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Book: PIC Microcontrollers - Programming in C TOC Capitulo 1 Capitulo 2 Capitulo 3 Capitulo 4 Apéndice A
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Capitulo 1: El mundo de los microcontroladores La situación actual en el campo de los microcontroladores se ha producido gracias al desarrollo de la tecnología de fabricación de los circuitos integrados. Este desarrollo ha permitido construir las centenas de miles de transistores en un chip. Esto fue una condición previa para la fabricación de un microprocesador. Las primeras microcomputadoras se fabricaron al añadirles periféricos externos, tales como memoria, líneas de entrada/salida, temporizadores u otros. El incremento posterior de la densidad de integración permitió crear un circuito integrado que contenía tanto al procesador como periféricos. Así es cómo fue desarrollada la primera microcomputadora en un solo chip, denominada más tarde microcontrolador.
1.1 Introducción 1.2 NÚMEROS, NÚMEROS, NÚMEROS... 1.3 DETALLES IMPORTANTES 1.4 MICROCONTROLADORES PIC
1.1 INTRODUCCIÓN Los principiantes en electrónica creen que un microcontrolador es igual a un microprocesador. Esto no es cierto. Difieren uno del otro en muchos sentidos. La primera y la más importante diferencia es su funcionalidad. Para utilizar al microprocesador en una aplicación real, se debe de conectar con componentes tales como memoria o componentes buses de transmisión de datos. Aunque el microprocesador se considera una máquina de computación poderosa, no está preparado para la comunicación con los dispositivos periféricos que se le conectan. Para que el microprocesador se comunique con algún periférico, se deben utilizar los circuitos especiales. Así era en el principio y esta práctica sigue vigente en la actualidad.
The EasyPIC6 is a full-featured development system for PIC microcontrollers. It comes with the PIC16F887 microcontroller. The system includes a USB 2.0 programmer with mikroICD and many peripheral modules such as COG, port expander, MENU and 4x4 keypads etc. [more info]
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Por otro lado, al microcontrolador se le diseña de tal manera que tenga todas las componentes integradas en el mismo chip. No necesita de otros componentes especializados para su aplicación, porque todos los circuitos necesarios, que de otra manera correspondan a los periféricos, ya se encuentran incorporados. Así se ahorra tiempo y espacio necesario para construir un dispositivo.
¿QUE PUEDEN HACER LOS MICROCONTROLADORES? Para entender con más facilidad las razones del éxito tan grande de los microcontroladores, vamos a prestar atención al siguiente ejemplo. Hace unos 10 años, diseñar un dispositivo electrónico de control de un ascensor de un edificio de varios pisos era muy difícil, incluso para un equipo de expertos. ¿Ha pensado alguna vez en qué requisitos debe cumplir un simple ascensor? ¿Cómo lidiar con la situación cuando dos o más personas llaman al ascensor al mismo tiempo? ¿Cuál llamada tiene la prioridad? ¿Cómo solucionar las cuestiones de seguridad, de pérdida de electricidad, de fallos, de uso indebido? Lo que sucede después de resolver estos problemas básicos es un proceso meticuloso de diseñar los dispositivos adecuados utilizando un gran número de los chips especializados. Este proceso puede tardar semanas o meses,
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dependiendo de la complejidad del dispositivo. Cuando haya terminado el proceso, llega la hora de diseñar una placa de circuito impreso y de montar el dispositivo.¡Un dispositivo enorme! Es otro trabajo difícil y tardado. Por último, cuando todo está terminado y probado Related Links: Products adecuadamente, pasamos al momento crucial y es cuando uno se concentra, respira profundamente y enciende la fuente de alimentación. Forums Distributors Esto suele ser el punto en el que la fiesta se convierte en un verdadero trabajo puesto que los dispositivos electrónicos casi nunca funcionan
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apropiadamente desde el inicio. Prepárese para muchas noches sin dormir, correcciones, mejoras... y no se olvide de que todavía estamos hablando de cómo poner en marcha un simple ascensor.
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Cuando el dispositivo finalmente empiece a funcionar perfectamente y todo el mundo esté satisfecho, y le paguen por el trabajo que ha hecho, muchas compañías de desarrollo estarán interesadas en su trabajo. Por supuesto, si tiene suerte, cada día le traerá una oferta de trabajo de un nuevo inversionista. Sin embargo, si lo requieren para trabajar en el control de los elevadores de un nuevo edificio que tiene cuatro pisos más de los que ya maneja su sistema de control. ¿Sabe cómo proceder? ¿Cree acaso que se pueden controlar las demandas de sus clientes? Pensamos que usted va a construir un dispositivo universal que se puede utilizar en los edificios de 4 a 40 pisos, una obra maestra de electrónica. Bueno, incluso si usted consigue construir una joya electrónica, su inversionista le esperarará delante de la puerta pidiendo una cámara en el ascensor o una música relajante en caso de fallo de ascensor. O un ascensor con dos puertas.
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De todos modos, la ley de Murphy es inexorable y sin duda usted no podrá tomar ventaja a pesar de todos los esfuerzos que ha hecho. Por desgracia, todo lo que se ha dicho hasta ahora sucede en la realidad. Esto es lo que “dedicarse a la ingeniería electrónica” realmente significa. Es así como se hacían las cosas hasta aparición de los microcontroladores diseñados - pequeños, potentes y baratos. Desde ese momento su programación dejó de ser una ciencia, y todo tomó otra dirección ... El dispositivo electrónico capaz de controlar un pequeño submarino, una grúa o un ascensor como el anteriormente mencionado, ahora está incorporado en un sólo chip. Los microcontroladores ofrecen una amplia gama de aplicaciones y sólo algunas se exploran normalmente. Le toca a usted decidir qué quiere que haga el microcontrolador y cargar un programa en él con las instrucciones apropiadas. Antes de encender el dispositivo es recomendable verificar su funcionamiento con ayuda de un simulador. Si todo funciona como es debido, incorpore el microcontrolador en el sistema. Si alguna vez necesita cambiar, mejorar o actualizar el programa, hágalo. ¿Hasta cuándo? Hasta quedar satisfecho. Eso puede realizarse sin ningún problema.
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Sabía usted que todas las personas pueden ser clasificadas en uno de 10 grupos, en los que están familiarizados con el sistema de numeración binario y en los que no están familiarizados con él. Si no entendió lo anterior significa que todavía pertenece al segundo grupo. Si desea cambiar su estado, lea el siguiente texto que describe brevemente algunos de los conceptos básicos utilizados más tarde en este libro (sólo para estar seguro de que estamos hablando en los mismos términos).
1.2 NÚMEROS, NÚMEROS, NÚMEROS... ¡La matemática es una gran ciencia! Todo es tan lógico y simple... El universo de los números se puede describir con sólo diez dígitos. No obstante, ¿realmente tiene que ser así? ¿Necesitamos exactamente esos 10 dígitos? Por supuesto que no, es sólo cuestión del hábito. Acuérdese de las lecciones de la escuela. Por ejemplo, ¿qué significa el número 764? Cuatro unidades, seis decenas y siete centenas. ¡Muy simple! ¿Se podría expresar de una forma más desarrollada? Por supuesto que sí: 4 + 60 + 700. ¿Aún más desarrollado? Sí: 4*1 + 6*10 + 7*100. ¿Podría este número parecer un poco más “científico”? La respuesta es sí otra vez: 4*100 + 6*101 + 7*102. ¿Qué significa esto realmente? ¿Por qué utilizamos exactamente estos números 100, 101 y 102 ? ¿Por qué es siempre el número 10? Es porque utilizamos 10
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dígitos diferentes (0, 1, 2...8, 9). En otras palabras, es porque utilizamos el sistema de numeración en base 10, es decir el sistema de numeración decimal.
SISTEMA DE NUMERACIÓN BINARIO ¿Qué pasaría si utilizáramos sólo dos números 0 y 1? Si sólo pudiéramos afirmar (1) o negar (0) que algo existe. La respuesta es “nada especial”, seguiríamos utilizando los mismos números de la misma manera que utilizamos hoy en día, no obstante ellos parecerían un poco diferentes. Por ejemplo: 11011010.¿Cuántas son realmente 11011010 páginas de un libro? Para entenderlo, siga la misma lógica como en el ejemplo anterior, pero en el orden invertido. Tenga en cuenta que se trata de aritmética con sólo dos dígitos 0 y 1, es decir, del sistema de numeración en base 2 (sistema de numeración binario).
