MICROCONTROLLORI. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 1

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1 MICROCONTROLLORI Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 1

2 Microcontrollori Nascono come componenti per il controllo di prodotti Caratterizzati da: Dimensioni contenute Costo contenuto Energia consumata contenuta Dispositivo all-in-one chip Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 2

3 Definizione di un microcontrollore (µc) Una definizione opportuna di un microcontrollore è la seguente: Sistema di controllo a microprocessore dotato di dispositivi di I/O specializzati, memoria RAM ed EPROM montati tutti su un unico chip del costo di poche migliaia di lire. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 3

4 Componenti di un microcontrollore (µc) Componenti tipici di un microcontrollore: Microprocessore a 4, 8,16, 24 e 32 bit. Memoria RAM di dimensioni ridotte, usate solo per la memorizzazione delle variabili intermedie e delle variabili di ingresso e di uscita. Memoria EPROM per la memorizzazione del programma che il controllore deve eseguire. Dispositivi di I/O per la lettura e la generazione di segnali particolari, verso i quali il controllore viene prodotto già specializzato. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 4

5 Obiettivi Obiettivi dei microcontrollori Riduzione di costi e dimensioni per la produzione in larga scala di sistemi controllati a microcontrollore Elettrodomestici, telefoni portatili, telecomandi, dispositivi hi-fi. La riduzione dei costi si ottiene sia nell implementazione del chip, del costo di poche migliaia di lire, sia nel risparmio ottenuto in termini di componentistica, sia nel costo di integrazione e di progetto. La differenziazione dei microcontrollori è tale che esiste un modello di riferimento, variante di una versione base, per ogni tipo di applicazione. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 5

6 Origine dei microcontrollori Origini I microcontrollori sono la fase conclusiva del progetto di integrazione, di miniaturizzazione e di specializzazione che ha coinvolto i microprocessori dalla loro nascita. Hanno origine dalla filosofia nata con i primi PLC: Integrazione del core di un processore in un contesto differente rispetto alla macchina general purpose per la risoluzione di problemi specialistici (prevalentemente in logica booleana). I microcontrollori sono nati successivamente e orientati alla produzione consumer. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 6

7 Origine dei microcontrollori Origini I microcontrollori sono la fase conclusiva del progetto di integrazione, di miniaturizzazione e di specializzazione che ha coinvolto i microprocessori dalla loro nascita (2). Molti microcontrollori hanno preso origine dalle prime versioni di microprocessori (Zilog Z80, Intel 8088, Motorola 6809) Sono stati usati soprattutto microprocessori molto semplici per la maggiore facilità di miniaturizzazione. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 7

8 Controllori Embedded Sono i fratelli maggiori dei microcontrollori. Sono lo sviluppo di una versione più potente di microprocessori (Motorola 68EC300, Intel 386 EX, e l IBM PowerPC 403GB) I controllori Embedded fanno riferimento alla stessa filosofia di integrazione, specializzazione e riduzione dei costi di progetto e di distribuzione dei microcontrollori. Si differenziano principalmente per non essere proprio dei dispositivi ALL IN ONE CHIP, in quanto possono richiedere delle componenti esterne (soprattutto RAM). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 8

9 Consumer: Home monitoring, Microonde, Frigoriferi, Televisione, Telecomandi, VCR, Hi-Fi). Computer: Stampanti, modem, hard disk. Industria automobilistica: Controllo motori, diagnostica, climatizzazione. Controllo ambientale Strumentazione aerospaziale Applicazione dei microcontrollori Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 9

10 Applicazioni dei microcontrollori I microcontrollori sono usati soprattutto dove la potenza di calcolo non è di importanza fondamentale Controllori Embedded e microcontrollori sono usati spesso in robotica: La potenza e la complessità del calcolo viene distribuita tra i singoli task utilizzando un gran numero di microcontrollori di piccola potenza di calcolo. La possibilità di comunicazione tra ogni singolo controllore e un controllore di maggiore potenza (computer o mainframe) rendono possibile la elaborazione delle informazioni prodotte da ogni singolo µc. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 10

11 I microcontrollori sono usati con successo anche in applicazioni di monitoring e data recording, dove le caratteristiche vincenti sono: Basso consumo (in idle state) Applicazione dei microcontrollori Auto-riattivazione mediante interrupt facilmente programmabili Monitoring per coltivazioni (temperatura, umidità, pioggia) Monitoring con palloni aerostatici. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 11

