Microcontroladores Arduino a Fondo

Un microcontrolador es un integrado capaz de ser programado desde un ordenador y seguir la secuencia programada.

Como vimos anteriormente, Arduino es una plataforma para programar de forma sencilla algunos microcontroladores de la familia AVR de Atmel http://es.wikipedia.org/wiki/AVR y también microcontroladores Atmel ARM Cortex-M0+ o Intel http://www.intel.com/content/dam/support/us/en/documents/boardsandkits/curie/intel-curie-module-datasheet.pdf, y un hardware con ese MCU donde acceder físicamente a sus puertos.

Pero también Arduino y su entorno de programación se está convirtiendo en un estándar de facto para la programación de cualquier tipo de placas de desarrollo y prototipado, es decir, de otro tipo de microcontroladores no incluidos en los productos de Arduino. Gracias a la comunidad es posible programar otros microcontroladores de ST microelectronics o los ESP8266 y ESP32 de espressif http://espressif.com/ que podemos comprar con placas como la nodeMCU http://nodemcu.com/index_en.html o la bluepill http://wiki.stm32duino.com/index.php?title=Blue_Pill.

Puesto que Arduino es una plataforma open source disponemos de toda la documentación de los microcontroladores usados.

Por ejemplo, el microcontrolador de Arduino UNO es el ATmega328p y toda la documentación la tenemos en http://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328p. El data sheet completo es un documento de 442 páginas que podemos ver en http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf. Cuando necesitemos más información o cómo funciona este microcontrolador debemos ir a este documento.

Como muestra de la documentación que tenemos disponible:

  • Página 34 tenemos el detalle de cómo se distribuye la memoria en el ATmega328p
  • Página 97 tiene en detalle los puertos digitales I/O y página 100 donde da el código para definir un pines a high y low y también como input pullup.
  • Página 436 tenemos los 3 encapsulados posibles para este microcontrolador
  • Página 316 nos muestra que este microcontrolador tiene un sensor de temperatura integrado y que es posible habilitarlo para leer su temperatura.
  • Página 378 se pueden ver los consumos de Arduino y la dependencia entre la frecuencia máxima de reloj y el Vcc.
  • Página 428 hay un resumen de todos los registros del microcontrolador y su dirección de memoria.

Cuando el microcontrolador ejecuta una instrucción que definimos en el sketch, internamente hace muchas operaciones y cada una de esas operaciones se ejecuta en un ciclo de reloj. Para el ATmega 328p que tiene una frecuencia de 16 MHz, es decir, cada ciclo tarda 0,0000000625 segundos = 0,0625 microsegundos = 62,5 nanosegundos

Así se ejecutaría una instrucción, en cada ciclo de reloj se ejecuta cada subinstrucción.

La importancia de conocer el ciclo de ejecución de instrucciones en un microcontrolador estriba en que en ocasiones es necesario calcular de forma precisa el tiempo de ejecución de los bucles para actuar en tiempo real.

Cálculos de la velocidad de las operaciones en Arduino: http://forum.arduino.cc/index.php?topic=200585.0

El método para calcular estas tablas está en http://forum.arduino.cc/index.php?topic=200585.0

Diferencia entre los microcontroladores de 8 bits, 16, y 32 bits, es tamaño de palabra que manejan e influye en los registros y direccionamiento de memoria: http://es.wikipedia.org/wiki/Palabra_(inform%C3%A1tica)

Este mismo análisis hecho con el ATmega328P, podemos hacerlo con otros microcontroladores:

Dentro de los microcontroladores, la tendencia es a usar MCUs de 32 bits con arquitectura ARM. La arquitectura ARM es el conjunto de instrucciones de 32 y 64 bits más ampliamente utilizado en unidades producidas. Concebida originalmente por Acorn Computers para su uso en ordenadores personales, los primeros productos basados ​​en ARM eran los Acorn Archimedes, lanzados en 1987.

La relativa simplicidad de los procesadores ARM los hace ideales para aplicaciones de baja potencia. Como resultado, se han convertido en dominante en el mercado de la electrónica móvil e integrada, encarnados en microprocesadores y microcontroladores pequeños, de bajo consumo y relativamente bajo costo. En 2005, alrededor del 98% de los más de mil millones de teléfonos móviles vendidos utilizaban al menos un procesador ARM. Desde 2009, los procesadores ARM son aproximadamente el 90% de todos los procesadores RISC de 32 bits integrados.

La arquitectura ARM es licenciable. Esto significa que el negocio principal de ARM Holdings es la venta de núcleos IP, estas licencias se utilizan para crear microcontroladores y CPUs basados ​​en este núcleo. ARM Cortex M es un grupo de procesadores RISC de 32 bits licenciados por ARM Holdings. La web oficial es http://www.arm.com/products/processors/cortex-m. Además existen otras familias de ARM: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_ARM_microarchitectures

Más información:

Para saber más de microcontroladores, ver estos recursos:

AVR vs PIC:

Esquema lógico de Arduino

El funcionamiento interno de un microcontrolador se puede explicar con un diagrama de bloques o esquema lógico, donde se ven en cada bloque cada unidad interna del microcontrolador y cómo se comunica con el restos de unidades.

