PROCESADORES DE PROPÓSITO GENERAL
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1. O ECACIRMENN pe E A ESA 8032AH COIE E 8752B H_ exerrom 256 12 32 3 pem pef e efe acsm ron is 19 gt 87C51 4K EPROM 24 N U N 80C32 256 24 Uy N 87C52 8K EPROM s a js COC EEN DOC erom 255 28 32 a ESO soc orrmom 25 20 32 I sacermom 255 22 32 a ISORA Erom 25s is 68 3 Tabla 1 1 Principales caracter sticas de los miembros m s populares de la familia 51 GU UY 0 UU U Como se puede apreciar en la tabla anterior los modelos denotados como 80X3X no poseen memoria de programa interna los denotados como 80X5X poseen memoria tipo ROM de m scara programable en f brica y los denotados como 87X5X incorporan una memoria de programas interna de tipo EPROM programable y borrable por el usuario Por otro lado los dispositivos denotados como 8 XX2 en adelante 8052 presentan una mayor capacidad de memoria tanto de programas como de datos as como un timer contador temporizador m s que los denotados como 8XX1 en adelante 8051 Al margen de estas diferencias y de otras que derivan de ellas se puede afirmar que todo programa que funcione correctamente en un 8051 lo har en un 8052 aunque no siempre ocurre al contrario En lo sucesivo se resaltar n las diferencias entre dichos dispositivos con objeto de que se puedan reconocer perfectamente las caracter sticas de unos y otros En la actualidad existen numerosos fabricantes Atmel Cypress Dae2. fuentes de alimentaci n reguladas que mantienen pr cticamente constante el valor de su tensi n de salida mientras el nivel de intensidad suministrado no supere un determinado valor IOmax El dise o de estas fuentes de alimentaci n se simplifica extraordinariamente haciendo uso de reguladores de tensi n integrados tales como los de la serie 78XX para voltajes positivos y los de la serie 79XX para voltajes negativos los cuales poseen una tolerancia en su tensi n de salida comprendida entre el 2 y el 4 220 Vac 11 50 Hz 220 Vac 50 Hz Figura 1 5 Fuente de alimentaci n regulada para tensiones negativas Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 5 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 En la Figura 1 6 se representa la hoja de caracter sticas t cnicas de la serie de reguladores monol ticos de tres terminales MC78XX de la firma Motorola AA MOTOROLA A MC7800 SEMICONDUCTORS Series PO BOX 20912 PHOENIX ARIZONA 85036 THREE TERMINAL POSITIVE FIXED VOLTAGE REGULATORS SILICON MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUITS THREE TERMINAL POSITIVE VOLTAGE REGULATORS These voltage regulators are monolithic integrated circuits de signed as fixed voltage regulators for a wide variety of applications including local on card regulation These regulators employ internal current limiting thermal shutdown and safe area com
3. la familia 51 se comercializan con varios tipos de encapsulado entre los que destacan el DIP y el PLCC representados en la Figura 1 3 T2 PLOJ 1 40 D Vee TREX P1 102 39 p P0 0 ADO 2 SR P1 2d3 38 P0 1 AD1 E 2222 a SS 5 0 LE a 37 p POR ADZ ESQUINA DE pessas Pi4gs5 36 h P0 3 AD3 REFERENCIA ENERO 5 i l 2 1 44 43 42 41 40 Gei li e il pues P1507 3911 P0 4 AD4 A ES sl dl date P16da8 38b P0 5 ADS P1708 33 D P0 6 AD6 P1709 370 P0 8 ADB RESET O 9 gy52pH32 P PO AD RST 10 38 D P0 7 AD RXD P3 09 10 31 p EA VPP RXD P3 0 d 11 ash EA VPP TXD P3 10 11 30 p ALE PROG NC g 12 8752BH 34 NC INTO P3 2 d 12 h PSEN a Aa as 33 P ALE PROG INTI P3 30 13 28 h P2 7 A15 INTO P3 2 Q 14 sap PSEN a dd dl eL Esa ia NTI P3 3 015 31h P2 7 A15 dl ARN pd TO P3 4 018 300 P2 6 A14 T1 P3 5 g 15 26 9 P2 5 A13 T1 P3 5 d 17 290 P2 5 A13 WR P2 4 A12 18 18 26 27 RD P2 3 A11 o EE P2 2 A10 LEE A A A ba ESB STETIT P2 1 A9 EE EEFE P2 0 AB oz Figura 1 3 Encapsulados DIP y PLCC correspondientes al 8052 Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 3 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 Como puede observarse con objeto de reducir el n mero de pines del encapsulado la mayor a de las patillas poseen funciones alternativas expresadas entre par ntesis A continuaci n se detalla la no
