UNA INTRODUZIONE AL MONDO DEI MICROCONTROLLORI

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1 UNA INTRODUZIONE AL MONDO DEI MICROCONTROLLORI 1

2 Microcontrollori? Molti prodotti utilizzati quotidianamente contengono più intelligenza di quanto ogni utente possa immaginare. Uno studio indica che ogni giorno il consumatore medio ha a che fare con almeno un centinaio di microcontrollori prima di andare a dormire. E sono veramente dappertutto: tostapane, asciugacapelli, telefoni cellulari, sistemi di sicurezza, forni a microonde, lavatrici e automobili hanno tutti qualche dispositivo intelligente incorporato. 2

3 I microcontrollori stanno cambiando il mondo..! Un esempio eclatante ne sono le automobili che oggi incorporano da 30 a 40 microcontrollori, contro i 10 che avevano pochi anni fa. Questi microcontrollori sono usati per migliorare il comfort e la sicurezza dei passeggeri, nonché per contenere il consumo di carburante. La stessa proliferazione di microcontrollori è avvenuta anche negli elettrodomestici quali frigoriferi, condizionatori, lavatrici e, persino, nei sistemi di comando per l apertura di cancelli. Ieri, questi apparecchi erano totalmente elettromeccanici, mentre oggi hanno sette o otto microcontrollori che ne migliora le prestazioni, li fa consumare meno energia, li rende più sicuri, affidabili e piacevoli da usare. 3

4 Il Microcontrollore Un microcontrollore (µc ) è un dispositivo di elaborazione dati simile al microprocessore (µp ). Sul µp sono basati tutti i calcolatori dai personal computer ai mainframe. Sul µc sono basati dispositivi per scopi industriali o per applicazioni particolari (autronica, domotica) 4

5 Una ALU (Arithmetic Logic Unit ) dove avvengono i calcoli diversi Registri per la memorizzazione temporanea dei dati e la gestione delle istruzioni Un bus interno ad alta velocità circuiti di controllo e di temporizzazione per coordinare tutte le attività tre bus ( Data Bus, Address Bus, Control Bus ) per comunicare col mondo esterno ( dispositivi di memoria, dispositivi di ingressouscita) Il µp contiene : 5

6 Il µp ha bisogno per funzionare : Di un ampia area di memoria esterna sia di lavoro (RAM) che di massa (hard disk ecc ), dato che tratta grandi quantità di dati Di interfacce verso dispositivi esterni di Input (tastiera, mouse,scanner, hard disk, floppy, microfoni.) Di interfacce verso dispositivi esterni di Output ( monitor, stampante, altoparlanti, hard disk, floppy,modem ) Di potenza di alimentazione anche di decine di watt 6

7 Il µc invece possiede su un unico chip: Una CPU RISC Una piccola memoria di programma (EPROM-EEPROM) Una piccola memoria di lavoro RAM ( alcuni KB) Porte di ingresso/uscita Contatori, timer, convertitore A/D Uart, Pwm, interfacce di comunicazione di vari tipi Contiene cioè, sia quello che possiede un µp (anche se in quantità molto ridotta), sia parti che il µp non possiede. Ha ingombro minimo e richiede poca potenza di alimentazione. 7

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10 RISC significa : Reduced Instruction Set Computing Elaborazione con insieme di istruzioni ridotto. Le istruzioni perciò : Sono poche decine Sono eseguite molto velocemente non serve un clock molto elevato per un efficiente funzionamento ( dai 4-8 MHz per i tipi più semplici, fino a MHz per i tipi più evoluti) 10

11 Le società più importanti che producono microcontrollori Microchip con la serie PIC ST Microelectronics con la serie ST6TXX Siemens con la serie di microcontrollori 80C165/6/7 Motorola con la serie 68HCXX Hitachi con la serie H8/300H 11

12 Il microcontrollore più diffuso è il PIC16F84 della Microchip Technology PIC = Peripheral Interface Controller (Controllore di periferiche programmabile) La sua caratteristica più importante sta nella sigla F : Il programma risiede in una EEPROM FLASH ( Electrically Erasable Programmable Read only Memory ) è modificabile immediatamente anche senza togliere l integrato dal circuito (modalità : in-circuit ) 12

13 Schema sintetico del PIC : Flash Program memory Program Counter Instruction Register RAM File Registers Address Mux ALU W register (accumulatore) I/O Ports 13