Evidentemente, se trata del mismo número representado en dos sistemas de numeración diferentes. La única diferencia entre estas dos representaciones yace en el número de dígitos necesarios para escribir un número. Un dígito (2) se utiliza para escribir el número 2 en el sistema decimal, mientras que dos dígitos (1 y 0) se utilizan para escribir aquel número en el sistema binario. ¿Ahora está de acuerdo que hay 10 grupos de gente? ¡Bienvenido al mundo de la aritmética binaria! ¿Tiene alguna idea de dónde se utiliza? Excepto en las condiciones de laboratorio estrictamente controladas, los circuitos electrónicos más complicados no pueden especificar con exactitud la diferencia entre dos magnitudes (dos valores de voltaje, por ejemplo), si son demasiado pequeños (más pequeños que unos pocos voltios). La razón son los ruidos eléctricos y fenómenos que se presentan dentro de lo que llamamos “entorno de trabajo real” (algunos ejemplos de estos fenómenos son los cambios imprevisibles de la tensión de alimentación, cambios de temperatura, tolerancia a los valores de los componentes etc...). Imagínese una computadora que opera sobre números decimales al tratarlos de la siguiente manera: 0=0V, 1=5V, 2=10V, 3=15V, 4=20V... 9=45V!? ¿Alguien dijo baterías? Una solución mucho más fácil es una lógica binaria donde 0 indica la ausencia de voltaje, mientras que 1 indica la presencia de voltaje. Simplemente, es fácil de escribir 0 o 1 en vez de “no hay voltaje” o “ hay voltaje”. Mediante el cero lógico (0) y uno lógico (1) la electrónica se enfrenta perfectamente y realiza con facilidad todas las operaciones aritméticas. Evidentemente, se trata de electrónica que en realidad aplica aritmética en la que todos los números son representados con sólo dos dígitos y donde sólo es importante saber si hay voltaje o no. Por
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supuesto, estamos hablando de electrónica digital.
SISTEMA DE NUMERACIÓN HEXADECIMAL En el principio del desarrollo de las computadoras era evidente que a la gente le costaba mucho trabajar con números binarios. Por eso, se estableció un nuevo sistema de numeración, que utilizaba 16 símbolos diferentes. Es llamado el sistema de numeración hexadecimal. Este sistema está compuesto de 10 dígitos a los que estamos acostumbrados (0, 1, 2, 3,... 9) y de seis letras del alfabeto A, B, C, D, E y F. ¿Cuál es el propósito de esta combinación aparentemente extraña? Basta con mirar cómo todo en la historia de los números binarios encaja perfectamente para lograr una mejor comprensión del tema.
El mayor número que puede ser representado con 4 dígitos binarios es el número 1111. Corresponde al número 15 en el sistema decimal. En el sistema hexadecimal ese número se representa con sólo un dígito F. Es el mayor número de un dígito en el sistema hexadecimal. ¿Se da cuenta de la gran utilidad de estas equivalencias? El mayor número escrito con ocho dígitos binarios es a la vez el mayor número de dos dígitos en el sistema hexadecimal. Tenga en cuenta que una computadora utiliza números binarios de 8 dígitos. ¿Acaso se trata de una casualidad?
CÓDIGO BCD El código BCD (Binary-Coded Decimal - Código binario decimal) es un código binario utilizado para representar a los números decimales. Se utiliza para que los circuitos electrónicos puedan comunicarse con los periféricos utilizando el sistema de numeración decimal o bien utilizando el sistema binario dentro de “su propio mundo”. Consiste en números binarios de 4 dígitos que representan los primeros diez dígitos (0, 1, 2, 3...8, 9). Aunque cuatro dígitos pueden hacer 16 combinaciones posibles en total, el código BCD normalmente utiliza a las primeras diez.
CONVERSIÓN DE SISTEMAS DE NÚMERACIÓN El sistema de numeración binario es el que utilizan los microcontroladores, el sistema decimal es el que nos resulta más comprensible, mientras que el sistema hexadecimal presenta un balance entre los dos. Por eso, es muy importante aprender cómo convertir los números de un sistema de numeración a otro, por ejemplo, cómo convertir una serie de ceros y unos a una forma de representación comprensible para nosotros.
CONVERSIÓN DE NÚMEROS BINARIOS A DECIMALES Los dígitos en un número binario tienen ponderaciones diferentes lo que depende de sus posiciones dentro del número que están representando. Además, cada dígito puede ser 1 o 0, y su ponderación se puede determinar con facilidad al contar su posición empezando por la derecha. Para hacer una conversión de un número binario a decimal es necesario multiplicar las ponderaciones con los dígitos correspondientes (0 o 1) y sumar todos los resultados. La magia de la conversión de un número binario a decimal funciona de maravilla... ¿Tiene duda? Veamos el siguiente ejemplo:
Cabe destacar que es necesario utilizar sólo dos dígitos binarios para representar a todos los números decimales de 0 a 3. Por consiguiente, para representar los números de 0 a 7 es necesario utilizar tres dígitos binarios, para representar los números de 0 a 15 - cuatro dígitos etc. Dicho de manera sencilla, el mayor número binario que se puede representar utilizando n dígitos se obtiene al elevar la base 2 a la potencia n. Luego, al resultado se le resta 1. Por ejemplo, si n=4: 24 - 1 = 16 - 1 = 15 Por consiguiente, al utilizar 4 dígitos binarios, es posible representar los números decimales de 0 a 15, que son 16 valores diferentes en total.
CONVERSIÓN DE NÚMEROS HEXADECIMALES A DECIMALES Para realizar una conversión de un número hexadecimal a decimal, cada dígito hexadecimal debe ser multiplicado con el número 16 elevado al valor de su posición. Por ejemplo:
CONVERSIÓN DE NÚMEROS HEXADECIMALES A BINARIOS
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No es necesario realizar ningún cálculo para convertir un número hexadecimal a binario. Los dígitos hexadecimales se reemplazan simplemente por los cuatro dígitos binarios apropiados. Ya que el dígito hexadecimal máximo es equivalente al número decimal 15, es necesario utilizar cuatro dígitos binarios para representar un dígito hexadecimal. Por ejemplo:
MARCAR LOS NÚMEROS El sistema de numeración hexadecimal, junto con los sistemas binario y decimal, se consideran los más importantes para nosotros. Es fácil realizar una conversión de cualquier número hexadecimal a binario, además es fácil de recordarlo. Sin obstante, estas conversiones pueden provocar una confusión. Por ejemplo, ¿qué significa en realidad la sentencia: “Es necesario contar 110 productos en una cadena de montaje”? Dependiendo del sistema en cuestión (binario, decimal o hexadecimal), el resultado podría ser 6, 110 o 272 productos, respectivamente. Por consiguiente, para evitar equivocaciones, diferentes prefijos y sufijos se añaden directamente a los números. El prefijo $ o 0x así como el sufijo h marca los números en el sistema hexadecimal. Por ejemplo, el número hexadecimal 10AF se puede escribir así: $10AF, 0x10AF o 10AFh. De manera similar, los números binarios normalmente obtienen el sufijo % o 0B. Si un número no tiene ni sufijo ni prefijo se considera decimal. Desafortunadamente, esta forma de marcar los números no es estandarizada, por consiguiente depende de la aplicación concreta. La siguiente es tabla comparativa que contiene los valores de números 0-255 representados en tres sistemas de numeración diferentes. Esto es probablemente la manera más fácil de entender lógica común aplicada a todos los sistemas de numeración.
NÚMEROS NEGATIVOS Como ya hemos visto, para escribir un número negativo en matemáticas, basta con añadirle el prefijo “-” (signo menos). Sin embargo, en la programación, al acabarse el proceso de la compilación, se quedan sólo los números binarios, volviéndose las cosas más complicadas. Se utilizan sólo dos dígitos - 0 y 1, mientras que todos los demás números, símbolos y signos se forman por medio de las combinaciones de estos dos dígitos. En el caso de los números negativos, la solución es la siguiente: En los números negativos, el bit más significativo (el bit del extremo izquierdo) representa el signo del número (donde 0 será positivo y 1 negativo). En el caso de un número de 8 bits, para representar un valor numérico sólo quedan 7 bits. De acuerdo a este tipo de codificación el número +127 es el mayor número positivo con signo que se puede representar con 8 bits. Asimismo, hay cero (0) positivo y negativo (refiérase a la tabla de la derecha). La siguiente pregunta sería: ¿Cómo es posible saber de qué número se trata? Por ejemplo, si ponemos el número 10000001, ¿es -1 o 129? No se preocupe, de eso se encarga el compilador. Ésta es la razón por la que se declaran variables al escribir el programa. Bueno, de eso vamos a hablar a continuación.