12 Vendite microcontrollori ( bit) Statistica mondiale (1994) Dati in milioni di dollari Il mercato dei microcontrollori bit bit bit Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 12

13 Vendite microcontrollori ( bit) Statistica mondiale (1994) Dati in milioni di pezzi Il mercato dei microcontrollori bit bit bit Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 13

14 Mercato automobilistico (USA ) Contenuto di microcontrollori per passeggero (in dollari) Il mercato dei microcontrollori Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 14

15 Il mercato dei microcontrollori Mercato automobilistico Il mercato automobilistico è una delle più grandi forze nel mercato dei microcontrollori, specialmente alle alte tecnologie. Molte famiglie di microcontrollori sviluppati appositamente per il mercato auto e quindi modificati per adattarsi ad altre applicazioni. Il settore delle auto presenta molte caratteristiche critiche: Alte temperature e forti campi elettromagnetici. Forti vibrazioni e urti Rischi assicurativi enormi (un errore su un processore che causa un incidente potrebbe far perdere al produttore milioni di dollari) e quindi standard di produzione elevati Prezzi contenuti per l immissione in mercati diversi Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 15

16 Il mercato dei microcontrollori Mercato consumer (USA ) Numero di Microcontrollori Per abitazione (Dati relativi alla casa del Nord Americano medio) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 16

17 Il mercato dei microcontrollori Principali produttori (dati in milioni di dollari, 1999) MicroProcessori MicroControllori M Intel* IBM Hitachi O T O R O L A N E C Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 17

18 Scelta del microcontrollore Parametri relativi al processo da controllare (processo a stati discreti) Supporto per l interfacciamento ad un processo a stati discreti (presenza di interrupt, watch-dog, idle state, etc ) Velocità di esecuzione compatibile con quella del processo da controllare. Supporto per la programmazione logica (tipo lista di istruzioni) attraverso un set dedicato di istruzioni a basso livello. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 18

19 Scelta del microcontrollore Processo a stati continui Problemi di conversione dell algoritmo di controllo dal continuo: Complessità dell algoritmo di controllo Rapidità di evoluzione del processo Caratteristiche del dispositivo digitale: Tipo del dispositivo di calcolo (mc, Embedded mc) Frequenza di clock del dispositivo di calcolo Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 19

20 Scelta del microcontrollore Processo a stati continui Specifiche di progetto del controllore Precisione richiesta nelle elaborazioni Compromesso costo prestazioni Caratteristiche del dispositivo digitale: Frequenza di campionamento dei convertitori A/D e D/A Numero di bit dei convertitori e del dispositivo di controllo Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 20

21 Parametri relativi alla programmazione del microcontrollore Assistenza in caso di problemi Tool di sviluppo disponibili (rapporto costo/prestazioni) Documentazione Presenza di accessori e periferiche Scelta del microcontrollore Supporto della memoria statica (OTP o ROM), programmabile e/o cancellabile. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 21

22 Tecnologia CMOS : Caratteristiche del microcontrollore La tecnologia CMOS richiede molta meno potenza permettendo l alimentazione esclusiva attraverso batterie. I Chip CMOS sono quasi statici, permettendo il rallentamento del clock (o lo stop) fino a porlo in sleep mode. Alta immunità al rumore elettromagnetico (fluttuazione dell alimentazione e picchi di corrente). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 22

23 Caratteristiche del microcontrollore Tecnica costruttiva PMP (Post Metal Programming) Procedimento di implementazione ad alta energia che permette la programmazione della ROM DOPO la metallizzazione finale. Riduzione dei tempi di produzione di un prototipo con ROM da 8-6 settimane a 2 settimane (manca solo la metallizzazione). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 23

24 Architetture del microcontrollore Von Neumann: Bus di dati singolo per dati e istruzioni Memoria comune per dati e istruzioni Harvard: Bus di dati separato per dati e istruzioni Pre-fetch delle istruzioni CISC ~ 80 istruzioni, programmazione facilitata (macro - like) RISC - Chip più piccolo, potenza consumata ridotta, Set di istruzioni ortogonale, pipelining. SISC - Set di istruzioni dedicato + RISC Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 24