14 Alcune sezioni del µc Program Counter : contatore che punta alla successiva istruzione da eseguire tra quelle contenute nel Program Memory Instruction Register : registro che contiene le istruzioni eseguibili; le confronta con il Program Memory e le dà per l esecuzione alla ALU ALU : esegue calcoli matematici e logici sui dati in ingresso e deposita i risultati di calcolo nell Accumulatore 14

15 Il PIC16F84 CARATTERISTICHE : Set di 35 istruzioni a 14 bit, eseguite ognuna in 4 cicli di clock Bus dati a 8 bit Clock fino a 20 MHz Memoria di programma EEPROM: 1024 locazioni da 14 bit 36 registri da 8 bit 15 registri specializzati 68 byte di EEPROM dati memorizzabili 15

16 Il PIC16F84 Altre caratteristiche : Stack a 8 livelli ( consente il richiamo di subroutine ) 13 linee di I/O divise in due porte : porta A : RA0-RA4 (5 bit) porta B : RB0-RB7 (8 bit) Le porte forniscono : 25 ma in sink 20 ma in source (RA4 solo sink) Contatore temporizzatore programmabile a 8 bit con prescaler a 8 bit Linee di interrupt sulla porta B 16

17 Il PIC16F84 Altre caratteristiche : autoreset all accensione. La possibilità di stare in modo SLEEP ( a bassissimo consumo) Il codice del programma può essere reso inaccessibile alla lettura. Un Watch-dog Timer (temporizzatore cane da guardia ) che evita il blocco del funzionamento. 17

18 Pin function - piedinatura OSC1/CLKIN : oscillator crystal input OSC2/CLKOUT : oscillator crystal output MCLR : master clear (reset) RA0 RA4 : 5 linee porta A RB0 RB7 : 8 linee porta B Vss : massa Vdd : alimentazione positiva 18

19 L oscillatore del PIC può funzionare in quattro modi : Oscillatore a quarzo per il clock LP Low Power Crystal 32 KHz 200 KHz XT Crystal/Resonator 100 KHz 4 MHz HS High Speed Crystal/Resonator 8 MHz 20 MHz RC Resistor Capacitor Si può usare un quarzo o un risonatore ceramico, a varie frequenze, oppure un circuito RC con scarsa precisione in frequenza. Occorre scegliere un modo, sia per costruire il circuito, sia per impostare le opzioni del dispositivo programmatore : l opzione più comune è XT. 19

20 La struttura interna e i registri del PIC 16F84 20

21 La memoria interna del pic16f84 Ci sono 2 tipi di memoria: La Memoria del Programma (Program Memory) di tipo EEPROM, con 1024 locazioni da 14 bit ciascuna (0000h a 03FFh). La Memoria dei Dati (Data Memory), a sua volta suddivisa in: Memoria RAM di uso generale Registri con Funzioni Speciali (SFR), (di tipo static RAM) Memoria dati di tipo EEPROM (64 bytes) 21

22 I registri mappati in memoria (1) I registri (chiamati Register File) sono celle, locazioni, di memoria dove il µc legge e scrive valori fondamentali per il funzionamento. Sono celle che hanno un indirizzo esadecimale ( h ) ; si dice che sono mappati in memoria. Ad esempio scrivendo/leggendo nelle locazioni 05h e 06h si scrive/legge nelle porte A e B. 22

23 I registri mappati in memoria (2) Se si programma il PIC in linguaggio macchina (Assembler) occorre precisare molti dettagli per i registri, con istruzioni da mettere all inizio del programma. Se si usa un linguaggio ad alto livello (Basic), le istruzioni da aggiungere sono minori. Tuttavia la mappa di memoria ( cioè l allocazione dei registri) deve sempre essere conosciuta. 23

24 La programmazione del PIC in linguaggio Assembler Il programma per il PIC si può scrivere in linguaggio assembly o assembler, usando direttamente le 35 istruzioni riconosciute dal PIC. Il programma si scrive come un file di testo. Esso viene convertito in codice binario da un programma chiamato Assemblatore. Il file creato contiene codici esadecimali e ha estensione.hex Per trasferire poi il file HEX nella memoria di programma del PIC occorre un dispositivo chiamato Programmatore Si usa un Personal Computer : per scrivere il testo del programma,con un editor di testi ( non usando Word! ) per convertirlo in codice eseguibile, usando l Assemblatore per scriverlo nel PIC, usando un Programmatore. 24

