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Architettura dei

Microcontrollori

Microchip PIC18F

A. Romani

Elettronica dei Sistemi Digitali L-A

II Facoltà di Ingegneria

Università di Bologna

Cos’è un microcontrollore?

Differenza tra Microprocessore e Microcontrolloreà Microprocessore: normalmente si intende un

dispositivo limitato alla sola CPU, che richiede memoria, clock e componenti/periferiche esterni (maggior complessità di progetto)Es. Intel x86

à Microcontrollore: normalmente si intende un sistemaincluso in un unico package che comprende una CPU, memoria (RAM, ROM/Flash), periferiche digitali (registri I/O, timer, etc.) e analogiche (ADC, comparatori, etc.), oscillatori per generare il clock, etc.Es. Microchip PIC, Texas Instruments MSP430, etc.

MCU = Micro-Controller Unit



Architettura di un Microcontrollore Una MCU PIC contiene:

à datapath con ALU

à decoder per POCHEistruzioni.

à Oscillatori/PLL per la generazione del clock

à Registri generali (RAM)

à Registri con funzionispeciali (SFR)

à Interrupt Controller

à RAM per dati.

à FLASH per codice.

à Porte di I/O digitale.

à Altre periferiche Timer interno

AD Converter

USART (seriale)

SPI/I2C

PWM

EEPROM dati



Microcontrollori Microchip PIC18

Con pochissimi componenti esterni e poche righe di programma si può ottenere un SISTEMA COMPLETO FUNZIONANTE.

Facilità di lavoroà Semplice montaggio su scheda

à E’ tutto dentro (anche il clock!)

à Non serve progettare una MotherBoard!

Programmazione à Assembler con poche, semplici istruzioni

à Disponibili compilatori C, basic, …

Una volta programmato … VA!

Limiti nelle prestazionià c’e’ quello che c’è … (RAM e frequenza limitate)

à potenza di calcolo limitata



MCU Microchip

Diverse famiglie di Microcontrollori

à 8, 16, 32 bit

Ogni famiglia è composta da numerosi

componenti, distinti per:

à Memoria dati

à Memoria codice

à Periferiche

à Frequenza di

clock

à Consumi di

potenza



Famiglia PIC18

Caratteristiche:à Architettura a 8 bit

à Instruction word a 16 bit

à Architettura di memoria Harvard

Frequenza massima:à 32MHz – 64MHz (Internal PLL x4)

Memoria codice:à 4KB – 128KB

Costo: à 1.20$ - 8.44$

Data EEPROMà 0B – 1024B

Numero di pin:à 18 – 100 pin

Tensione di lavoro:à 1.8V – 5.5V



PIC18 Part numbering

Es.

PIC18F 87 20 – I/PT

memoria codice

flash1 = 18 pin

2 = 28 pin

4 = 40/44 pin

6 = 64 pin

8 = 80 pin

…

21 = 2K bytes

22 = 4K bytes

23 = 8K bytes

24 = 16K bytes

25 = 32K bytes

26 = 64K bytes

27 = 128K bytes

…

condizioni di

utilizzo

tipo di package



Architettura di memoria

I PIC18 includono 3 tipi di memoria:

à Memoria codice (max 128KB)

programma

dati permanenti (es. da ricopiare in RAM

durante l’esecuzione)

à Memoria dati RAM (max 3968B)

dati temporanei

à Memoria E2PROM (max 1024B)

dati permanenti

CPU

MemMem

Flash

Codice

bus

istruzioni

bus

dati

RAM

dati

perifericheperiferiche

EEPROMEEPROM



Architettura Data-path

Esecuzione

controllata da un

clock a 4 fasi

non sovrapposte

Struttura

della pipeline:

à A regime viene completata un’istruzione ogni 4 cicli di clock (eccetto branch).

Latenza 8 cicli di clock.

à MIPS = fCK(MHz)/4



PIC18 – Spazio di indirizzamento

RAM dati vista come insieme di registrià (GPR, General

Purpose Registers)

Le periferiche sono accessibili attraverso registri di controlloà detti Special Function

Register

à mappati alle locazioni alte dello spazio di indirizzamento (quindi omogenei alla RAM)

Indirizzamentoà a 12 bit

à A 8 bit + 4 bit per selezione banco



Programmazione C

E’ il modo più semplice per programmare un microcontrollore

I produttori forniscono Header files e Librerie per utilizzare il dispositivoà L’header file definisce tutti i tipi e strutture dati

necessarie alla programmazione,

à Definisce costanti simboliche per accedere ai registri di controllo delle periferiche

à Definisce costanti simboliche per i valori di configurazione dei registri di controllo

Es.à /* Esempio programma C */#include <p18f452.h>#include <adc.h>[…]



Registri di controllo Solitamente l’header file definisce nomi simbolici per i registri associandoli alla locazione di memoria

corrispondente

à es.