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BIT La teoría dice que un bit es la unidad básica de información...Vamos a olvidarlo por un momento y demostrar qué es eso en la práctica. La respuesta es - nada especial- un bit es un sólo dígito binario. Similar a un sistema de numeración decimal en el que los dígitos de un número no tienen la misma ponderación (por ejemplo, los dígitos en el número 444 son los mismos pero tienen los valores diferentes), el “significado” de un bit depende de la posición que tiene en número binario. En este caso no tiene sentido hablar de unidades, centenas etc. en los números binarios, sus dígitos se denominan el bit cero (el primer bit a la derecha), el primer bit (el segundo bit a la derecha) etc. Además, ya que el sistema binario utiliza solamente dos dígitos (0 y 1), el valor de un bit puede ser 0 o 1. No se confunda si se encuentra con un bit que tiene el valor 4, 16 o 64. Son los valores representados en el sistema decimal. Simplemente, nos hemos acostumbrado tanto a utilizar los números decimales que estas expresiones llegaron a ser comunes. Sería correcto decir por ejemplo, “el valor del sexto bit en cualquier número binario equivale al número decimal 64”. Pero todos somos humanos y los viejos hábitos mueren difícilmente. Además, ¿cómo le suena “número uno-uno-cero-uno-cero...”?
BYTE Un byte consiste en 8 bits colocados uno junto al otro. Si un bit es un dígito, es lógico que los bytes representen los números. Todas las operaciones matemáticas se pueden realizar por medio de ellos, como por medio de los números decimales comunes. Similar a los dígitos de cualquier número, los dígitos de un byte no tienen el mismo significado. El bit del extremo izquierdo tiene la mayor ponderación, por eso es denominado el bit más significativo (MSB). El bit del extremo derecho tiene la menor ponderación, por eso es denominado el bit menos significativo (LSB). Puesto que los 8 dígitos de un byte se pueden combinar de 256 maneras diferentes, el mayor número decimal que se puede representar con un byte es 255 (una combinación representa un cero). Un nibble o un cuarteto representa una mitad de byte. Dependiendo de la mitad del número en cuestión (izquierda o derecha), se les denomina nibbles “altos” o “bajos”, respectivamente.
Usted seguramente ha pensado alguna vez en cómo es la electrónica dentro de un circuito integrado digital, un microcontrolador o un microprocesador. ¿Cómo son los circuitos que realizan las operaciones matemáticas complicadas y toman decisiones? ¿Sabía que sus esquemas, aparentemente complicadas consisten en sólo unos pocos elementos diferentes, denominados circuitos lógicos o compuertas lógicas?
1.3 DETALLES IMPORTANTES El funcionamiento de estos elementos es basado en los principios establecidos por el matemático británico George Boole en la mitad del siglo 19 - es decir, ¡antes de la invención de la primera bombilla! En breve, la idea principal era de expresar las formas lógicas por medio de las funciones algebraicas. Tal idea pronto se transformó en un producto práctico que se convirtió más tarde en lo que hoy en día conocemos como circuitos lógicos Y (AND), O (OR) o NO (NOT). El principio de su funcionamiento es conocido como algebra de Boole.
CIRCUITOS LÓGICOS Algunas instrucciones de programa utilizadas por un microcontrolador funcionan de la misma manera que las compuertas lógicas, pero en forma de comandos. A continuación vamos a explicar el principio de su funcionamiento.
COMPUERTA Y (AND) Una compuerta lógica “Y” dispone de dos o más entradas y de una salida. En este caso la compuerta utilizada dispone de sólo dos entradas. Un uno lógico (1) aparecerá en su salida sólo en caso de que ambas entradas (A Y B) sean llevadas a alto (1). La tabla a la derecha es la tabla de verdad que muestra la relación entre las entradas y salidas de la compuerta. El principio de funcionamiento es el mismo cuando la
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compuerta disponga de más de dos entradas: la salida proporciona un uno lógico (1) sólo si todas las entradas son llevadas a alto (1).
Cualquier otra combinación de voltajes de entrada proporcionará un cero lógico (0) en su salida. Utilizada en el programa, la operación Y lógico es realizada por una instrucción de programa, de la que vamos a hablar más tarde. Por ahora basta con conocer que Y lógico en un programa se refiere a la realización de este tipo de operación sobre los bits correspondientes de dos registros diferentes.
COMPUERTA O (OR) De manera similar, la compuerta O también dispone de dos o más entradas y de una salida. Si la compuerta dispone de sólo dos entradas, es aplicable lo siguiente: la salida proporciona un uno lógico (1) si una u otra entrada (A o B) es llevada a alto (1). En caso de que la compuerta O disponga de más de dos entradas, es aplicable lo siguiente: La salida proporciona un uno lógico (1) si por lo menos una entrada es llevada a alto (1). Si todas las entradas están a cero lógico (0), la salida estará a cero lógico (0) también. En un programa, la operación O lógico se realiza de la misma manera que la operación Y.
COMPUERTA NO (NOT) La compuerta lógica NO dispone de una sola entrada y una sola salida, por lo que funciona muy simplemente. Cuando un cero lógico (0) aparezca en su entrada, la salida proporciona un uno lógico (1) y viceversa. Esto significa que esta compuerta invierte las señales por sí mismas y por eso es denominada inversor.
En el programa la operación lógica NO se realiza sobre un byte. El resultado es un byte con los bits invertidos. Si los bits de un byte se consideran número, el valor invertido es un complemento a ese número. El complemento de un número es el valor que se añade al número hasta llegar al mayor número binario de 8 dígitos. En otras palabras, la suma de un dígito de 8 números y de su complemento es siempre 255.
COMPUERTA XOR (O EXCLUSIVA) La compuerta XOR (O EXCLUSIVA) es un poco complicada en comparación con las demás. Representa una combinación de todas las compuertas anteriormente descritas. La salida proporciona un uno lógico (1) sólo si sus entradas están en estados lógicos diferentes.
En el programa, esta operación se utiliza con frecuencia para comparar dos bytes. La resta
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se puede utilizar con el mismo propósito (si el resultado es 0, los bytes son iguales). A diferencia de la resta, la ventaja de esta operación lógica es que no es posible obtener los resultados negativos.
REGISTROS Un registro o una celda de memoria es un circuito electrónico que puede memorizar el estado de un byte.
REGISTROS SFR A diferencia de los registros que no tienen ninguna función especial y predeterminada, cada microcontrolador dispone de un número de registros de funciones especiales (SFR), con la función predeterminada por el fabricante. Sus bits están conectados a los circuitos internos del microcontrolador tales como temporizadores, convertidores A/D, osciladores entre otros, lo que significa que directamente manejan el funcionamiento de estos circuitos, o sea del microcontrolador. Imagínese ocho interruptores que manejan el funcionamiento de un circuito pequeño dentro del microcontrolador. Los registros SFR hacen exactamente lo mismo. En otras palabras, el estado de los bits de registros se fija dentro de programa, los registros SFR dirigen los pequeños circuitos dentro del microcontrolador, estos circuitos se conectan por los pines del microcontrolador a un dispositivo periférico utilizado para... Bueno, depende de usted.
PUERTOS DE ENTRADA/SALIDA (E/S) Para hacer útil un microcontrolador, hay que conectarlo a un dispositivo externo, o sea, a un periférico. Cada microcontrolador tiene uno o más registros (denominados puertos) conectados a los pines en el microcontrolador. ¿Por qué se denominan como puertos de entrada/salida? Porque usted puede cambiar la función de cada pin como quiera. Por ejemplo, usted desea que su dispositivo encienda y apague los tres señales LEDs y que simultáneamente monitoree el estado lógico de 5 sensores o botones de presión. Uno de los puertos debe estar configurado de tal manera que haya tres salidas (conectadas a los LEDs) y cinco entradas (conectadas a los sensores). Eso se realiza simplemente por medio de software, lo que significa que la función de algún pin puede ser cambiada durante el funcionamiento.
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Una de las características más importantes de los pines de entrada/salida (E/S) es la corriente máxima que pueden entregar/recibir. En la mayoría de los microcontroladores la corriente obtenida de un pin es suficiente para activar un LED u otro dispositivo de baja corriente (10-20mA). Mientras más pines de E/S haya, más baja es la corriente máxima de un pin. En otras palabras, todos los puertos de E/S comparten la corriente máxima declarada en la hoja de especificación técnica del microprocesador. Otra característica importante de los pines es que pueden disponer de los resistores pull-up. Estos resistores conectan los pines al polo positivo del voltaje de la fuente de alimentación y su efecto se puede ver al configurar el pin como una entrada conectada a un interruptor mecánico o a un botón de presión. Las últimas versiones de los microcontroladores tienen las resistencias pull-up configurables por software. Cada puerto de E/S normalmente está bajo el control de un registro SFR especializado, lo que significa que cada bit de ese registro determina el estado del pin correspondiente en el el microcontrolador. Por ejemplo, al escribir un uno lógico (1) a un bit del registro de control (SFR), el pin apropiado del puerto se configura automáticamente como salida. Eso significa que el voltaje llevado a ese pin se puede leer como 0 o 1 lógico. En caso contrario, al escribir 0 al registro SFR, el pin apropiado del puerto se configura como salida. Su voltaje (0V o 5V) corresponde al estado del bit apropiado del registro del puerto.
