microprocesadores y microcontroladores

295 Pages·2010·4.93 MB·Spanish

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería
Contenido didáctico del curso Microprocesadores y Microcontroladores

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA

309696 - MODULO DE MICROPROCESADORES & MICROCONTROLADORES
HECTOR URIEL VILLAMIL GONZALEZ
(Director Nacional)

MIGUEL PINTO APARICIO
Acreditador

CHIQUINQUIRA
Julio de 2009
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Contenido didáctico del curso Microprocesadores y Microcontroladores

INDICE DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... ix
UNIDAD 1.............................................................................................................. 10
CAPÍTULO 1: MICROPROCESADOR, PRINCIPIOS BASICOS ....................... 11
Lección 1: Invención y evolución histórica del Microprocesador. ................... 11
lección 2: Bases numéricas, bits y bytes. ....................................................... 22
lección 3: Estructura interna y funcionamiento. .............................................. 27
lección 4: Registros y segmentos. .................................................................. 39
lección 5: Modos de direccionamiento. .......................................................... 40
CAPÍTULO 2: FAMILIAS DE MICROPROCESADORES................................... 43
lección 1: Principales familias de microprocesadores. ................................... 43
lección 2: Microprocesadores de 8 bits. ......................................................... 57
lección 3: Microprocesadores de 16 bits. ....................................................... 69
lección 4: Microprocesadores de 32 bits. ....................................................... 73
lección 5: Microprocesadores de 64 bits. ....................................................... 88
CAPÍTULO 3: ENSAMBLADOR (ASSEMBLER) ............................................... 92
lección 1: Fundamentos de programación. .................................................... 92
lección 2: Diagrama de flujo o bloques. ......................................................... 98
lección 3: Programación con debug y assembler. ........................................ 103
lección 4: Instrucciones básicas en assembler. ........................................... 111
lección 5: Ejemplos de aplicación. ............................................................... 119
ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD ............................... 126
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 127
UNIDAD 2: MICROCONTROLADORES ............................................................. 128
CAPÍTULO 4: INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES ............. 129
lección 1: Generalidades de los microcontroladores. ................................... 129
lección 2: Sistemas microcontrolados. ......................................................... 135
lección 3: Diferencias entre sistemas basados en microprocesadores y
microcontroladores. ...................................................................................... 139
lección 4: Arquitectura interna. ..................................................................... 144
lección 5: Familias de microcontroladores. .................................................. 151
CAPÍTULO 5 .................................................................................................... 164
MICROCONTROLADORES DE 8 BITS PIC16F84 y PIC16F877 ................... 164
lección 1: Microcontroladores pic. ................................................................ 164
lección 2: Modos de direccionamiento y diagrama de pines. ....................... 166
lección 3: Arquitectura, funcionamiento y set de instrucciones. ................... 170
lección 4: Puertos i/o y principales módulos en los pic. ............................... 185
lección 5: Herramientas de desarrollo y ejercicios básicos. ......................... 194
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CAPÍTULO 6: MICROCONTROLADORES DE 8 BITS MOTOROLA
FREESCALE MC68H(R)C908/JL3/JK3/JK1 .................................................... 202
lección 1: Familias de microcontroladores motorola freescale. .................... 202
lección 2: Modos de direccionamiento y diagrama de pines. ....................... 204
Funciones y diagrama de pines ................................................................... 205
lección 3: Arquitectura, funcionamiento y set de instrucciones. ................... 206
lección 4: Puertos I/O y principales módulos en los microcontroladores
motorola freescale. ....................................................................................... 212
lección 5: Herramientas de desarrollo y ejercicios básicos. ......................... 226
ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD ............................... 230
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 232
UNIDAD 3:........................................................................................................... 233
CAPITULO 7: PROGRAMACION EN LOS MICROPROCESADORES Y
MICROCONTROLADORES ............................................................................ 234
lección 1: Conceptos básicos de programación en microcontroladores. ...... 234
lección 2: Ensamblador en los microcontroladores. ..................................... 236
lección 3: Modos de direccionamiento. ........................................................ 239
lección 4: Programación en microcontroladores. ......................................... 241
lección 5: Ejercicios de programación en mplab. ......................................... 243
CAPITULO 8: PRIMEROS PASOS EN LA PROGRAMACION DE PICs ......... 249
lección 1: Introducción e implementación de circuitos. ................................ 249
lección 2: Subrutinas y llamados. ................................................................. 254
lección 3: Ramificaciones en los programas con pic. ................................... 256
lección 4: Consultas de tablas. ..................................................................... 259
lección 5: Operación de entrada/salida. ....................................................... 260
CAPITULO 9: PROYECTOS DE APLICACION ............................................... 263
lección 1: Manejo de display 7 segmentos. .................................................. 263
lección 2: Exploración de teclado. ................................................................ 265
lección 3: Interfaz pic – display lcd. .............................................................. 268
lección 4: Servicio de interrupción. ............................................................... 272
lección 5: Comunicación serial. .................................................................... 275
ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD ............................... 279
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 281
SOFTWARE LIBRE ............................................................................................. 282
RECURSOS AUDIOVISUALES .......................................................................... 283
GLOSARIO DE TÉRMINOS .......................................................................... 284
FUENTES DOCUMENTALES ............................................................................. 294
DOCUMENTOS IMPRESOS ....................................................................... 294
DIRECCIONES DE SITIOS WEB ................................................................ 295