4. representado la fuente de alimentaci n que tendr a una estructura similar a la mostrada en la figura 1 4 usando un regulador de tensi n 7805 Por otro lado para hacer uso de la memoria de c digo interna la l nea EA se ha conectado a VCC Aunque el sistema podr a funcionar sin su existencia se han introducido dos elementos cuya funci n se comenta seguidamente e LED Aunque sin su presencia se podr a ejecutar un programa en el microcontrolador en la pr ctica ello no tendr a sentido ya que todo sistema se implementa para resolver un problema y en consecuencia para interactuar con su entorno A trav s del LED el sistema puede comunicar al usuario de manera visual los resultados del proceso e Pulsador de interrupci n Este dispositivo permite al usuario intervenir sobre el proceso mediante la generaci n de una interrupci n externa Sin su existencia el usuario ser a un mero espectador Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 9
5. EN no se activa en los accesos a la memoria ROM o EPROM interna EA VPP Cuando la se al EA External Access se mantiene a nivel alto se ejecuta el programa de la ROM interna a menos que el contador de programa exceda de OFFF 4 Kbytes para el 8051 o de 1FFF 8 Kbytes para el 8052 Si EA se mantiene a nivel bajo se ejecuta el programa ubicado en la memoria externa independientemente de la direcci n de programa Es decir si EA 1 el circuito act a como microcontrolador y si EA 0 act a como microprocesador VPP es el pin a trav s del cual se aplica la tensi n de programaci n 12 75 V aproximadamente durante la grabaci n de la memoria EPROM interna XTAL1 y XTAL2 Entrada y salida respectivamente del circuito de reloj interno del microcontrolador RESET Se al de inicializaci n del sistema 1 4 Fuente de alimentaci n Todos los elementos activos de un sistema electr nico necesitan de una fuente de alimentaci n que les suministre energ a el ctrica para su funcionamiento Para que el funcionamiento de un microcontrolador sea correcto la tensi n aplicada al terminal de alimentaci n del mismo debe estar comprendida dentro de un rango definido en forma de porcentaje en torno al valor nominal especificado por el fabricante en las hojas de caracter sticas t cnicas del dispositivo La desviaci n permitida con respecto a dicho valor suele ser del 5 Para asegurar el cumplimiento de esta restricci n suelen emplearse
6. PR CTICA 1 Introducci n a la familia MCS 51 UN z U ad UN o qua UN aD Y qu O pm E 2 e D qu O o quad O xD E qu yd i D o w D OL e aD go O UN E O O ON z RI 2 O S a i S S O a Curso 2004 2005 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 Objetivos Conocer los microcontroladores m s representativos de la familia MCS 51 de Intel y los recursos que stos poseen Indicar qu otros fabricantes producen microcontroladores compatibles con la familia MCS 31 Analizar la arquitectura interna b sica de los dispositivos de esta familia Conocer los distintos tipos de encapsulado de los microcontroladores 8051 8052 y las funciones de los diferentes pines Conocer qu condiciones deben cumplirse para provocar un reset al microcontrolador y su efecto sobre el mismo Conocer cu les son los elementos m nimos necesarios para la implementaci n de un sistema mediante un integrante de la familia MCS 51 Contenido LETEM S Si idos l 1 2 Arquitectura general de los microcontroladores 8051 8052 oooooccoccnnnncccccccnononononononnss 2 1 3 Patillaje de los microcontroladores 8051 52 cooooononnnncccnccnnnnnnnnnnnnononnononnnnnnnncnnnnnnnnnnnnnoos 3 1 4 Puente de alimentaci n aca 5 KSC rento o A o e a lA 7 1 6 Inicializaci n del microcontrolador ooooccccccnnnnnnnnnnnnnnonononononnnnnnnnonononono
7. a que el programa empiece a ejecutarse a partir de la primera instrucci n En otras ocasiones por ejemplo cuando el sistema se queda bloqueado es preciso proceder a su reinicio durante su funcionamiento Adem s de provocar la lectura de la primera instrucci n de la memoria el reset del microcontrolador inicializa el contenido de los registros internos del mismo con unos ciertos valores como se estudiar mas adelante El reset del microcontrolador no afecta al contenido de la memoria RAM excepto a la zona SFR donde se encuentran los registros internos Cuando el reset se produce tras aplicar la alimentaci n al sistema el contenido de la RAM es indeterminado 1 6 1 Concepto de ciclo m quina Para