UNIDAD DE MEMORIA La unidad de memoria es una parte del microcontrolador utilizada para almacenar los datos. La manera más fácil de explicarlo es compararlo con un armario grande con muchos cajones. Si marcamos los cajones claramente, será fácil acceder a cualquiera de sus contenidos al leer la etiqueta en la parte delantera del cajón. De manera similar, cada dirección de memoria corresponde a una localidad de memoria. El contenido de cualquier localidad se puede leer y se le puede acceder al direccionarla. La memoria se puede escribir en la localidad o leer. Hay varios tipos de memoria dentro del microcontrolador:
MEMORIA ROM (READ ONLY MEMORY) - MEMORIA DE SÓLO LECTURA La memoria ROM se utiliza para guardar permanentemente el programa que se está ejecutando. El tamaño de programa que se puede escribir depende del tamaño de esta memoria. Los microcontroladores actuales normalmente utilizan el direccionamiento de 16 bits, que significa que son capaces de direccionar hasta 64 Kb de memoria, o sea 65535 localidades. Por ejemplo, si usted es principiante, su programa excederá pocas veces el límite de varios cientos de instrucciones. Hay varios tipos de memoria ROM.
Rom de máscara (enmascarada) - MROM La ROM enmascarada es un tipo de ROM cuyo contenido es programado por el fabricante. El término “de máscara” viene del proceso de fabricación, donde las partes del chip se plasman en las mascaras utilizadas durante el proceso de fotolitografía. En caso de fabricación de grandes series, el precio es muy bajo. Olvide la idea de modificarla...
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OTP ROM (One Time Programmable ROM) - ROM programable una sola vez La memoria programable una sola vez permite descargar un programa en el chip, pero como dice su nombre, una sola vez. Si se detecta un error después de descargarlo, lo único que se puede hacer es descargar el programa correcto en otro chip.
UV EPROM (UV Erasable Programmable ROM) - ROM programable borrable por rayos ultravioleta El encapsulado de este microcontrolador tiene una “ventana” reconocible en la parte alta. Eso permite exponer la superficie del chip de silicio a la luz de ultravioleta y borrar el programa completamente en varios minutos. Luego es posible descargar un nuevo programa en él. La instalación de esta ventana es complicada, lo que por supuesto afecta al precio. Desde nuestro punto de vista, desgraciadamente, de manera negativa...
Memoria Flash Este tipo de memoria se inventó en los años 80 en los laboratorios de la compañía INTEL, como forma desarrollada de la memoria UV EPROM. Ya que es posible escribir y borrar el contenido de esta memoria prácticamente un número ilimitado de veces, los microcontroladores con memoria Flash son perfectos para estudiar, experimentar y para la fabricación en pequeña escala. Por la gran popularidad de esta memoria, la mayoría de los microconroladores se fabrican con tecnología flash hoy en día. Si usted va a comprar un microcontrolador, ¡éste es en definitiva la opción perfecta!
MEMORIA RAM (RANDOM ACCESS MEMORY) - MEMORIA DE ACCESO ALEATORIO Al apagar la fuente de alimentación, se pierde el contenido de la memoria RAM. Se utiliza para almacenar temporalmente los datos y los resultados inmediatos creados y utilizados durante el funcionamiento del microcontrolador. Por ejemplo, si el programa ejecuta la adición (de cualquier cosa) es necesario tener un registro que representa lo que se llama “suma” en vida cotidiana. Con tal propósito, uno de los registros de la RAM es denominado “suma” y se utiliza para almacenar los resultados de la adición.
MEMORIA EEPROM (ELECTRICALLY ERASABLE PROGRAMMABLE ROM) - ROM PROGRAMABLE Y BORRABLE ELÉCTRICAMENTE El contenido de la EEPROM se puede cambiar durante el funcionamiento (similar a la RAM), pero se queda permanentemente guardado después de la pérdida de la fuente de alimentación (similar a la ROM). Por lo tanto, la EEPROM se utiliza con frecuencia para almacenar los valores creados durante el funcionamiento, que tienen que estar permanentemente guardados. Por ejemplo, si usted ha diseñado una llave electrónica o un alarma, sería estupendo permitir al usuario crear e introducir una contraseña por su cuenta. Por supuesto, la nueva contraseña tiene que estar guardada al apagar la fuente de alimentación. En tal caso una solución perfecta es el microcontrolador con una EEPROM embebida.
INTERRUPCIÓN La mayoría de programas utilizan interrupciones durante ejecución de programa regular. El propósito del microcontrolador generalmente consiste en reaccionar a los cambios en su entorno. En otras palabras, cuando ocurre algo, el microcontrolador reacciona de alguna manera... Por ejemplo, al apretar el botón del mando a distancia, el microcontrolador lo registra y responde al comando cambiando de canal, subiendo o bajando el volumen etc. Si el microcontrolador pasará la mayoría del tiempo comprobando varios botones sin parar - las horas, los días, esto no sería nada práctico. Por lo tanto, el microcontrolador “aprendió un truco” durante su evolución. En vez de seguir comprobando algún pin o bit, el microconrolador deja su “trabajo de esperar” a un “experto” que reaccionará sólo en caso de que suceda algo digno de atención. La señal que informa al procesador central acerca de tal acontecimiento se denomina INTERRUPCIÓN.
UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO (CENTRAL PROCESSOR UNIT - CPU) Como indica su nombre, esto es una unidad que controla todos los procesos dentro del microcontrolador. Consiste en varias unidades más pequeñas, de las que las más importantes son:
Decodificador de instrucciones es la parte que descodifica las instrucciones del programa y acciona otros circuitos basándose en esto. El “conjunto de instrucciones” que es diferente para cada familia de microcontrolador expresa las capacidades de este circuito; Unidad lógica aritmética (Arithmetical Logical Unit - ALU) realiza todas las operaciones matemáticas y lógicas sobre datos; y Acumulador o registro de trabajo. Es un registro SFR estrechamente relacionado con el funcionamiento de la ALU. Es utilizado para almacenar todos los datos sobre los que se debe realizar alguna operación (sumar, mover). También almacena los resultados preparados para el procesamiento futuro. Uno de los registros SFR, denominado Registro Status (PSW), está estrechamente relacionado con el acumulador. Muestra el “estado” de un número almacenado en el acumulador (el número es mayor o menor que cero etc.) en cualquier instante dado.
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BUS El bus está formado por 8, 16 o más cables. Hay dos tipos de buses: el bus de direcciones y el bus de datos. El bus de direcciones consiste en tantas líneas como sean necesarias para direccionar la memoria. Se utiliza para transmitir la dirección de la CPU a la memoria. El bus de datos es tan ancho como los datos, en este caso es de 8 bits o líneas de ancho. Se utiliza para conectar todos los circuitos dentro del microcontrolador.
COMUNICACIÓN EN SERIE La conexión paralela entre el microcontrolador y los periféricos a través de los puertos de entrada/salida es una solución perfecta para las distancias cortas - hasta varios metros. No obstante, en otros casos cuando es necesario establecer comunicación entre dos dispositivos a largas distancias no es posible utilizar la conexión paralela. En vez de eso, se utiliza la conexión en serie. Hoy en día, la mayoría de los microcontroladores llevan incorporados varios sistemas diferentes para la comunicación en serie, como un equipo estándar. Cuál de estos sistemas se utilizará en un caso concreto, depende de muchos factores, de los que más importantes son:
¿Con cuántos dispositivos el microcontrolador tiene que intercambiar los datos? ¿Cuál es la velocidad del intercambio de datos obligatoria? ¿Cuál es la distancia entre los dispositivos? ¿Es necesario transmitir y recibir los datos simultáneamente?
Una de las cosas más importantes en cuanto a la comunicación en serie es el Protocolo que debe ser estrictamente observado. Es un conjunto de reglas que se aplican obligatoriamente para que los dispositivos puedan interpretar correctamente los datos que intercambian mutuamente. Afortunadamente, los microcontroladores se encargan de eso automáticamente, así que el trabajo de programador/usuario es reducido a la escritura y lectura de datos.
VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN SERIAL La velocidad de transmisión serial (baud rate) es el término utilizado para denotar el número de bits transmitidos por segundo [bps]. ¡Fíjese que este término se refiere a bits, y no a bytes! El protocolo normalmente requiere que cada byte se transmita junto con varios bits de control. Eso quiere decir que un byte en un flujo de datos serial puede consistir en 11 bits. Por ejemplo, si velocidad de transmisión serial es 300 bps un máximo de 37 y un mínimo de 27 bytes se pueden transmitir por segundo. Los sistemas de comunicación serial más utilizados son:
I2C (INTER INTEGRATED CIRCUIT) - CIRCUITO INTER-INTEGRADO Circuito inter-integrado es un sistema para el intercambio de datos serial entre los microcontroladores y los circuitos integrados especializados de generación. Se utiliza cuando la distancia entre ellos es corta (el receptor y el transmisor están normalmente en la misma placa de circuito impreso). La conexión se establece por medio de dos líneas - una se utiliza para transmitir los datos, mientras que la otra se utiliza para la sincronización (la señal de reloj). Como se muestra en la figura, un dispositivo es siempre el principal (master - maestro), el que realiza el
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direccionamiento de un chip subordinado (slave - esclavo) antes de que se inicie la comunicación. De esta manera un microcontrolador puede comunicarse con 112 dispositivos diferentes. La velocidad de transmisión serial es normalmente 100 Kb/seg (el modo estándar) o 10 Kb/seg (modo de velocidad de transmisión baja). Recientemente han aparecido los sistemas con la velocidad de transmisión serial 3.4 Mb/sec. La distancia entre los dispositivos que se comunican por el bus I2C está limitada a unos metros.
SPI (SERIAL PERIPHERAL INTERFACE BUS) - BUS SERIAL DE INTERFAZ DE PERIFÉRICOS Un bus serial de interfaz de periféricos es un sistema para la comunicación serial que utiliza hasta cuatro líneas (normalmente solo son necesarias tres) - para recibir los datos, para transmitir los datos, para sincronizar y (opcional) para seleccionar el dispositivo con el que se comunica. Esto es la conexión full duplex, lo que significa que los datos se envían y se reciben simultáneamente. La velocidad de transmisión máxima es mayor que en el sistema de conexión I2C.
UART (UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTER) - TRANSMISOR-RECEPTOR ASÍNCRONO UNIVERSAL Este tipo de conexión es asíncrona, lo que significa que no se utiliza una línea especial para transmitir la señal de reloj. En algunas aplicaciones este rasgo es crucial (por ejemplo, en mandar datos a distancia por RF o por luz infrarroja). Puesto que se utiliza sólo una línea de comunicación, tanto el receptor como el transmisor reciben y envían los datos a velocidad misma que ha sido predefinida para mantener la sincronización necesaria. Esto es una manera simple de transmitir datos puesto que básicamente representa una conversión de datos de 8 bits de paralelo a serial. La velocidad de transmisión no es alta, es hasta 1 Mbit/sec.
OSCILADOR Los pulsos uniformes generados por el oscilador permiten el funcionamiento armónico y síncrono de todos los circuitos del microcontrolador. El oscilador se configura normalmente de tal manera que utilice un cristal de cuarzo o resonador cerámico para estabilización de frecuencia. Además, puede funcionar como un circuito autónomo (como oscilador RC). Es importante decir que las instrucciones del programa no se ejecutan a la velocidad impuesta por el mismo oscilador sino varias veces más despacio. Eso ocurre porque cada instrucción se ejecuta en varios ciclos del oscilador. En algunos microcontroladores se necesita el mismo número de ciclos para ejecutar todas las instrucciones, mientras que en otros el tiempo de ejecución no es el mismo para todas las instrucciones. Por consiguiente, si el sistema utiliza el cristal de cuarzo con una frecuencia de 20 MHZ, el tiempo de ejecución de una instrucción de programa no es 50 nS, sino 200, 400 o 800 nS dependiendo del tipo del microcontrolador.
CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN Hay que mencionar dos cosas dignas de atención con relación al circuito de la fuente de alimentación de microcontroladores:
Brown out es un estado potencialmente peligroso que ocurre al apagar el microcontrolador o en caso de que el voltaje de la fuente de alimentación salga de unos márgenes debido al ruido eléctrico. Como el microcontrolador dispone de varios circuitos que funcionan a niveles de voltaje diferentes, ese estado puede causar un comportamiento descontrolado. Para evitarlo, el microcontrolador normalmente tiene un circuito incorporado para el brown out reset. El circuito reinicia inmediatamente el microcontrolador si el voltaje de alimentación cae por debajo del límite. El pin de reset (reinicio), marcado frecuentemente con MCLR (Master Clear Reset), sirve para el reinicio externo del microcontrolador al aplicar un cero (0) o un uno (1) lógico dependiendo del tipo del microcontrolador. En caso de que el circuito brown out no esté incorporado, un simple circuito externo para el brown out reset se puede conectar al pin MCLR.
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TEMPORIZADORES/CONTADORES El oscilador del microcontrolador utiliza cristal de cuarzo para su funcionamiento. Aunque no se trata de la solución más simple, hay muchas razones para utilizarlo. La frecuencia del oscilador es definida con precisión y muy estable, así que siempre genera los pulsos del mismo ancho, lo que los hace perfectos para medición de tiempo. Tales osciladores se utilizan en los relojes de cuarzo. Si es necesario medir el tiempo transcurrido entre dos eventos, basta con contar los pulsos generados por este oscilador. Esto es exactamente lo que hace el temporizador.
La mayoría de los programas utiliza estos cronómetros electrónicos en miniatura. Generalmente son registros SFR de 8 o 16 bits cuyo contenido se aumenta automáticamente con cada pulso. ¡Una vez que se llena el registro, se genera una interrupción! Si el temporizador utiliza el oscilador de cuarzo interno para su funcionamiento, es posible medir el tiempo entre dos eventos (el valor de registro en el momento de iniciar la medición es T1, en el momento de finalizar la medición es T2, el tiempo transcurrido es igual al resultado de la resta T2 - T1). Si los registros se aumentan con los pulsos que vienen de la fuente externa, tal temporizador se convierte en un contador. Esto es una explicación simple de su funcionamiento. Es un poco más complicado en práctica.
¿CÓMO FUNCIONAN LOS TEMPORIZADORES? En práctica, los pulsos generados por el oscilador de cuarzo son llevados al circuito una vez por cada ciclo de máquina directamente o por el pre-escalador, lo que aumenta el número en el registro del temporizador. Si una instrucción (un ciclo de máquina) dura cuatro períodos del oscilador de cuarzo, este número será cambiado un millón de veces por segundo (cada microsegundo) al incorporar al cuarzo que oscila con una frecuencia de 4 MHz.
Es fácil de medir los intervalos de tiempo cortos de la manera descrita anteriormente (hasta 256 microsegundos porque es el mayor número que un registro puede contener). Esta obvia desventaja se puede superar de varias maneras: al utilizar el oscilador más lento, por medio de registros con más bits, del pre-escalador o de la interrupción. Las primeras dos soluciones tienen algunas debilidades así que se recomienda utilizar el pre-escalador y/o la interrupción.
UTILIZAR UN PREESCALADOR EN EL FUNCIONAMIENTO DEL TEMPORIZADOR
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Un pre-escalador es un dispositivo electrónico utilizado para dividir la frecuencia por un factor predeterminado. Esto quiere decir que se necesita llevar 1, 2, 4 o más pulsos a su entrada para generar un pulso a la salida. La mayoría de los microcontroladores disponen de uno o más pre-escaladores incorporados y su tasa de división puede ser cambiada dentro del programa. El pre-escalador se utiliza cuando es necesario medir los períodos de tiempo más largos. Si el temporizador y el temporizador perro guardián comparten un pre-escalador, éste no se puede utilizar por los dos simultáneamente.
UTILIZAR UNA INTERRUPCIÓN EN EL FUNCIONAMIENTO DEL TEMPORIZADOR Si el registro del temporizador es de 8 bits, el mayor número que se puede escribir en él es 255 (en los registros de 16 bits es el número 65.535). Si se excede este número, el temporizador se reinicia automáticamente y el conteo comienza de nuevo en cero. Esto es denominado desbordamiento o sobreflujo (overflow). Permitido por el programa, el desbordamiento puede provocar una interrupción, lo que abre completamente nuevas posibilidades. Por ejemplo, el estado de registros utilizados para contar segundos, minutos o días puede ser implementado en una rutina de interrupción. El proceso entero (excepto la rutina de interrupción) se lleva a cabo internamente, lo que permite que los circuitos principales del microcontrolador funcionen regularmente.
La figura anterior describe el uso de una interrupción en el funcionamiento del temporizador. Al asignarle un pre-escalador al temporizador, se producen retrasos de duración arbitraria con mínima interferencia en la ejecución del programa principal.