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LISTADO DE TABLAS

Tabla 1. Evolución en el tiempo de las instrucciones por segundo. ...................... 21
Tabla 2. Conversión y códigos ............................................................................. 25
Tabla 3. Representación con signo en la ALU ...................................................... 33
Tabla 4. Generaciones Spark ................................................................................ 45
Tabla 5. Intel 8080 descripción de pines ............................................................... 59
Tabla 6. Descripción general de pines .................................................................. 60
Tabla 7. Intel 8085 Descripción de pines .............................................................. 62
Tabla 8. Señales de control del 8085 .................................................................... 63
Tabla 9. Bit en registro señalizador del 8085 ........................................................ 72
Tabla 10. Bit en registro señalizador del 80386 .................................................... 79
Tabla 11. Código maquina ................................................................................... 94
Tabla 12. Código maquina y nemotécnico ........................................................... 95
Tabla 13. Microcontroladores vs Microprocesadores .......................................... 135
Tabla 14. Instrucciones y assembler ................................................................... 149
Tabla 15. Familia Motorola .................................................................................. 152
Tabla 16. Gamma Enana PIC ............................................................................. 156
Tabla 17. Gamma Baja PIC................................................................................. 157
Tabla 18. Gamma Media PIC .............................................................................. 158
Tabla 19. Gamma Alta PIC.................................................................................. 160
Tabla 20. PIC Estándar y Extendido .................................................................. 164
Tabla 21. Descripción de pines PIC16F84 .......................................................... 167
Tabla 22. Descripción de pines PIC16F877 ........................................................ 168
Tabla 23. Variación de la familia MC68H(R)C908/JL3/JK3/JK1 ......................... 202
Tabla 24. Instrucciones Motorola Freescale ....................................................... 217
Tabla 25. Archivos generados por ensamblador ................................................ 237
Tabla 26. Pines y funciones LCD ....................................................................... 269

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LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS

Figura 1. Ábaco romano, Reconstrucción hecha por el RGZ Museum en Mainz,
1977. El original es de bronce y está en manos de la Biblioteca Nacional de
Francia, en Paris ................................................................................................... 12
Figura 2. Los “Naiper Bones” ................................................................................ 12
Figura 3. Los “Slide-rule” o regla de calculo ......................................................... 13
Figura 4. Pascalina ................................................................................................ 13
Figura 5. La réplica de la máquina diferencial del Museo de Ciencias de Londres 14
Figura 6. Relevo o relay ........................................................................................ 15
Figura 7. Z3 (1941) ................................................................................................ 15
Figura 8. ENIAC (1946) ......................................................................................... 16
Figura 9. Transistor (1948) .................................................................................... 17
Figura 10. Circuito Integrado (1958) ...................................................................... 17
Figura 11. Circuito Integrado (1958) ...................................................................... 18
Figura 12. IBM PC (1981) ..................................................................................... 18
Figura 13. Conversión decimal-binario .................................................................. 23
Figura 14. Tabla de Conversión ............................................................................ 24
Figura 15. Sistema de cómputo ............................................................................. 27
Figura 16. Unidades Básicas de un MP ................................................................ 30
Figura 17. Pasos en la ejecución de una instrucción ............................................ 30
Figura 18. Interconexión de la ALU ....................................................................... 32
Figura 19. Unidad de Control ................................................................................ 38
Figura 20. I/O en la Unidad de Control .................................................................. 38
Figura 21. Motorola 6800 ...................................................................................... 44
Figura 22. Sun Ultra EparcII .................................................................................. 45
Figura 23. Contrucción y Power PC 601 .............................................................. 46
Figura 24. AMD K6 ................................................................................................ 47
Figura 25. Cyrix 6x86 ............................................................................................ 49
Figura 26. Cyrix MII ............................................................................................... 50
Figura 27. Intel Pentium ........................................................................................ 53
Figura 28. Intel Pentium II ..................................................................................... 54
Figura 29. Intel Pentium III .................................................................................... 54
Figura 30. Intel 8080 pines .................................................................................... 58
Figura 31. Intel 8085 ............................................................................................. 61
Figura 32. Arquitectura Intel 8080 ......................................................................... 64
Figura 33. Arquitectura Intel 8085 ......................................................................... 65
Figura 34. Set instrucciones 8085 ......................................................................... 68
Figura 35. 80286 ................................................................................................... 69
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Figura 36. Pines del 80286.................................................................................... 70
Figura 37. Arquitectura del 80286 ......................................................................... 71
Figura 38. Intel 80386 ........................................................................................... 73
Figura 39. Pines del 80386.................................................................................... 75
Figura 40. Arquitectura del 80386 ......................................................................... 78
Figura 41. Fases de realización de un programa .................................................. 96
Figura 42. Fases de realización de un programa ................................................ 100
Figura 43. Símbolos más comunes para diagramas de flujo .............................. 101
Figura 44. Diagrama de flujo para mostrar u ocultar un archivo. ......................... 103
Figura 45. Entrando a Debugger ......................................................................... 107
Figura 46. Ejecutar un programa con Debugger ................................................. 108
Figura 47. Desensamblar un programa con Debugger ....................................... 108
Figura 48. Comando “Trace” o de rastreo de ejecución en Debugger ................ 109
Figura 49. Procedimiento que guarda un programa desde Debugger ................. 110
Figura 50. Procedimiento para cargar un programa desde Debugger ................ 110
Figura 51. Como multiplicar................................................................................. 115
Figura 52. Desplazamiento de bits con instrucción “SHL”. .................................. 117
Figura 53. Ejemplo de iteración utilizando la instrucción “LOOP” ........................ 120
Figura 54. Iteración con “DEC BX” y condición de salto “JNZ” ............................ 121
Figura 55. Iteración utilizando el contador “CX” y el salto condicional “JCXZ” .... 122
Figura 56. Uso de las Interrupciones ................................................................... 123
Figura 57. Uso de la interrupción 21H de DOS ................................................... 124
Figura 58. Programa que permite ocultar o mostrar un archivo. ......................... 124
Figura 59. Interfaz del programa anterior, ventana DOS. .................................... 125
Figura 60. Estructura de microcontrolador .......................................................... 131
Figura 61. Microchip 32 bits ................................................................................ 132
Figura 62. Motorola 16, 32 bits ............................................................................ 132
Figura 63. AVR-Atmel 32 bits .............................................................................. 132
Figura 64. Sistema general microcontrolador ...................................................... 136
Figura 65. Arquitectura Von Neumann ................................................................ 145
Figura 66. Arquitectura Harvard .......................................................................... 146
Figura 67. Oscilador con Cristal de cuarzo.......................................................... 149
Figura 68. Microcontrolador Motorola Freescale ................................................. 153
Figura 69. HC08 .................................................................................................. 154
Figura 70. PIC gamma baja o enana PIC12Cxxx ................................................ 155
Figura 71. PIC gamma media PIC16Cxx ............................................................ 156
Figura 72. PIC gamma alta PIC17CXX ............................................................... 158
Figura 73. Familia MSC51 ................................................................................... 161
Figura 74. Arquitectura interna MSC51 ............................................................... 162
Figura 75. Familia ATMEL ................................................................................... 163
Figura 76. Diferencia entre direccionamiento directo e indirecto ......................... 166
Figura 77. PIC16F84A ......................................................................................... 167
Figura 78. PIC16F877/874 .................................................................................. 168
Figura 79. Arquitectura del PIC16F84 ................................................................. 170
Figura 80. Arquitectura del PICF877 ................................................................... 171
Figura 81. Organización de la memoria .............................................................. 172
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Figura 82.Organizacion de la memoria de programa .......................................... 173
Figura 83. Organización de la memoria de datos ................................................ 174
Figura 84.Cambio de bancos .............................................................................. 175
Figura 85. Timer0 ................................................................................................ 187
Figura 86. Timer0 PIC16F877 ............................................................................. 191
Figura 87. Timer1 PIC16F877A ........................................................................... 192
Figura 88. Conversión Análoga - Digital .............................................................. 193
Figura 89. JL3,JK3 y JK1 .................................................................................... 205
Figura 90. Configuración de pines ....................................................................... 206
Figura 91. Arquitectura ........................................................................................ 208
Figura 92. Bloque de memoria ............................................................................ 209
Figura 93. Memoria en los Motorola Freescale, Fuente ..................................... 210
Figura 94. Símbolos de resistencias, Condensadores, bobinas Diodos e
interruptores ........................................................................................................ 252
Figura 95. Símbolos de instrumentación, dispositivos activos, transistores,
tiristores y electrónica Digital ............................................................................... 253
Figura 96. Símbolos de transformadores y otros de uso común. ........................ 254
Figura 97. Tres posibilidades para una pregunta ................................................ 256
Figura 98. Temporizador ..................................................................................... 258
Figura 99. Hardware para ejercicio Entrada/Salida ............................................. 261
Figura 100. Diagrama eléctrico para visualización dinámica en display 7
segmentos de dos dígitos.................................................................................... 263
Figura 101. Hardware correspondiente al experimento de exploración de teclado
............................................................................................................................ 265
Figura 102. Distribución del teclado, numeración en filas y columnas y la fórmula
para hallar la tecla oprimida ................................................................................ 266
Figura 103. Disposición típica de pines en dispositivos síncronos (a) I2C, (b) SPI
............................................................................................................................ 275
Figura 104.Bits de START y STOP del protocolo I2C .......................................... 276
Figura 105. Temporización en el bus I2C ............................................................ 276
Figura 106. Entrada de datos a dispositivo SPI................................................... 277
Figura 107. Salida de datos de dispositivo SPI ................................................... 277
Figura 108. Mapa de tiempos .............................................................................. 278

