrucciones de Borrado, Complemento y Negacin

Instrucciones de Prueba y Manipulacin de Bits.

Se utiliza una mscara para probar y manipular los bits en el acumulador o

memoria.

Figura 3.16 Instrucciones de Prueba y Manipulacin de Bits


37

Instrucciones de Multiplicacin y Divisin.

Se tiene multiplicacin con signo y sin signo en 8 y 16 bits. El producto es de 16 y

32 bits respectivamente. La Divisin entera y fraccional usa divisor, dividendo, cociente y

residuo de 16 bits. La divisin extendida usa un dividendo de 32 bits con divisor, cociente y

residuo de 16 bits.

Figura 3.17 Instrucciones de Multiplicacin y Divisin

Instrucciones de Corrimiento y Rotacin.

Se tienen corrimientos y rotaciones para todos los acumuladores y la memoria. En

todos los casos, el bit que sale, se pasa al Carry para facilitar las operaciones de mltiples

bytes.

Figura 3.18 Instrucciones de Corrimiento y Rotacin.


38

Instrucciones de Saltos.

Producen que una secuencia se altere si se satisface una condicin. Existen tres tipos

de saltos: saltos cortos, saltos largos y saltos causados por bits. Los saltos cortos permiten

saltar en un rango de -128 a 127 bytes. Los saltos largos permiten saltar a cualquier lugar de

los 64KB de memoria. Los saltos causados por bits tienen un rango de -128 a 127 bytes.

Figura 3.19 Instrucciones de Saltos Cortos

Figura 3.20 Instrucciones de Saltos Largos


39

Figura 3.21 Instrucciones de Saltos causados por bits

Instrucciones de Subrutinas.

Para llamar a una subrutina, normalmente se utilizan BSR o JSR. Si la subrutina

esta en memoria expandida se usa CALL. La subrutina debe terminar con RTS para las dos

primeras llamadas. Para terminar una CALL utilice RTC.

Figura 3.22 Instrucciones para Subrutinas

Instrucciones para Manipular los ndices

Permiten manipular los ndices, los acumuladores y la memoria.

Figura 3.23 Instrucciones para Manipular ndices


40

Instrucciones para Manejar el Stack

Figura 3.24 Instrucciones para Manipular el Stack.

Instrucciones para Manejar el Cdigo de Condicin.

Figura 3.25 Instrucciones para Manipular el Cdigo de Condicin.


41

3.8 Modelo de Programacin.

3.8.1 Programas en lnea recta.

Ejemplo 1 Desempacado de dgitos

Separe el contenido de la localidad $0800 en dos secciones de 4 bits (nibbles) y

gurdelos en $0801 y $0802. Coloque los cuatro bits ms significativos de la localidad

$0800 en los cuatro bits menos significativos de la localidad $0801; coloque los cuatro bits

menos significativos de la localidad $0800 en los cuatro bits menos significativos de la

localidad $0802.

Problema Ejemplo:

($0800) = AE

Resultado ($0801) = 0A

($0802) = 0E

Programa Fuente:

ORG $4000 ;Inicio del bloque Flash ROM

LDAA $800 ;Trae dato a desempacar

TAB ;Respalda dato

ANDA #$0F ;Mata nibble alto

STAA $802 ;Guarda nibble bajo en DATO2

ANDB #$F0 ;Mata nibble bajo

LSRB ;Pasa nibble alto a nibble bajo

LSRB

LSRB

LSRB

STAB $801 ;Guarda nibble alto en DATO3

WAI

ORG $0800

FCB $AE,00,00

Ejemplo 2

Encontrar el mayor de dos nmeros

Coloque al mayor de los contenidos de las localidades 0800 y 0801 en la localidad

0802. Asuma que los contenidos de 0800 y 0801 son nmeros de 8 bits sin signo.

Problema Ejemplo:

a. (0800) = 3F

(0801) = 2B

Resultado (0802) = 3F

b. (0800) = 75


42

(0801) = A8

Resultado (0802) = A8

Diagrama de flujo

Programa Fuente:

ORG $4000

LDD $0800 ;Carga dato en A y B

CBA ;Compara

BCS GUARDA ;Salta si B mayor

TAB ;Pasa dato en A a B

GUARDA STAB $802 ;Guarda resultado

WAI

ORG $0800

FCB $3F,$A5,00

END

Ejemplo 3

Raz Cuadrada

Calcule la raz cuadrada del nmero que esta en la localidad 0801 a partir de una

tabla y coloque el resultado en la localidad 0800. Asuma que el nmero en la localidad

Inicio

Dato1 = (0800)

Dato2 = (0801)

Es

Dato1>Dato2

?

Dato1 = Dato2

(0802) = Dato1

Fin

SI

NO


43

0801 es un entero sin signo entre 0 y 99. La tabla inicia a partir de la localidad 0810, el

primer dgito es la parte entera y el segundo es la fraccin, expresados en BCD.