CONTADORES Si un temporizador se suministra por los pulsos ingresados por el pin de entrada en el microcontrolador, se produce un contador. Evidentemente, es el mismo circuito electrónico. La única diferencia es que los pulsos para contar se ingresan por el pin de entrada y que su duración (anchura) no es definida. Por eso, no se pueden utilizar para medición de tiempo, sino que se utilizan para otros propósitos, por ejemplo: contar los productos en la cadena de montaje, número de rotaciones del eje de un motor, pasajeros etc. (dependiendo del sensor utilizado.
TEMPORIZADOR PERRO GUARDIÁN (WATCHDOG) El perro guardián es un temporizador conectado a un oscilador RC completamente independiente dentro del microcontrolador. Si el perro guardián está habilitado, cada vez que cuenta hasta el máximo valor en el que ocurre el desbordamiento del registro se genera una señal de reinicio del microcontrolador y la ejecución de programa inicia en la primera instrucción. El punto es evitar que eso ocurra al utilizar el comando adecuado. La idea se basa en el hecho de que cada programa se ejecuta en varios bucles, más largos o cortos. Si las instrucciones que reinician el temporizador perro guardián se colocan en lugares estratégicos del programa, aparte los comandos que se ejecutan regularmente, el funcionamiento del perro guardián no afectará a la ejecución del programa. Si por cualquier razón (ruidos eléctricos frecuentes en la industria) el contador de programa “se queda atrapado” dentro de un bucle infinito, el valor del registro continuará aumentado por el temporizador perro guardián alcanzará el máximo valor, el registro se desbordará y, ¡aleluya! ¡Ocurre el reinicio!
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CONVERTIDOR A/D Las señales del mundo real son muy diferentes de las que “entiende” el microcontrolador (ceros y unos), así que deben ser convertidas para que el microcontrolador pueda entenderlas. Un convertidor analógico-digital es un circuito electrónico encargado de convertir las señales continuas en números digitales discretos. En otras palabras, este circuito convierte un número real en un número binario y se lo envía a la CPU para ser procesado. Este módulo se utiliza para medir el voltaje en el pin de entrada.
El resultado de esta medición es un número (el valor digital) utilizado y procesado más tarde en el programa.
ARQUITECTURA INTERNA
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Todos los microcontroladores actuales utilizan uno de dos modelos básicos de arquitectura denominados Harvard y von-Neumann. Son dos maneras diferentes del intercambio de datos entre la CPU y la memoria.
Arquitectura de von-Neumann Los microcontroladores que utilizan la arquitectura von- Neumann disponen de un solo bloque de memoria y de un bus de datos de 8 bits. Como todos los datos se intercambian por medio de estas 8 líneas, este bus está sobrecargado, y la comunicación por si misma es muy lenta e ineficaz. La CPU puede leer una instrucción o leer/escribir datos de/en la memoria. Los dos procesos no pueden ocurrir a la vez puesto que las instrucciones y los datos utilizan el mismo bus. Por ejemplo, si alguna línea de programa dice que el registro de la memoria RAM llamado “SUM” debe ser aumentado por uno (instrucción: incf SUMA), el microcontrolador hará lo siguiente:
1. Leer la parte de la instrucción de programa que especifica QUÉ es lo que debe realizar (en este caso es la instrucción para incrementar “incf”) 2. Seguir leyendo la misma instrucción que especifica sobre CUÁL dato lo debe realizar (en este caso es el contenido del registro “SUMA”) 3. Después de haber sido incrementado, el contenido de este registro se debe escribir en el registro del que fue leído (dirección del registro “SUMA”) El mismo bus de datos se utiliza para todas estas operaciones intermedias.
ARQUITECTURA DE HARVARD Los microcontroladores que utilizan esta arquitectura disponen de dos buses de datos diferentes. Uno es de 8 bits de ancho y conecta la CPU con la memoria RAM. El otro consiste en varias líneas (12, 14 o 16) y conecta a la CPU y la memoria ROM. Por consiguiente, la CPU puede leer las instrucciones y realizar el acceso a la memoria de datos a la vez. Puesto que todos los registros de la memoria RAM son de 8 bits de ancho, todos los datos dentro del microcontrolador que se intercambian son de la misma anchura. Durante el proceso de la escritura de programa, sólo se manejan los datos de 8 bits. En otras palabras, todo lo que usted podrá cambiar en el programa y a lo que podrá afectar será de 8 bits de ancho. Todos los programas escritos para estos microcontroladores serán almacenados en la memoria ROM interna del microcontrolador después de haber sido compilados a código máquina. No obstante, estas localidades de memoria ROM no tienen 8, sino 12, 14 o 16 bits. 4, 6 o 8 bits adicionales representan una instrucción que especifica a la CPU qué hacer con los datos de 8 bits. Las ventajas de este diseño son las siguientes:
Todos los datos en el programa son de un byte (8 bits) de ancho. Como un bus de datos utilizado para lectura de programa tiene unas líneas más (12, 14 o 16), tanto la instrucción como el dato se pueden leer simultáneamente al utilizar estos bits adicionales. Por eso, todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo salvo las instrucciones de salto que son de dos ciclos. El hecho de que un programa (la ROM) y los datos temporales (la RAM) estén separados, permite a la CPU poder ejecutar dos instrucciones simultáneamente. Dicho de manera sencilla, mientras que se realiza la lectura o escritura de la RAM (que marca el fin de una instrucción), la siguiente instrucción se lee por medio de otro bus. En los microcontroladores que utilizan la arquitectura de von-Neumann, nunca se sabe cuánta memoria ocupará algún programa. Generalmente, la mayoría de las instrucciones de programa ocupan dos localidades de memoria (una contiene información sobre QUÉ se debe realizar, mientras que la otra contiene informa ción sobre CUÁL dato se debe realizar). Sin embargo, esto no es una fórmula rígida, sino el caso más frecuente. En los microcontroladores que utilizan una arquitectura Harvard, el bus de la palabra de programa es más ancho que un byte, lo que permite que cada palabra de programa esté compuesto por una instrucción y un dato. En otras palabras, una localidad de memoria - una instrucción de programa.
JUEGO DE INSTRUCCIONES El nombre colectivo de todas las instrucciones que puede entender el microcontrolador es llamado Juego de Instrucciones. Cuando se escribe un programa en ensamblador, en realidad se especifican instrucciones en el orden en el que deben ser ejecutadas. La restricción principal es el número de instrucciones disponibles. Los fabricantes aceptan cualquiera de los dos enfoques descritos a continuación:
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RISC (Reduced Instruction Set Computer) - Computadora con Juego de Instrucciones Reducidas En este caso la idea es que el microcontrolador reconoce y ejecuta sólo operaciones básicas (sumar, restar, copiar etc...) Las operaciones más complicadas se realizan al combinar éstas (por ejemplo, multiplicación se lleva a cabo al realizar adición sucesiva). Es como intentar explicarle a alguien con pocas palabras cómo llegar al aeropuerto en una nueva ciudad. Sin embargo, no todo es tan oscuro. Además, el microcontrolador es muy rápido así que no es posible ver todas las “acrobacias” aritméticas que realiza. El usuario sólo puede ver el resultado final de todas las operaciones. Por último, no es tan difícil explicar dónde está el aeropuerto si se utilizan las palabras adecuadas tales como: a la derecha, a la izquierda, el kilómetro etc.
CISC (Complex Instruction Set Computer) - Computadoras con un juego de instrucciones complejo ¡CISC es opuesto a RISC! Los microcontroladores diseñados para reconocer más de 200 instrucciones diferentes realmente pueden realizar muchas cosas a alta velocidad. No obstante, uno debe saber cómo utilizar todas las posibilidades que ofrece un lenguaje tan rico, lo que no es siempre tan fácil...
¿CÓMO ELEGIR UN MICROCONTROLADOR? Bueno, si usted es principiante, y ha tomado decisión de trabajar con los microcontroladores. ¡Felicitaciones por la elección! No obstante, a primera vista, no es fácil la elección del microcontrolador más adecuado como parece a la primera vista. ¡El problema no es el pequeño rango de dispositivos a elegir, sino todo lo contrario! Antes de empezar a diseñar un dispositivo basado en un microcontrolador, tome en cuenta lo siguiente: cuántas entradas/líneas son necesarias para su funcionamiento, realizaría el dispositivo otras operaciones además encender/apagar un relé, necesita algún modulo especializado tal como el de comunicación en serie, convertidor A/D etc. Cuando usted tiene una clara imagen de lo que quiere, el rango de selección se reduce considerablemente, y le queda pensar en el precio. ¿Va a tener varios dispositivos? ¿Varios cientos? ¿Un millón? De todos modos ahora es más claro. Si está pensando en todas estas cosas por primera vez, todo le parecerá un poco confuso. Por esa razón, vaya paso a paso. Antes que nada, seleccione al fabricante, es decir, la familia de microcontroladores que ofrece. Luego, aprenda a trabajar con un modelo particular. Sólo aprenda lo que necesite aprender, no entre demasiado en detalles. Resuelva el problema específico y le pasará una cosa increíble - será capaz de manejar cualquier modelo del mismo fabricante... Más o menos, todo se parece a montar en bicicleta: después de varias caídas inevitables en el principio, será capaz de mantener el equilibrio y montar en cualquier otra bicicleta. ¡Por supuesto, nunca se olvida tanto de montar en bicicleta, como de la destreza de programación!
