Presentazione di PowerPoint

UNA INTRODUZIONE
AL MONDO DEI
MICROCONTROLLORI
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…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.
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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.
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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)
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Il µP contiene :
•
•
•
•
•
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)
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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
• ………
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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.
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9
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
33-50 MHz per i tipi più evoluti)
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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
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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 )
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Schema sintetico del PIC :
• Flash Program memory
• Program Counter
• Instruction Register
• RAM File Registers
• Address Mux
• ALU
• W register (accumulatore)
• I/O Ports
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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
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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
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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
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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.
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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
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Oscillatore a quarzo per il clock
L’oscillatore del PIC può
funzionare in quattro modi :
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 .
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La struttura interna e i registri del
PIC 16F84
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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)
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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.
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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.
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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.
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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)
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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 .
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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.
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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
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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.
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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.
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Demoboard ( 2 )
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
.
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DEMOBOARD (per un PIC16F877)
Contiene anche una breadboard per piccoli montaggi senza saldature
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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.......)
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