Problema Ejemplo:

a. (0801) = 02

Resultado (0800) = 14 Porque la raz de 2 es 1.4142

b. (00801) = 0C

Resultado (0800) = 35 Por que la raz de 12 es 3.4641

Programa Fuente:

ORG $4000

INICIO LDAB $801 ;Trae dato a B

CLRA ;Limpia para definir dir. de 16 bits

XGDX ;Pasa dir. de 16 bits a X

LDAA $810,X ;Trae valor de la tabla

GUARDA STAA $800 ;Guarda raz en localidad $800

BRA INICIO

ORG $810 ;Aqu va la tabla

FCB 00,$10,$14,$17,$20,$22,$25,$26,$28,$30

END

3.18.2 Programas con lazos.

Los lazos son la estructura mas utilizada en programacin, permiten realizar tareas

repetitivas a muy alta velocidad y con gran precisin. Se componen de cuatro secciones:

1. Seccin Inicializadora. Aqu se preparan las variables que usar el lazo.

2. Seccin de Procesamiento. Es la parte que realmente hace el trabajo, debe ser ptima en tiempo.

3. Seccin de Control del Lazo. Aqu se actualizan las variables y se revisa si se contina en el ciclo.

4. Seccin Finalizadora. Es para recuperar los resultados del proceso repetitivo.

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un lazo:


44

Figura. 3.21 Diagrama de flujo de un lazo

Ejemplo 4

Cuenta de bits uno.

Cuente los bits uno de la localidad 0800, deje el resultado en la localidad 0801.

Problema Ejemplo.

a. (0800) = 3A = 0011 1010

Resultado (0801) = 04 El nmero 3A tiene cuatro unos

b. (0800) = 1C = 0001 1100

Resultado (0801) = 03 El nmero 1C tiene tres unos

Diagrama de Flujo

In ic io

S e c c io n

In ic ia liz a d o ra

S e c c io n d e

P ro c e s a m ie n to

S e c c io n d e

C o n tro l d e l

la z o

Y a T e rm in

la ta re a ?

S e c c io n

F in a liz a d o ra

F in

N O

S i


45

Programa Fuente:

ORG $4000

INICIO: LDAA $800

;Trae dato a A

LDX #8

;Cuenta en X

CLRB

;Limpia total

OTRO: LSRA

;Corre un bit a la derecha

BCC NO_HUBO

;Es Carry = 1

INCB

;Si. Incrementa

NO_HUBO: DEX

;No. Decrementa cuenta

BNE OTRO

;Todos los bits?

STAB $801

;Si. Salva total

WAI

Ejemplo 5

Suma de datos

Calcule la suma de una serie de nmeros. La longitud de la serie esta en la localidad

0801, y la serie en s inicia en la localidad 0802. Guarde la suma en la localidad 0800.

Asuma que el resultado cabe en 8 bits de tal manera que los acarreos puedan ser ignorados

Problema Ejemplo:

(0801) = 03

(0802) = 28

(0803) = 55

(0804) = 26

Resultado (0800) = (0042) + (0043) + (0044)

= 28 + 55 + 26

= A3

Inicio

Dato = (0800)

Cuenta = 8

Total = 0

Es

Carry = 1

?

Total = Total + 1

Dato = Dato / 2

Fin

SI

NO

(0801) = Total

Es

Cuenta = 0

?

Cuenta = Cuenta -1

SI

NO


46

Existen tres entradas para la suma, debido a que (0801) = 03

Diagrama de flujo:

Programa Fuente:

ORG $4000

INICIO

LDAA #0 ;Suma = cero

STAA $800 ;Parte alta de la

cuenta

LDX #0 ;Indice = cero

OTRO:

ADDA $802,X ;Suma =

Suma + dato

INX ;Apunta a sig. dato

CPX $800 ;Se sumo todo?

BNE OTRO ;Si no, va por otro

STAA $800 ;Guarda suma

END

Nota. Observe que fue necesario escribir

un cero en la localidad $800, esto debido

a que el Registro ndice es de 16 bits.

Adems, la comparacin se hace con la

localidad $800 y no con la $801.

Ejemplo 6

Valor Mximo.

Inicio

Suma = 0

Indice = 0

Suma = Suma +

(0802 + Indice)

Indice = Indice + 1

Es

Indice = (0801) ?

(0800) = Suma

Fin

No

Si


47

Encuentre el mayor elemento de un bloque de datos. La longitud del bloque esta en

la localidad 0801 y el bloque en si inicia en la localidad 0802. Guarde el elemento mximo

en la localidad 0800. Asuma que los nmeros en el bloque son todos de 8 bits sin signo.

Problema Ejemplo:

(0801) = 05

(0802) = 67

(0803) = 79

(0804) = 15

(0805) = E3

(0806) = 72

Resultado (0800) = E3 Debido a que es el mayor de los cinco nmeros


48

Diagrama de Flujo

Programa Fuente

ORG $4000

INICIO:

LDAB $801 ;Cuenta en B

CLRA ;Limpia A

XGDX ;Cuenta en X

CLRA ;Borra para mx

OTRO:

CMPA $801,X ;Compara Mximo en

;A con memoria

BCC NOCAMB ;Salta si Mximo es

;mayor

LDAA $801,X ;El dato en memoria

; fue mayor, cambiar

Inicio

Base = 0801

Indice =(0801)

Max = 0

Es

Max =>

(Base+Indice)

?

Max = (Base +

Indice)

Indice = Indice -1

Es

Indice = 0

?

(0800) = Max

Fin

Si

No

Si

No


49

NOCAMB:

DEX ;Decrementa cuenta

BNE OTRO ;Revisados todos?

STAA $800 ;Salva mximo en $800

BRA INICIO

ORG $0801

FCB 5,23,5,27,8,9 ;5 valores para probar

END

Sistemas Embebidos Para El Auto

Documents

Transcript of Sistemas Embebidos Para El Auto