1.4 MICROCONTROLADORES PIC Los microcontroladores PIC desarrollados por Microchip Technology son probablemente la mejor opción si es principiante. Hay varias razones por lo que esto es verdadero... El nombre verdadero de este microcontrolador es PICmicro (Peripheral Interface Controller), conocido bajo el nombre PIC. Su primer antecesor fue creado en 1975 por la compañía General Instruments. Este chip denominado PIC1650 fue diseñado para propósitos completamente diferentes. Diez años más tarde, al añadir una memoria EEPROM, este circuito se convirtió en un verdadero microcontrolador PIC. Hace unos pocos años la compañía Microchip Technology fabricó la 5 billonésima muestra. Si está interesado en aprender más sobre eso, siga leyendo. If you are interested in learning more about it, just keep on reading. La idea principal de este libro es proporcionar la información necesaria al usuario para que sea capaz de utilizar los microcontroladores en la práctica después de leerlo. Para evitar explicaciones pesadas y las historias infinitas sobre las características útiles de los microcontroladores diferentes, este libro describe el funcionamiento de un modelo particular que pertenece a la “clase media alta”. Es PIC16F887 - bastante poderoso para ser digno de atención y bastante simple para poder ser utilizado por cualquiera. Así, los siguientes capítulos describen este microcontrolador en detalle y también se refieren a la familia PIC entera.
RAM [bytes]
Frecuencia de reloj. [MHz]
ROM [Kbytes]
PIC10FXXX
0.375 0.75
16 - 24
6-8
4-8
0-2
8
0-1
PIC12FXXX
0.75 1.5
25 - 38
8
4-8
0-3
8
PIC16FXXX
0.75 - 3
25 134
14 44
20
0-3
PIC16HVXXX
1.5
25
18 20
20
-
PIC12FXXX
1.75 3.5
64 128
8
20
0-4
10
1
PIC12HVXXX
1.75
64
8
20
0-4
10
PIC16FXXX
1.75 - 14
64 368
14 64
20
0 - 13
8 or 10
Pines
Entradas A/D
Resolución del convertidor A/D
Familia
Comunicación serial
Salidas PWM
Otros
1x8
-
-
-
0-1
1x8
-
-
EEPROM
8
0-2
1x8
-
-
EEPROM
-
-
1x8
-
-
Vdd = 15V
1 - 2 x 8 1 x 16
-
0-1
EEPROM
1
1 - 2 x 8 1 x 16
-
0-1
-
0-2
1 - 2 x 8 1 x 16
USART I2C SPI
0-3
-
Comparadores
Temporizadores de 8/16 bits
Arquitectura de la gama baja de 8 bits, palabra de instrucción de 12 bits
Arquitectura de la gama media de 8 bits, palabra de instrucción de 14 bits
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PIC16HVXXX
1.75 3.5
64 128
14 20
20
0 - 12
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10
2
2 x 8 1 x 16
USART I2C SPI
-
-
Arquitectura de la gama alta de 8 bits, palabra de instrucción de 16 bits PIC18FXXX
4 - 128
256 3936
18 80
32 - 48
4 - 16
10 or 12
0-3
0-2x82-3x 16
USB2.0 CAN2.0 USART I2C SPI
0-5
-
PIC18FXXJXX
8 - 128
1024 3936
28 100
40 - 48
10 - 16
10
2
0-2x82-3x 16
USB2.0 USART Ethernet I2C SPI
2-5
-
PIC18FXXKXX
8 - 64
768 3936
28 44
64
10 - 13
10
2
1 x 8 3 x 16
USART I2C SPI
2
-
Todos los microcontroladores PIC utilizan una arquitectura Harvard, lo que quiere decir que su memoria de programa está conectada a la CPU por más de 8 líneas. Hay microcontroladores de 12, 14 y 16 bits, dependiendo de la anchura del bus. La tabla anterior muestra las características principales de estas tres categorías. Como se puede ver en la tabla de la página anterior, salvo “los monstruos de 16 bits” PIC 24FXXX y PIC 24HXXX - todos los microcontroladores tienen la arquitectura Harvard de 8 bits y pertenecen a una de las tres grandes grupos. Por eso, dependiendo del tamaño de palabra de programa existen la primera, la segunda y la tercera categoría de microcontroladores, es decir microcontroladores de 12, 14 o 16 bits. Puesto que disponen del núcleo similar de 8 bits, todos utilizan el mismo juego de instrucciones y el “esqueleto” básico de hardware conectado a más o menos unidades periféricas. Los microcontroladores PIC con palabras de programa de 14 bits parecen ser la mejor opción para los principiantes. Aquí está el porqué...
JUEGO DE INSTRUCCIONES El juego de instrucciones para los microcontroladores 16F8XX incluye 35 instrucciones en total. La razón para un número tan reducido de instrucciones yace en la arquietectura RISC. Esto quiere decir que las instrucciones son bien optimizadas desde el aspecto de la velocidad operativa, la sencillez de la arquitectura y la compacidad del código. Lo malo de la arquitectura RISC es que se espera del programador que haga frente a estas instrucciones. Por supuesto, esto es relevante sólo si se utiliza el lenguaje ensamblador para la programación. Este libro se refiere a la programación en el lenguaje de alto nivel C, lo que significa que la mayor parte del trabajo ya fue hecho por alguien más. Así, sólo se tienen que utilizar instrucciones relativamente simples.
TIEMPO DE EJECUCIÓN DE INSTRUCCIONES Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo. La únicas excepciones pueden ser las instrucciones de ramificación condicional o las instrucciones que cambian el contenido del contador de programa. En ambos casos, dos ciclos de reloj son necesarios para la ejecución de la instrucción, mientras que el segundo ciclo se ejecuta como un NOP (No operation). Las instrucciones de un ciclo consisten en cuatro ciclos de reloj. Si se utiliza un oscilador de 4 MHz, el tiempo nominal para la ejecución de la instrucción es 1µS. En cuanto a las instrucciones de ramificación, el tiempo de ejecución de la instrucción es 2µS. Juego de instrucciones de los microcontroladores PIC de 14 bits: IN ST R UC C IÓ N
DESCRIPCIÓN
O P E R AC I Ó N
B AN D E R A
CLK
*
Instrucciones para la transmisión de datos MOVLW k
Mover literal a W
k -> w
1
MOVWF f
Mover el contenido de W a f
W -> f
MOVF f,d
Mover el contenido de f a d
f -> d
Z
1
CLRW
Borrar el contenido de W
0 -> W
Z
1
CLRF f
Borrar el contenido de f
0 -> f
Z
1
2
SWAPF f,d
Intercambiar de nibbles en f
f(7:4),(3:0) -> f(3:0),(7:4)
1
1, 2
ADDLW k
Sumar literal a W
W+k -> W
C, DC, Z
1
ADDWF f,d
Sumar el contenido de W y f
W+f -> d
C, DC ,Z
1
SUBLW k
Restar W de literal
k-W -> W
C, DC, Z
1
SUBWF f,d
Restar W de f
f-W -> d
C, DC, Z
1 1
1 1, 2
Instrucciones aritmético - lógicas
ANDLW k
AND W con literal
W AND k -> W
Z
ANDWF f,d
AND W con f
W AND f -> d
Z
1
IORLW k
OR inclusivo de W con literal
W OR k -> W
Z
1
1, 2
1, 2
1, 2
IORWF f,d
OR inclusivo de W con f
W OR f -> d
Z
1
1, 2
XORWF f,d
OR exclusivo de W con literal
W XOR k -> W
Z
1
1, 2
XORLW k
OR exclusivo de W con f
W XOR f -> d
Z
1
INCF f,d
Sumar 1 a f
f+1 -> f
Z
1
1, 2
DECF f,d
Restar 1 a f
f-1 -> f
Z
1
1, 2
RLF f,d
Rotar F a la izquierda a través del bit de Acarreo
C
1
1, 2
RRF f,d
Rotar F a la derecha a través del bit de Acarreo
C
1
1, 2
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COMF f,d
Complementar f
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f -> d
Z
1
1, 2
Instrucciones orientadas a bit BCF f,b
Poner a 0 el bit b del registro f
0 -> f(b)
1
1, 2
BSF f,b
Poner a 1 el bit b del registro f
1 -> f(b)
1
1, 2
Instrucciones de control de programa BTFSC f,b
Saltar si bit b de registro f es 0
Skip if f(b) = 0
1 (2)
3
BTFSS f,b
Saltar si bit b de reg. f es 1
Skip if f(b) = 1
1 (2)
3
DECFSZ f,d
Disminuir f en 1. Saltar si el resultado es 0
f-1 -> d skip if Z = 1
1 (2)
1, 2, 3
INCFSZ f,d
Incrementar f en 1. Saltar si el resultado es 1
f+1 -> d skip if Z = 0
1 (2)
1, 2, 3
GOTO k
Saltar a una dirección
k -> PC
2
CALL k
Llamar a una subrutina
PC -> TOS, k -> PC
2
RETURN
Retornar de una subrutina
TOS -> PC
2
RETLW k
Retornar con literal en W
k -> W, TOS -> PC
2
RETFIE
Retornar de una interupción
TOS -> PC, 1 -> GIE
2
Otras instrucciones NOP
No operación
TOS -> PC, 1 -> GIE
CLRWDT
Reiniciar el temporizador perro guardián
0 -> WDT, 1 -> TO, 1 -> PD
1 TO, PD
1
SLEEP
Poner en estado de reposo
0 -> WDT, 1 -> TO, 0 -> PD
TO, PD
1
*1 Si un registro de E/S está modificado, el valor utilizado será el valor presentado en los pines del microcontrolador. *2 Si la instrucción se ejecuta en el registro TMR y si d=1, el pre-escalador será borrado. *3 Si la instrucción se ejecuta en el registro TMR y si d=1, el pre-escalador será borrado.