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El modulo en su versión 2004 fue diseñado por el Ingeniero Ing. Freddy
Reinaldo Téllez Acuña, docente de la UNAD. El Ingeniero Freddy Reinaldo es
Ingeniero Electricista y Magister en Potencia Eléctrica.
El presente módulo es un nuevo diseño enfocado en lograr un aprendizaje
practico en la programación de microprocesadores y microcontroladores
incorporando en su contenido algunos apartes significativos del anterior modulo y
muchos temas nuevos entre ellos los referentes a microcontroladores Motorola
Freescale y ejemplos de aplicación práctica en lenguaje assembler para
Debugger, programación básica de HC08 y programación básica y avanzada con
microcontroladores PIC. Este modulo ha sido desarrollado en Julio de 2009 por el
Ing. Héctor Uriel Villamil González. URIEL VILLAMIL, se ha desempeñado como
tutor de la UNAD en el CEAD de CHIQUINQUIRA, desde el año 2007 y se
desempeña actualmente como director de curso a nivel nacional.
Este mismo año el Ing. MIGUEL PINTO APARICIO, tutor del CEAD
Bucaramanga, apoyó el proceso de revisión de estilo del módulo y dio aportes
disciplinares, didácticos y pedagógicos en el proceso de acreditación de material
didáctico desarrollado en el mes de JULIO de 2009.