25 La programmazione del PIC in linguaggio Assembler La casa costruttrice Microchip fornisce un pacchetto integrato chiamato MPLAB che si scarica gratuitamente da internet. Esso comprende : MPLAB Editor : editor di testo per scrivere il testo del programma MPASM : il compilatore che traduce il testo in codice eseguibile (usando il codice esadecimale) 25

26 La programmazione del PIC in linguaggio ad alto livello Il programma per il PIC si può scrivere usando un Compilatore ad alto livello, ossia un software che usa istruzioni a livello più elevato, per velocizzare e facilitare la stesura del programma. Il Compilatore può essere in linguaggio BASIC ( ad esempio il PicBasic) in linguaggio C di tipo grafico, ossia che usa simboli grafici al posto delle istruzioni. Ad esempio usa il simbolo di una porta AND al posto dell istruzione assembler equivalente. Due esempi di compilatori grafici sono il Visual Parsic e il Proton+. I compilatori devono essere acquistati ; i più semplici in Basic o C sono a basso costo o anche freeware. Un ottimo compilatore c++ è il PICLITE della HiTech, che offre una versione di prova detta Lite, cioè con condizioni limitate. 26

27 Programmazione fisica del PIC (1) La famiglia PIC16F8X, che comprende il 16F84, il 16F877 ecc., può essere programmata : separatamente, con un Programmatore direttamente, mentre si trova già montato nel circuito finale, aggiungendo nello schema del progetto un adatto connettore in più ( programmazione in-circuit) Dato che il PIC ha una memoria Flash di programma, sono possibili veloci variazioni o aggiornamenti del codice programma. 27

28 Programmazione fisica del PIC (2) Dopo aver scritto il programma, cioè il codice sorgente, lo si compila con il MPASM : viene creato un file oggetto con estensione.hex, il quale deve essere caricato nella memoria di programma del PIC, inserito in uno zoccolo del programmatore ( sistema out of circuit). Per caricare il file.hex nella memoria programma del PIC occorre: Un personal computer Un programmatore Il software di gestione del programmatore 28

29 Il Programmatore industriale PICSTART plus Un insieme completo e di livello professionale è il PICSTART Plus fornito dalla stessa casa costruttrice Microchip Inc. Svantaggio : alto costo Vantaggio : è aggiornabile agli ultimi modelli Microchip Esistono molti programmatori industriali di terze parti, a costo minore, o di tipo hobbystico, già pronti o in kit da costruire. In genere se sono di basso costo, programmano solo alcuni tipi di PIC e non sono aggiornabili agli ultimi modelli. 29

30 Demoboard Dopo aver programmato il PIC, si può usare una scheda di valutazione o dimostrativa per controllare l esattezza del programma. Una demoboard contiene alcuni semplici dispositivi di ingresso (pulsanti ad esempio) e di uscita ( led, relè) e si usa in genere per apprendere i fondamenti della programmazione. Esistono demoboard molto sofisticate e costose ( con sensori di temperatura, interfacce di vario tipo, display alfanumerici e grafici) e altre di costo limitato. Dato che la frequenza di clock è di pochi MHz, i circuiti con PIC si possono montare, con qualche precauzione, anche su breadboard millefori senza saldatura. 30

31 La demoboard FT215-K in scatola di montaggio contiene : 8 led 1 display LCD 1 tastiera a matrice 1 display a 7 segmenti, 2 pulsanti, 2 relè, 1 cicalino piezo tutti controllabili dal PIC per verificare immediatamente il programma appena memorizzato. Demoboard ( 2 ) 31

32 DEMOBOARD (per un PIC16F877) Contiene anche una breadboard per piccoli montaggi senza saldature 32

33 Applicazioni Robotiche! E impossibile fare un elenco. Sono moltissime, sparse in tutto il Web. Esistono decine e decine di siti dedicati all uso del PIC, con circuiti provati, corsi di programmazione, software di supporto ecc. Una applicazione affascinante è l uso di una scheda PIC per controllare un piccolo Robot. Esistono anche gare di abilità con robot programmati ( che percorrono labirinti, che giocano a calcio...) 33

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