esta familia de microcontroladores un ciclo m quina o ciclo de m quina Figura 1 9 consiste en una secuencia de 6 estados S1 S6 cada uno de los cuales se compone a su vez de dos per odos de la se al de reloj denominados fases P1 y P2 Por tanto cada ciclo de m quina consta de un total de 12 periodos del oscilador 6 periodos x 2 fases As pues el tiempo que dura la ejecuci n de un ciclo m quina tcm depende de la frecuencia del oscilador y se calcula de la siguiente manera T 1 fosc gt tem 12 T SI S2 S3 S4 S5 S6 pr P2 le P2 pi P2 lps P2 e P2 lPi P2 UUHUUUUU UCTU UE CICLO MAQUINA Figura 1 9 Ciclo m quina en la familia MCS 51 1 6 2 Circuito de reset Para que se produzca la
8. direcci n En los accesos a la memoria de datos externa con direccionamiento de 8 bits estos pines act an como l neas de E S del Puerto 2 Durante la programaci n y verificaci n de la memoria EPROM interna a trav s de estos 8 pines se recibe la parte alta de la direcci n P3 0 P3 7 Puerto P3 Puerto quasibidireccional de 8 bits Las funciones alternativas de estos pines se muestra en la Tabla 1 3 ins ri alernatira T1 Entrada externa del timer 1 WR Habilitaci n de escritura para dispositivos externos RD Habilitaci n de lectura para dispositivos externos Tabla 1 3 Funciones alternativas del Puerto 3 ALE PROG ALE Address Latch Enable es un pulso que emite el microcontrolador para almacenar en un atch externo el byte bajo del bus de direcciones en los accesos a la memoria externa ALE se emite con una frecuencia igual a 1 6 de la frecuencia del reloj PROG es la patilla de entrada de pulsos de programaci n de la memoria EPROM interna Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 4 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 PSEN PSEN Program Store ENable es la se al de habilitaci n de lectura para la memoria de externa de programa La memoria externa tiene dos modalidades de programa y de datos Para diferenciarlas en los accesos a memoria de c digo se activa la se al PSEN en vez de la se al RD La se al PS
9. inicializaci n de un microcontrolador 8051 52 es necesario aplicar un nivel alto a su entrada RESET durante al menos dos ciclos m quina El circuito t picamente utilizado para la inicializaci n del microcontrolador 8051 52 se muestra en la Figura 1 10 La conexi n en serie del condensador y la resistencia produce un reset autom tico del microcontrolador al conectar la alimentaci n al sistema Por su parte el pulsador en paralelo con el condensador permite al usuario provocar la inicializaci n del microcontrolador en cualquier momento de forma manual VEC 220 10 uF Reset Figura 1 10 Circuito de reset autom tico manual para el 8051 52 Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 8 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 1 7 Sistema m nimo para un microcontrolador 8051 52 Teniendo en cuenta todo lo explicado en los apartados anteriores podemos deducir que el circuito m nimo a implementar para construir un sistema alrededor de un microcontrolador 8051 52 debe ser similar al mostrado en la Figura 1 11 5V 2 Reset 10 uF PS 330 PO P0 1 PD 2 P0 3 P0 4 8k2 g POS P0 6 PD 7 P1 0 T2 30pF 7 12 MHz P1 1 T2X F1 2 F1 3 P1 4 30 pF P15 F1 6 PE Interrupci n externa P2 0 e P2 1 gt gt P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 Figura 1 11 Sistema m nimo para el 8051 52 En dicho circuito no se ha
10. menclatura de los pines que aparecen en dichos encapsulados realizando una breve descripci n de las funciones desempe adas por los mismos Vcc Terminal positivo de la alimentaci n 5 voltios Vss Masa de la alimentaci n 0 voltios P0 0 P0 7 Puerto P0 Puerto bidireccional de 8 bits con salidas en colector abierto Adem s de actuar como l neas de E S a trav s de estos 8 pines se multiplexa en el tiempo la parte baja del bus de direcciones y el bus de datos durante los accesos a la memoria externa de programas y de datos El Puerto O tambi n recibe los bytes de c digo durante la programaci n de la memoria EPROM integrada y suministra los bytes de c digo durante la verificaci n de la memoria EPROM o ROM P1 0 P1 7 Puerto P1 Puerto quasibidireccional de 8 bits Recibe la parte baja de las direcciones durante la programaci n y verificaci n de la memoria EPROM interna Adem s solamente en el microcontrolador 8052 los bits P1 0 y P1 1 poseen otras funciones especiales que se indican en la Tabla 1 2 Pines Funci n alternativa T2 Entrada externa del timer 2 T2EX Entrada de captura e impulsos de recarga del timer 2 Tabla 1 2 Funciones alternativas del Puerto 1 P2 0 P2 7 Puerto P2 Puerto quasibidireccional de 8 bits En su funci n alternativa estas 8 l neas act an como parte alta del bus de direcciones en los accesos a memoria externa tanto de c digo como de datos cuando se utilizan 16 bits de