25 Struttura del tipo accumulator - based Tipo di struttura usata nei sistemi a microprocessore Struttura orientata ad un uso minore della RAM per una maggiore utilizzazione del processore (che deve necessariamente appoggiarsi ai registri interni) RAM BUS accumulatore registri interni ALU Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 25

26 Struttura del tipo register - based Tipo di struttura usata nei microcontrollori ad altissima integrazione. Struttura orientata ad un uso estensivo della RAM e ad un minore uso del processore. Il sistema di indirizzamento della memoria RAM deve essere necessariamente più potente in quanto ivi sono locate alcune aree di appoggio che fungono da accumulatore. mem oria RAM Registri BU S Registro temporaneo ALU Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 26

27 EEPROM: La convenienza risiede nella facile riscrivibilità. La lentezza di questa memoria la limita comunque a poche zone di memoria dove risiedono parametri ai quali si deve accedere di rado. FLASH (EPROM): Dispositivi di I/O Più veloce della EEPROM e con un maggior numero di cicli di cancellazione - riscrittura. Necessaria nel caso in cui sia richiesta una grande quantità di memoria non volatile a disposizione. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 27

28 RAM con batteria tampone: Maggiore velocità e numero (ovviamente) infinito di cicli di riscrittura. Per la manipolazione di un gran numero di dati. PROM (OTP): Scelta della ROM ri/programmabile EPROM senza finestra di cancellazione (stessa tecnologia costruttiva). Passo precedente alla realizzazione con ROM. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 28

29 Scelta della ROM Riprogrammazione ON-SITE: Con la diffusione dei microcontrollori in sistemi dalla lunga vita o a lenta variabilità dei parametri di comportamento, è spesso necessaria la riprogrammazione o il tuning di alcuni dei parametri presenti nel microcontrollore. Tuning dei motori per automobili Invecchiamento dei motori Adeguamento del motore alle leggi sulle emissioni Correzione dei bug Gestione dei modem e aggiornamento della EPROM agli standard di comunicazione vigenti o per l inserimento di nuove capacità. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 29

30 Architettura della memoria Architettura della Memoria (IDLE / WAKEUP State) Stato di attesa attivabile via software nel quale tutte le attività del controllore sono arrestate eccetto: Circuiteria associata all oscillatore Logica del WatchDog Timer di Idle (per il risveglio periodico dallo stato di idle e il test della situazione) La potenza consumata in questo stato è pari al 30% rispetto al normale consumo. Il modo idle è molto utile per le applicazioni di monitoring (il processore è necessario per poche rilevazioni ad intervalli regolari di tempo). Tipica nelle tastiere con risveglio mediante interrupt. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 30

31 UART - porta seriale asincrona Dispositivi di I/O SSP - Porta seriale sincrona: high-speed. Può essere usata per realizzare una rete veloce di microcontrollori. I2C bus (Inter-Integrated Circuit / Philips) : bus a due fili, multi master multi slave con rilevamento di collisione della comunicazione. Ogni nodo ha un indirizzo (128 nodi possibili) CAN (Controller Area Network / Intel + Bosh) per le comunicazioni nelle automobili, del tipo multiplexed. Diffuso nelle automobili del Nord America è il candidato per diventare uno standard internazionale. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 31

32 Dispositivi di I/O : Convertitori A/D Convertitori ad approssimazioni successive Di struttura semplice ma lenta (1 ciclo per ogni bit di conversione) Convertitori A/D single slope: formate da un generatore di rampa, un comparatore ed un timer. La precisione è data dal numero di bit del timer. Tempo di conversione variabile e comunque notevole. Conversione A/D tipo Sigma/Delta: basata su un modulatore ed un filtro che hanno il compito di modulare il segnale (il primo) e di filtrare il risultato (il secondo). Producono in tempo ridotto una misura accurata. Costoso per i componenti. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 32

33 Convertitore FLASH A/D: Testa ogni livello possibile per cui risulta molto veloce ma nel contempo la dimensione del comparatore cresce esponenzialmente con il numero di bit di precisione. Risulta costoso per la componentistica richiesta e l alimentazione relativa. Dispositivi di I/O : Convertitori D/A Modulatori di Impulso Dispositivi di I/O : Convertitori A/D Un generatore di impulsi genera un treno di impulsi la cui potenza è pari a quella del segnale che deve essere emesso. Un filtro passa basso spiana i picchi per ottenere un segnale livellato. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 33