Arquitectura de microcontroladores: http://sistdig.wikidot.com/wiki:arquitectura

Diagrama de bloques simplificado de un microcontrolador. Se compone de tres bloques fundamentales: la CPU ( central Processing Unit), memoria (RAM y ROM) y las entrada y salidas. Los bloques se conectan entre sí mediante grupos de líneas eléctricas denominadas buses o pistas. Los buses pueden ser de direcciones (si transportan direcciones de memoria o entrada y salida), de datos (si transportan datos o instrucciones) o de control (si transportan señales de control diversas). La CPU es el cerebro central del microprocesador y actúa bajo control del programa almacenado en la memoria. La CPU se ocupa básicamente de traer las instrucciones del programa desde la memoria, interpretarlas y hacer que se ejecuten. La CPU también incluye los circuitos para realizar operaciones aritméticas y lógicas elementales con los datos binarios, en la denominada Unidad Aritmética y Lógica (ALU: Aritmetic and Logic Unit).

Diagramas de bloques de un microcontrolador PIC:

Diagrama de bloques de un microcontrolador AVR de Atmel, incluido el ATmega328p:

El sistema de reloj determina la velocidad de trabajo del microcontrolador. Con 16 MHZ se ejecuta una instrucción en 62,5 nanosegundos (1/16 Mhz), correspondiente a 1 ciclo de máquina. El microcontrolador tiene diferentes opciones de circuito de reloj tal como lo muestra la siguiente imagen:

En un registro interno del microcontrolador se encuentran 5 opciones diferentes de reloj que son seleccionadas por medio de un Multiplexor. De este multiplexor sale la señal de reloj, la cual pasa a través de un prescaler, este prescaler se puede utilizar para reducir la frecuencia, reducir el consumo de energía y mejorar la estabilidad de la señal de reloj.El factor del prescaler va de 1 a 256, en potencias de 2. En Arduino, por defecto está desactivado, por consiguiente trabaja a la frecuencia del oscilador externo.

La señal de reloj es distribuida por la unidad de control a los diferentes bloques existentes: la CPU, las memorias, los módulos de entrada/salida, los contadores/timers, el SPI y la USART, al igual que el conversor Análogo Digital ADC.

El microcontrolador ATmega328  tiene tres timers (timer 0, timer 1, timer 2) que también se pueden usar como contadores. Los timers 0 y 2 son de 8 bits y el timer 1 de 16. Estos timers tienen un módulo de preescalado para su propia señal de reloj que puede provenir de su sistema de reloj interno o por pines externos (modo contador).

Son módulos que funcionan en paralelo a la CPU y de forma independiente a ella. El funcionamiento básico consiste en aumentar el valor del registro del contador al ritmo que marca su señal de reloj.

Usando el reloj interno o un cristal externo puede ser utilizado para medir tiempos puesto que utiliza una señal periódica, precisa y de frecuencia conocida; mientras que si la señal viene de un pin externo puede contar eventos que se produzcan en el exterior y que se reflejen en cambios de nivel de tensión de los pines.

Estos contadores también forman parte del generador de señales PWM y permiten configurar tanto la frecuencia como el ciclo de trabajo.

Registros de memoria

Todos los microcontroladores tienen un conjunto de instrucciones que suele ser un conjunto pequeño al tratarse de arquitectura RISC. La CPU cuenta con ese número de instrucciones que sabe ejecutar.

El conjunto de instrucciones para los microcontroladores Atmel de 8 bits es: http://www.atmel.com/Images/Atmel-0856-AVR-Instruction-Set-Manual.pdf

En el caso del ATmega328p, tiene una arquitectura RISC con 131 instrucciones, la mayoría de ellas ejecutadas en un solo ciclo de reloj.

Más información sobre la ALU del Atmega328p en la página 25 de http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf  

Los registros son unas zonas concretas de la memoria RAM accesibles directamente desde la CPU o desde otros elementos del microcontrolador que permite hacer operaciones directamente y de forma más rápida.

Trabajar con registros de memoria puede ser difícil si sólo se escribe un programa en lenguaje ensamblador. Al utilizar el lenguaje de programación de alto nivel como es C basta con escribir el nombre del registro y su dirección de memoria, a partir de esa información, el compilador selecciona el registro necesario. Las instrucciones apropiadas para la selección del registro serán incorporadas en el código durante el proceso de la compilación.