11. na RAM til para el usuario y 384 bytes en total considerando el SFR e 4 Kbytes de ROM 8051 o EPROM 8751 8 Kbytes para el 8X52 e Espacio de memoria de 64 Kbytes para programa externo e Espacio de memoria de 64K para datos externos e El 8051 contiene dos contadores temporizadores timers El 8052 presenta tres timers e Comunicaci n as ncrona full duplex e 5 fuentes de interrupci n con niveles de prioridad 6 para el 8052 o 2 interrupciones externas o 2 interrupciones de los timers 3 para el 8052 o l interrupci n de la comunicaci n serle e Oscilador interno En la Figura 1 2 se puede apreciar con mayor detalle la arquitectura de los microcontroladores 8051 52 Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 2 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 PR2 0 PQ 7 P2 B P2 7 DRIVERS l l DRIVERS PUERTO PUERTO 2 REGISTRO DEl DE PILA STACK POINTER CONTADOR AN E PROGRAMAR p ec de BUFFER REGISTROS DE TIMERS NTERRUPCIONES Y PUERTO SERIE PUERTO 5 e E 12337 P1 0 P1 7 P3 0 P3 REGISTRO DE INSTRUCCIONES DRIVERS PUERTO 1 k a a a a a A A A E E O O A E A A A A U Figura 1 2 Arquitectura detallada de los microcontroladores 8051 52 1 3 Patillaje de los microcontroladores 8051 52 Los microprocesadores de
12. nonnonnonononnnns 8 1601 Concepto de ciclo MAQUIAS ssereesnirinien a Ea A E EE E AN 8 LOZ as AAA T a a 8 1 7 Sistema m nimo para un microcontrolador 8051 52 cooononnnnnnnnnnnnnonononocncnnnnnnnnnnnnos 9 Material disponible Ca n para la proyecci n de diapositivas Pizarra Bibliograf a Introducci n a los microcontroladores Hardware software y aplicaciones Jos A Gonz lez V zquez McGraw Hill 1992 Cap tulos 3 y 4 Manual de usuario de la familia de microcontroladores MCS 51 de Intel Cap tulos 1 y Ze Dise o electr nico Circuitos y sistemas C J Savant Martin S Roden Gordon L Carpenter Addison Wesley Iberoamericana 1992 Cap tulo 1 Temporizaci n 1 5 horas de laboratorio Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 1 1 La familia MCS 51 La MCS 51 simplemente 51 es una familia de microcontroladores desarrollada por la empresa Intel El miembro original de dicha familia fue el microcontrolador 8051 que da nombre a la misma y cuya arquitectura sirvi de base para el desarrollo del resto de los dispositivos En la Tabla 1 1 se representan las principales caracter sticas de los miembros m s populares de esta familia Para m s informaci n se remite al lector al manual de usuario de la familia MCS 51 de Intel A SN DE EN Interrupci n EN EN DEN ES PD 8031AH
13. ower MCTEXXACT 2 MC78XXBT 40 to 125 C Figura 1 6 Serie MC78XX de reguladores monol ticos de Motorola TYPE NO VOLTAGE MC7805 5 0 Volts MC7815 15 Volts MC7806 6 0 Volts MC7818 18 Volts MC7808 8 0 Volts MC7824 24 Volts MC7812 12 Volts MOTOROLA INC 1983 DS9557R1 El condensador Ci combinado con la resistencia de entrada del regulador filtra la tensi n de salida del rectificador con objeto de que exista en todo momento una diferencia de al menos dos voltios entre la tensi n de entrada Vi y la de salida Vo del regulador El c lculo de su capacidad puede realizarse mediante la siguiente f rmula 5 V1 Vo ATFAV Y min lo max Ci Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 6 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 donde e Vi max es la tensi n de pico en el secundario del transformador menos 2 V e fesla frecuencia de la tensi n de la red 50 Hz e Vi min Vo 2 V e AV Vi max Vi min e O max es la intensidad de corriente m xima que deber suministrar la fuente El condensador Co se coloca para eliminar las componentes de alta frecuencia procedentes de la circuiter a de carga El valor aconsejado por los fabricantes es de 100 nF En el dise o de fuentes de alimentaci n con reguladores integrados debe tenerse en cuenta el poder de disipaci n de potencia de los reguladores La potencia m xima