34 Dispositivi di I/O: altri componenti : Interrupt I due modi per leggere un uscita sono il polling continuato dell uscita (quello che succede con i PLC) oppure la lettura dell uscita solo quando questa cambia (attraverso un interrupt che ti segnala il cambiamento). Ogni interfaccia I/O (o quasi) è dotato di un interrupt mascherabile programmabile attraverso una tabella degli interrupt. Molti controllori hanno un interrupt esterno. Gli interrupt possono essere gestiti per priorità o semplicemente per ordine di arrivo (priority o arbitration), anche se esiste una tabella degli indirizzi per le routine di interrupt. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 34

35 Dispositivi di I/O: altri componenti WatchDog Timer Dispositivo usato per evitare che la macchina (il controllore) possa rimanere bloccato in eterno in una situazione non prevista. Il programma deve continuamente effettuare il reset del timer WatchDog. Dopo un tempo di timeout il tiimer di WatchDog provvede al riavvio automatico della macchina. Digital Signal Processor Quello che non può essere fatto da un microcontrollore (calcolo matematico intensivo) può essere fatto nei controllori hi-end che possiedono un DSP all interno. Solitamente i DSP sono dotati di una serie di registri del tipo MACC (multiply and accumulate) per la velocizzazione delle operazioni di calcolo. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 35

36 Dispositivi di I/O per lo sviluppo Il Monitor Il monitor è un programma residente in un computer collegato alla piattaforma di sviluppo dei microcontrollori. Attraverso una probe si collega al micro controllore e ne rileva lo stato completo (registri e RAM) oltre a provvedere la capacità di caricare i file oggetto nel controllore e di mandarli in esecuzione. L Emulatore Provvede la capacità di simulare la presenza del chip anche quando questo è assente. Esegue tutte le funzionalità del chip tranne l interfacciamento con l esterno. Usato soprattutto in fase di apprendimento del chip. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 36

37 Alcuni Microcontrollori: Intel 8051 Interrupt esterni Contr ollo delle Inter r uzioni me moria ROM 8 Kbyte memoria RA M 128 byte Time r 1 Time r 2 Contatori Intel 8051 CPU Oscillatore Contr ollo del bus 4 Por te di I/O Po rte ser iali P0P1P2P3 RXD TXD Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 37

38 Alcuni Microcontrollori: Intel 8051 Seconda generazione (dopo 8046/8048) Architettura Harvard modificata Indirizzamento separato di dati e istruzioni Memoria di programma fino a 64 Kbyte (4-8 sul chip) 128 byte di RAM sul chip I/O mappata separatamente Chiamato boolean processor per l inclusione di numerose istruzioni dedicate alla manipolazione di stati logici Esistono migliaia di varianti di questo processore Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 38

39 Alcuni Microcontrollori: Intel 8051 ALU RAM Byte/bit Addr RB3 Latch Porta I/O A0-A7 D0/D7 A B ROM RB2 RB1 RB0 Latch Latch Porta Porta I/O I/O A8/A15 PC DPTR Bus 16 bit Registri speciali Latch Porta I/O Int Serial RD-WR Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 39

40 8051 DIP T2 - Timer 2 T2Ex - Timer 2 External Reload/Capture RST - Reset Rxd,Txd - Serial I/O INT0 - External Interrupt 0 INT1 - External Interrupt 1 T0 - Timer 0 External Input T1 - Timer 1 External Input WR/RD - Write/Read Strobe for External Data Memory XTAL1 - Input to Invert Oscillator Amp. XTAL2 - Output from Inverting Osc. Vss - Ground PSEN - Reading Strobe for External Program Memory ALE - Address Latch Enable EA - External Access Enable for Program Memory Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 40

41 External Memory Accessibility Similar to Data bus Accessing External Program Memory Similar to Address Bus Accessing External Data Memory Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 41

42 Alcuni Microcontrollori: Intel 8096 Interrupt e sterni Controllo delle Interruzioni Controllore alimentazioni Controllore delle interruzioni programmabile Vettore elaborazione eventi E venti (Watchdo g) Intel 8096 CPU Registri RALU memoria ROM memoria RA M Bus a 16 bit Timer 1 Timer 2 Co ntatori 16bit Oscillatore Controllo del bus 7 Portedi I/O Porte seriali R XD T XD Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 42