#define PORTA (*((volatile unsigned char *) (0xF60)))

à unsigned char: intero a 8 bit senza segno (0..255)

à volatile: keyword del linguaggio utilizzata per indicare al compilatore che la locazione di memoria può essere modificata anche da agenti esterni alla CPU (es. porta I/O in lettura da un pulsante esterno, o il valore di un timer, etc). Se non indicata il compilatore potrebbe fare “caching” sui registri interni e non “rileggere” dalla periferica il valore attuale.

à *: in C indica un puntatore, cioè un tipo di dato/variabile che contiene l’indirizzo di una locazione di memoria (che contiene un intero senza segno a 8 bit in queto caso)

à (tipo di dato): in C indica l’operazione di “casting”: cioè il valore o la variabile che seguono devono essere considerati dal compilatore come il tipo di dato entro parentesi. Es. 0xF60 da solo è un intero a 12 bit, ma con il casting (volatile unsigned char *) (0xF60) diventa un indirizzo di memoria a cui è contenuto un intero senza segno a 8 bit volatile.

à * in C indica anche l’operatore di “dereferenziazione”. Deve essere seguito da un puntatore. Es. *p = 12; scrive il valore 12 nella locazione di memoria contenuta nella variabile p, definita magari come int *p; (puntatore a intero). Quindi:

*( (volatile unsigned char *) (0xF60)) dereferenzia la locazione di memoria 0xF60 e quindi consente di leggere o scrivere a questo indirizzo, dove c’è la porta di I/O A:

à Es. *( (volatile unsigned char *) (0xF60)) = 12; // scrive 12 nel// registro PORTA

variabile1 = *( (volatile unsigned char *) (0xF60)); //copia il valore// del registor PORTA in variabile1

#define simbolo espressione implementa una “macro”: cioè una sostituzione testuale nel listato della parola “simbolo” con “espressione”

à Dunque per accedere alla locazione di memoria F60 dove c’è la porta dati A basta usare il simbolo PORTA invece della espressione corrispondente;Es. PORTA = 0b00001111; //scrive 4 zeri e 4 uni nella porta di uscita A



Programmazione C

Come deve essere impostato un programma per un microcontrollore?

Deve essere gestito come un LOOP INFINITOà Non c’è “uscita” o “ritorno” dal programma: A chi dovrebbe ritornare il

programma? E quando?

Es.à /* Esempio programma C */

#include <p18f452.h>#include <adc.h>

void main(void){

/* Inizializzazione datie periferiche */

[…]

/* Loop principale */while(1){[…]

}}

Ogni MCU ha il suo

header file, poiché

ha una diversa

architettura interna!

Esistono header file

anche per le

periferiche più

complesse



Esempio: Controllo di un semaforo pedonale

Esempio di schematico

Vdd

10kPGC

GND

PGD

VDD

MCLR

Vdd

5.6k

33pF

Vdd

1k 1k 1k

10k

100nF



Programmazione C

Es. Controllo di un semaforo.à Supponiamo luci verde, gialla, rossa e pulsante collegate come in slide precedente

#include <p18f452.h>#define VERDE PORTBbits.RB1#define GIALLO PORTBbits.RB2#define ROSSO PORTBbits.RB4#define PULSANTE PORTBbits.RB5

extern void delay_ms(unsigned int millisec);

void main(void){

/* Inizializzazione *)TRISB = 0b00100000; // porta B tutta in output tranne

//il bit 5

ROSSO = 0; GIALLO = 0; VERDE = 1;

while(1){

while (!PULSANTE) ; // il pulsante se premuto// manda a 1 il segnale// esterno ed esco dal loop

GIALLO = 1;delay_ms(2000);VERDE = 0; GIALLO = 0; ROSSO = 1;delay_ms(30000);ROSSO = 0; VERDE = 1;

}}

Indica che

l’oggetto è

definito in un

altro modulo (già

compilato) e che

verrà agganciato

nella fase di

linking quando

viene creato il file

binario

(“eseguibile”)



PIC18 - Periferiche

Porte I/O digitali:à Servono per

Generare segnali digitaliin uscita

Leggere segnali digitali iningresso

à Registri di uscita (PORTx)collegati: al bus dati come

periferiche (ogni reg. ha unsuo indirizzo nello spazio diindirizzamento)

ai pin del dispositivo in uscita

à Registro di controllo(TRISx) Collegato al bus dati come

periferica al suo spazio diindirizzamento

à Registro di ingresso LAT o I/O pin



PIC18 - Periferiche

Le porte di I/O sono

raggruppate in

registri a 8 bit,

accessibili

individualmente o

in parallelo

à PORTA, PORTB, …,

PORTE, etc.