Más información: https://en.wikipedia.org/wiki/Processor_register

La memoria RAM en el ATmega328p se divide en varias partes, todos los grupos de registros se ponen a cero al apagar la fuente de alimentación. La SRAM del 328p se distribuye de la siguiente forma:

Las primeras 32 localizaciones de la memoria son el fichero de registros (Register File). Las siguientes 64 localizaciones de memoria es la standard I/O memory y después las 160 siguientes localizaciones son la Extended I/O memory. Por último las siguientes 2K localizaciones son la memoria interna SRAM.

Las 5 diferentes modos de direccionamiento para los datos de memoria son:

  • Direct – The direct addressing reaches the entire data space.
  • Indirect with Displacement – The Indirect with Displacement mode reaches 63 address locations from the base address given by the Y- or Z-register.
  • Indirect – In the Register File, registers R26 to R31 feature the indirect addressing pointer registers.
  • Indirect with Pre-decrement – The address registers X, Y, and Z are decremented.
  • Indirect with Post-increment – The address registers X, Y, and Z are incremented.

Los 32 registros de propósito general, los 64 I/O Registers, los 160 Extended I/O Registers y los 2K bytes de SRAM interna en el dispositivo son todos accesibles mediante estos modos de direccionamiento.

Los registros de propósito general se utilizan para almacenar los datos temporales y los resultados creados durante el funcionamiento de la ALU. Los 32 General Purpose Working Registers están directamente conectados a la ALU, permitiendo ser accedidos dos registros de forma independiente en una sola instrucción ejecutada en un ciclo de reloj.

Seis de los 32 registros de propósito general pueden ser usados como 3 punteros de registros de 16-bit de acceso indirecto para direccionamiento del espacio de datos, habilitando cálculos eficientes de direcciones. Uno de estos punteros de dirección puede ser usado como un puntero de dirección para búsqueda en las memoria Flash del microcontrolador. Estos registros con funciones añadidas con los registros de 16-bit X-, Y- y Z-. Más información en la página 28 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Para más información ver página 35 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Los I/O registers localizados en las direcciones 0x20 a 0xFF, a diferencia de los registros de propósito general, su propósito es predeterminado durante el proceso de fabricación y no se pueden cambiar. Como los bits están conectados a los circuitos particulares en el chip (convertidor A/D, módulo de comunicación serial, etc), cualquier cambio de su contenido afecta directamente al funcionamiento del microcontrolador o de alguno de los circuitos. Esta es la forma en que a bajo nivel se interactúa por ejemplo con los pines del microcontrolador.

Un resumen de todos los registros I/O del ATmega328p se puede ver en la página 428 de http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Registros para:

Más información sobre registros y su uso en:

Práctica: Registros Arduino

Veamos algunos valores de los registros de Arduino con el sketch ShowInfo de http://playground.arduino.cc/Main/ShowInfo

Este sketch dispone de un menú que nos permite hacer varias operaciones, pulsar opción i (Show Information) y t (Timer Register Dump) para ver datos de los registros.

Este sketch es bastante complejo pero puede servir como plantilla cuando queramos acceder desde un sketch a un registro concreto.

Algunos detalles del sketch:

Solución Ejercicio 05: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio05-showInfo

Práctica: Temperatura Interna Microcontrolador

La mayoría de los nuevos chips AVR (utilizados en el Arduino) tiene un sensor de temperatura interno. No suele utilizarse, ya que no es exacta. Sin embargo, hay varias situaciones en las que se puede utilizar este sensor.

La temperatura interna es la temperatura dentro del chip, al igual que la temperatura de la CPU de un ordenador. Si el Arduino no está durmiendo, esta temperatura aumentará. Si los pines de salida se utilizan para dar corriente (por ejemplo encender leds) la temperatura interna aumenta más. Esta temperatura no puede usarse para medir la temperatura ambiente.

En situaciones con altas temperaturas una lectura de temperatura calibrada podría evitar daños. La mayoría de los chips AVR más recientes tienen un rango de temperatura de hasta 85 grados Celsius. Esta funcionalidad podría utilizarse para apagarse a 80 grados Celsius.

Más información: http://playground.arduino.cc/Main/InternalTemperatureSensor

Ejecutar el sketch leer y entender lo que hace y probarlo. Comparar con otros Arduinos y calibrar.

Ver en la página 306 y 316 de la documentación del microcontrolador: http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

La función GetTemp() es la que calcula la temperatura. Para ello configura la referencia interna del conversor analógico digital y lo habilita. Luego lee el dato del ADC mediante el registro ADCW y hace el cálculo para obtener la temperatura.

Como el offset puede variar de una MCU a otra, para calibrar, lo mejor es leer la temperatura de una placa fría y comparar con la temperatura exterior.

Solución Ejercicio 06: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio06-InternalTemperature

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Un pensamiento en “Microcontroladores Arduino a Fondo

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