43 Terza generazione Alcuni Microcontrollori: Intel 8096 Processore 16 bit e frequenza di clock (attuale) di 50 MHz Processore per la moltiplicazione e divisione hardware Diversi dispositivi per l I/O veloce PWM e altri dispositivi integrati già presenti Fino a 40 porte digitali di I/O Convertitori A/D e D/A Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 43

44 ST6265 I microcontrollori ST6265 della ST- Microelectronics sono conosciuti soprattutto per la loro grande facilità di utilizzo e per l'elevato numero di circuiti ausiliari integrati disponibili.pur non essendo di tipo RISC, e non avendo quindi delle prestazioni all'altezza di concorrenti come i PIC di Microchip, essi sono il più delle volte sufficentemente veloci per un gran numero di applicazioni. Usando una frequenza di clock massima di 8MHz, il tempo medio di esecuzione delle istruzioni si aggira sui 6.5 us. L'architettura è di tipo Von Neumann, con singolo bus (da 8 bit) per memoria programma e memoria dati e dispone di un accumulatore a e di quattro registri x,y,v,w tutti mappati direttamente in memoria RAM. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 44

45 Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 45

46 Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 46

47 Caratteristiche Data RAM: 128 bytes Data EEPROM 128 bytes EPROM (ST65E65) / OTP(ST62T65) di 3884 bytes 21 I/O (13 per l'st6260) pins programmabili come: Input with pull-up resistor Input without pull-up resistor Input with interrupt generation Open-drain or push-pull output Analog input 8 I/O linee con più di 20mA (per comandare un LED direttamente) 8-bit Timer/Counter con prescaler programmabile a 7-bit 8-bit Auto-reload Timer con prescaler programmabile a 7- bit (per PWM) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 47

48 Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 48

49 8-bit A/D converter con 13 possibili ingressi analogici (5 per l'st6260) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 49

50 8-bit Synchronous Peripheral Interface (SPI) L' ST6265 dispone di 40 istruzioni, e nove modi di indirizzamento; il tutto è codificato in opcode di dimensioni da 1 a 3 bytes. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 50

51 PIC16F84 I microcontrollori PIC della Microchip sono certamente tra i più utilizzati, grazie alla loro elevata velocità di funzionamento, al basso costo e soprattutto alla grande varietà di dispositivi con caratteristiche differenti disponibile. Essi sono di tipo RISC con una architettura di tipo Harvard e con sole 35 istruzioni tutte della durata di un ciclo (tranne il salto condizionato della durata di due cicli). Funzionano con un clock di 4MHz, con durata di un ciclo di 1us (esiste anche la versione PIC16F84/10P a 10MHz, 400ns per_ciclo). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 51

52 PIC16F84 Le istruzioni sono codificate in parole di 14 bit e la memoria programma di tipo Flash ha dimensioni di 14bit x 1K. La memoria dati (RAM) è di 68 bytes, ed è presente una memoria dati di tipo EEPROM di 64 bytes. E' presente uno stack hardware con 8 livelli di profondità e un unico registro accumulatore w, utilizzato nella maggior parte delle istruzioni. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 52

53 Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 53

54 Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 54

55 Linguaggi di programmazione Linguaggio macchina / Assembler Programmi veloci e di piccole dimensioni Interpreti Basic Semplice da scrivere lento Forth veloce non semplice da scrivere e leggere orientato alla robotica Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 55

56 Linguaggi di programmazione Linguaggi interpretati JVM (Java virtual machine) Universalmente accettato nello standard Multipiattaforma Compilatori Basic Linguaggio C Standard come linguaggio per la programmazione grazie alle funzioni disponibili a basso livello. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 56

57 Esempio di applicazione Uscita PWM Dispositivo di comunicazionedi tipo seriale per la comunicazione con altri eventuali sistemi µc } Canali di I/O digitali Integrazione di un microcontrollore in un sistema di controllo per motori } Ingressied uscite analogiche * 0 # Tastiera di immissionediretta } Alimentazione Display LCD Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 57

58 Bibliografia Le diapositive da 1a 45 sono tratte dalle lezioni dell Ing. Leonardo Daga; Lezioni del corso di Automazione Industriale, AI7 I Microcontrollori. Università La Sapienza di Roma Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microcontrollori 58

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