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INTRODUCCIÓN

Los microprocesadores y microcontroladores representan la maravilla del
desarrollo de la tecnología electrónica en más de medio siglo, los aparatos que los
incorporan han cambiado la forma de trabajar e investigar de la humanidad, en la
historia ninguna herramienta creada por el hombre, tenía la capacidad de crear
otras y acelerar su evolución, en la actualidad muchos instrumentos,
electrodomésticos y en general cualquier dispositivo electrónico utiliza alguno de
estos dos componentes para optimizar su funcionamiento.

Los nuevos dispositivos traen consigo nuevas tecnologías aplicadas tanto a la
electrónica del hardware como al desarrollo del software que lo controla, se
relacionan entonces varios componentes que parten del microprocesador, tal es el
caso del microcontrolador, que también es objeto de estudio de este curso. No
solo encontramos microprocesadores y microcontroladores, también existen
evoluciones de estos aplicados a situaciones particulares en la industria y
consumo, tal es el caso de los DSP (Procesadores Digitales de Señales) y PLC
(Controladores Lógicos Programables).

Las aplicaciones de control, medición, instrumentación, entretenimiento y
consumo, son las promotoras y fuente del creciente mercado tanto de
microprocesadores como de microcontroladores. El panorama es alentador por la
expectativa de nuevos productos, donde las aplicaciones están limitadas por el
ingenio y la imaginación de los programadores.

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UNIDAD 1

Nombre de la Unidad MICROPROCESADORES
Introducción En esta unidad se presenta el microprocesador como
dispositivo que ha definido la revolución tecnología de los
últimos años. Con el desarrollo de cada lección se
encamina al estudiante por la evolución histórica de este
dispositivo, pasando por su estructura, arquitectura,
unidades funcionales, sistemas numéricos, para llegar a
tomar como puntos de referencia algunos dispositivos
particulares categorizados en su arquitectura desde los 8
bits hasta los 64 bits. Finalmente, se toca el tema de la
programación con assembler y algunos ejemplos para
aplicados buscando el desarrollo de habilidades.
Justificación La temática expuesta es de gran importancia en las áreas
de ingeniería electrónica y afines como sistemas,
telecomunicaciones, industrial, audio entre otras, es de
notar que los microprocesadores hacen parte de toda la
tecnología empleada y como profesionales de las áreas
mencionadas es conveniente profundizar en su estudio,
aplicación y programación.
Intencionalidades Con esta Unidad se pretende que el estudiante conozca
Formativas en profundidad los microprocesadores, su construcción,
arquitectura, evolución, aplicaciones y programación.
Denominación de Capitulo 1: Microprocesador, principios básicos.
capítulos
Capitulo 2: Familias de microprocesadores.
Capitulo 3: Ensamblador (Assembler).

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