14. pensation With adequate heatsinking they can deliver output currents in excess of 1 0 ampere Although designed primarily as a fixed voltage regu lator these devices can be used with external components to obtain adjustable voltages and currents K SUFFIX METAL PACKAGE O CASE 1 03 Output Current in Excess of 1 0 Ampere TO 204AA 1 2 p No External Components Required internal Thermal Overload Protection Internal Short Circuit Current Limiting o input Output Ground Output Transistor Safe Area Compensation Output Voltage Offered in 2 and 4 Tolerance Pins 1 and 2 electrically isolated from case Case EQUIVALENT SCHEMATIC DIAGRAM is third electrical connection YT SUFFIX PLASTIC PACKAGE CASE 221A TO 220AB j j P E i CWE Pin 1 imput TES l 2 Ground A f Heatsink 3 Output f surface connected to Pin 2 A common ground is required between the input and the output voltages The input volt age must remain typically 2 0 V above the out put voltage even during the low point on the input ripple voltage XX these two digits of the type number indi cate voltage Cin is required if regulator is located an appreciable distance from power supply ORDERING INFORMATION filter ta 3 4 i Output Voltage C o is not needed for stability however MC78XXK 4 55 to 150 C Metal Power MC78XXAK XX indicates nominal voltage 2 4 MC78XXCK 45 O to 125 C MC7BXXACK 2 MCT8XXCT 4 Plastic P
15. que pueden disipar estos dispositivos est en torno a los 2 W si bien estos valores pueden aumentarse colocando a los mismos un radiador de calor La potencia instant nea disipada puede calcularse mediante la f rmula P Vi Vo Io 1 5 Circuito de reloj Como todos los dispositivos digitales s ncronos los microprocesadores y microcontroladores necesitan de una se al peri dica para su funcionamiento denominada se al de reloj Los microcontroladores de la familia MCS 51 poseen un oscilador interno para la generaci n de la se al de reloj necesitando conectarle externamente s lo componentes pasivos tales como condensadores cristales de cuarzo etc En la Figura 1 7 se representa el circuito externo de reloj utilizado t picamente con los microcontroladores de esta familia 30 pF Figura 1 7 Circuiter a externa del oscilador de un 8051 Otra alternativa consiste en la conexi n de una se al de reloj externa al microcontrolador tal como se representa en la Figura 1 8 NC Se al de reloj externa Figura 1 8 Modo de conexi n de una se al externa de reloj al 8051 CHMOS Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 7 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 1 6 Inicializaci n del microcontrolador Cuando se conecta la alimentaci n al sistema es necesario que se produzca una inicializaci n o reset del microcontrolador par
16. woo Dallas Maxim Phillips Sharp Siemens etc que comercializan microcontroladores compatibles con la familia MCS 51 algunos de los cuales incorporan recursos o caracter sticas especiales tales Departamento de Ingenier a Electr nica De Sistemas Inform ticos y Autom tica 1 Procesadores de Prop sito General Curso 04 05 Introducci n a la familia MCS 51 como un mayor o menor n mero de l neas de E S memoria de programa tipo FLASH bus FC watchdog doble DPTR mayor n mero de niveles de prioridad en las interrupciones etc 1 2 Arquitectura general de los microcontroladores 8051 8052 El diagrama de bloques de la Figura 1 1 muestra la arquitectura general de los microcontroladores 8051 52 Direcciones Datos PO P2 Pl P3 ib T 8K ROM A ha A WAI a 8052 256 Bytes k ENTRADA SALIDA de RAM en l___n PARALELO de ROM el 8052 Bondarilealos S de BUS 4 8B Bits EAA E E CPU gt gt 14 Entradas osc gt Contador RAD TAD L Interrupciones externas Figura 1 1 Diagrama de bloques de los microcontroladores 8051 52 Las caracter sticas generales de estos dispositivos son las siguientes e CPU de 8 bits e Procesador booleano operaci n sobre bits individuales e 4 puertos de 8 bits e Para el 8051 128 bytes tiles para el usuario y 256 bytes incluyendo el rea de los registros especiales SFR Para el 8052 256 bytes de memoria inter
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