PO

RT

B.R

B0

PO

RT

B.R

B1

PO

RT

B.R

B7

DA

TA

BU

SD

ATA

BU

S



Programmazione C – Porte I/O

Esempio:à /* PIC18F458 @ 10MHz */

#include <p18f458.h>

void MSDelay(unsigned int);

void main(void){

TRISB = 0x00; /* configura la porta B come 8 output */while(1) /* loop infinito */{

PORTB = 0b00000000;MSDelay(250);PORTB = 0b11111111;MSDelay(250);

}}

void MSDelay(unsigned int itime){

unsigned int i; unsigned char j;for (i=0;i<itime;i++)

for (j=0; j<165;j++); /* ritardo gestito contandole iterazioni comprese in1 ms. */

}



PIC18 – Convertitore A/D

Periferica che converte grandezze

analogiche (tensioni) in

numeri binari



PIC18 – Convertitore A/D

Risoluzione: 10 bit

4-28 canali analogici

Funzione ditrasferimento

Es.#define GODONE ADCON0bits.GO

#define ADON ADCON0bits.ADON

#define ADFM ADCON1bits.ADFM

void ADC_Init(void)

{

TRISA = 0b00000001; //1=input

ADCON1 = 0b00001110; //1=digital

//0=analog

ADFM=1; //10 bit

ADON=1;

}

int ADC_Convert(void)

{ GODONE=1; //faccio partire la

//conversione e

while(GODONE){} //aspetto che

//sia finita

return (ADRESH<<8)|ADRESL;

}



Scelta della frequenza di clock

Diverse modalità1. Quarzo esterno

(quando è richiestaprecisione ofrequenza elevate)

2. Generatore di ondaquadra esterno (es.quando lo stesso clockdeve arrivare a più dispositivi)

3. Oscillatore con RC esterno(semplice ed economico manon troppo preciso e stabile)

4. Oscillatore interno configurabile(non servono componenti esterni,ed è possibile solo un insieme limitato di frequenze)



Le interruzioni

Un meccanismo molto potente nella

programmazione dei microcontrollori è la

gestione delle interruzioni (interrupt)

à In risposta ad eventi esterni, il micro sospende

l’esecuzione del programma principale, esegue

apposite routine di servizio, e poi ritorna

all’esecuzione principale

à Es. Posso programmare una periferica Timer

(contatori) per generare un interrupt ogni secondo.

Il micro può ad es. avere un programma principale

in cui legge dati continuamente da un sensore con

l’ADC e, ogni secondo grazie all’interrupt,

aggiornare un display con l’indicazione dell’ora.



Gestione delle interruzioni Al RESET il micro esegue

l’istruzione contenuta alla locazione 0000H (detta reset vector)

Il RESET vector causa un salto all’entry point main 0020H, il programma inizia ad essere eseguito

Se durante l’esecuzione si verifica un interrupt a bassa priorità il micro automaticamente salta all’indirizzo 0018H ed esegue l’istruzione ivi contenuta

Un nuovo salto ci porta all’indirizzo 0040H dove risiede la procedura di gestione degli interrupt

Verificando i FLAG è possibile capire quale periferica ha fatto scattare l’interruzione, per poi eseguire la routine corrispondente

Terminata la routine di gestione il micro ritorna al punto del programma in cui era stato interrotto

memoria codiceindirizzo

0000H

0008H

0018H

0020H

GOTO 0020H reset vector

High priority

int. vector

Low priority

int. vector

GOTO 0040H

0040H

main program

start

GOTO 0040H

main:

inizializzazioni;

GIE=1;

while (1)

{ main loop; }

Check interrupt flag

if TMRIF==1

Routine_Timer;

if ADCIF==1;

Routine_ADC;



Gestione delle interruzioni Esempio#include <p18C452.h>

void main (void);

void InterruptHandlerHigh (void);

// Definisco l’high priority interrupt vector

#pragma code InterruptVectorHigh = 0x08

void InterruptVectorHigh (void)

{

_asm

goto InterruptHandlerHigh//jump to interrupt routine

_endasm

}

// Definisco la routine di servizio

#pragma code

#pragma interrupt InterruptHandlerHigh

void InterruptHandlerHigh ()

{

if (INTCONbits.TMR0IF)

{ //check for TMR0 overflow

INTCONbits.TMR0IF = 0; //clearint.flag

Flags.Bit.Timeout = 1; //indicate timeout

LATBbits.LATB0 = !LATBbits.LATB0;//toggle LED on RB0

}

}

union

{

struct

{

unsigned Timeout:1; //flag to indicate a TMR0 timeout

unsigned None:7;

} Bit;

unsigned char Byte;

} Flags;

//-------------------------------

// Main routine

Void main ()

{

// Inizializzazioni

Flags.Byte = 0;

INTCON = 0x20; //disable global and enable TMR0 interrupt

INTCON2 = 0x84; //TMR0 high priority

RCONbits.IPEN = 1; //enable prioritylevels

TMR0H = 0; //clear timer

TMR0L = 0; //clear timer

T0CON = 0x82; //set up timer0 -prescaler 1:8

INTCONbits.GIEH = 1; //enable interrupts

TRISB = 0;

while (1)

{

if (Flags.Bit.Timeout == 1)

{ //timeout?

Flags.Bit.Timeout = 0; //cleartimeout indicor

LATBbits.LATB7 = LATBbits.LATB0; //copy LED state from RB0 to RB7

}

}

}

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