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Arquitectura de los microcontroladores PIC de 8 bits. Cuáles de estos módulos pertenecerán al microcontrolador, dependerá del tipo de microcontrolador. table of contents | next chapter →
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Book: PIC Microcontrollers - Programming in C
EasyPIC6 Development System
TOC Capitulo 1 Capitulo 2 Capitulo 3 Capitulo 4 Apéndice A
Capitulo 2 - Programación de los microcontroladores Usted seguramente sabe que no es suficiente sólo conectar el microcontrolador a los otros componentes y encender una fuente de alimentación para hacerlo funcionar, ¿verdad? Hay que hacer algo más. Se necesita programar el microcontrolador. Si cree que esto es complicado, está equivocado. Todo el procedimiento es muy simple. Basta con leer el texto para entender de lo que estamos hablando.
2.1 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN 2.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL MIKROC 2.3 TIPOS DE DATOS EN MIKROC 2.4 VARIABLES Y CONSTANTES 2.5 OPERADORES 2.6 ESTRUCTURAS DE CONTROL 2.7 TIPOS DE DATOS AVANZADOS 2.8 FUNCIONES 2.9 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL PREPROCESADOR 2.10 MIKROC PRO FOR PIC 2.11 PROGRAMAR LOS PIC UTILIZANDO MIKROC PRO FOR PIC
The EasyPIC6 is a full-featured development system for PIC microcontrollers. It comes with the PIC16F887 microcontroller. The system includes a USB 2.0 programmer with mikroICD and many peripheral modules such as COG, port expander, MENU and 4x4 keypads etc. [more info]
Featured Compilers mikroC PRO for PIC
2.1 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN El microcontrolador ejecuta el programa cargado en la memoria Flash. Esto se denomina el código ejecutable y está compuesto por una serie de ceros y unos, aparentemente sin significado. Dependiendo de la arquitectura del microcontrolador, el código binario está compuesto por palabras de 12, 14 o 16 bits de anchura. Cada palabra se interpreta por la CPU como una instrucción a ser ejecutada durante el funcionamiento del microcontrolador. Todas las instrucciones que el microcontrolador puede reconocer y ejecutar se les denominan colectivamente Conjunto de instrucciones. Como es más fácil trabajar con el sistema de numeración hexadecimal, el código ejecutable se representa con frecuencia como una serie de los números hexadecimales denominada código Hex. En los microcontroladores PIC con las palabras de programa de 14 bits de anchura, el conjunto de instrucciones tiene 35 instrucciones diferentes.
mikroC PRO for PIC provides all the power and flexibility of ANSI C. It features the most advanced IDE on the market. Many practical examples and a comprehensive documentation allow a quick start in programming PIC® MCUs. [more info]
LENGUAJE ENSAMBLADOR Como el proceso de escribir un código ejecutable era considerablemente arduo, en consecuencia fue creado el primer lenguaje de programación denominado ensamblador (ASM). Siguiendo la sintaxis básica del ensamblador, era más fácil escribir y comprender el código. Las instrucciones en ensamblador consisten en las abreviaturas con significado y a cada instrucción corresponde una localidad de memoria. Un programa denominado ensamblador compila (traduce) las instrucciones del lenguaje ensamblador a código máquina (código binario).
HEste programa compila instrucción a instrucción sin optimización. Como permite controlar en detalle todos los procesos puestos en marcha dentro del chip, este lenguaje de programación todavía sigue siendo popular.
Ventajas de lenguajes de programación de alto nivel A pesar de todos los lados buenos, el lenguaje ensamblador tiene algunas desventajas:
Incluso una sola operación en el programa escrito en ensamblador consiste en muchas instrucciones, haciéndolo muy largo y difícil de manejar. Cada tipo de microcontrolador tiene su propio conjunto de instrucciones que un programador tiene que conocer para escribir un programa Un programador tiene que conocer el hardware del microcontrolador para escribir un programa Programa escrito en C (El mismo programa compilado al código ensamblador):
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Los lenguajes de programación de alto nivel (Basic, Pascal, C etc.) fueron creados con el propósito de superar las desventajas del ensamblador. En lenguajes de programación de alto nivel varias instrucciones en ensamblador se sustituyen por una sentencia. El programador ya no tiene que conocer el conjunto de instrucciones o características del hardware del microcontrolador utilizado. Ya no es posible conocer exactamente cómo se ejecuta cada sentencia, de todas formas ya no importa. Aunque siempre se puede insertar en el programa una secuencia escrita en ensamblador. Si alguna vez ha escrito un programa para un microcontrolador PIC en lenguaje ensamblador, probablemente sepa que la arquitectura RISC carece de algunas instrucciones. Por ejemplo, no hay instrucción apropiada para multiplicar dos números. Por supuesto, para cada problema hay una solución y éste no es una excepción gracias a la aritmética que permite realizar las operaciones complejas al descomponerlas en un gran número operaciones más simples. En este caso, la multiplicación se puede sustituir con facilidad por adición sucesiva (a x b = a + a + a + ... + a). Ya estamos en el comienzo de una historia muy larga... No hay que preocuparse al utilizar uno de estos lenguajes de programación de alto nivel como es C, porque el compilador encontrará automáticamente la solución a éste problema y otros similares. Para multiplicar los números a y b, basta con escribir a*b.
Lenguaje C El lenguaje C dispone de todas las ventajas de un lenguaje de programación de alto nivel (anteriormente descritas) y le permite realizar algunas operaciones tanto sobre los bytes como sobre los bits (operaciones lógicas, desplazamiento etc.). Las características de C pueden ser muy útiles al programar los microcontroladores. Además, C está estandarizado (el estándar ANSI), es muy portable, así que el mismo código se puede utilizar muchas veces en diferentes proyectos. Lo que lo hace accesible para cualquiera que conozca este lenguaje sin reparar en el propósito de uso del microcontrolador. C es un lenguaje compilado, lo que significa que los archivos fuentes que contienen el código C se traducen a lenguaje máquina por el compilador. Todas estas características hicieron al C uno de los lenguajes de programación más populares.
La figura anterior es un ejemplo general de lo que sucede durante la compilación de programa de un lenguaje de programación de alto nivel a bajo nivel.
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2.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL MIKROC A continuación vamos a presentar a los elementos principales del lenguaje mikroC desarrollado por Mikroelektronika. Este lenguaje es muy similar al C estándar, no obstante en determinados aspectos difiere del ANSI estándar en algunas características. Algunas de estas diferencias se refieren a las mejoras, destinadas a facilitar la programación de los microcontroladores PIC, mientras que las demás son la consecuencia de la limitación de la arquitectura del hardware de los PIC. Aquí vamos a presentar características específicas del lenguaje mikroC en la programación de los microcontroladores PIC. El término C se utilizará para referirse a las características comunes de los lenguajes C y mikroC.
Este libro describe una aplicación muy concreta del lenguaje de programación C utilizado en el compilador mikroC PRO for PIC. En este caso, el compilador se utiliza para la programación de los microcontroladores PIC.
FASES DE COMPILACIÓN El proceso de compilación consiste en varios pasos y se ejecuta automáticamente por el compilador. Por con, un conocimiento básico del funcionamiento puede ser útil para entender el concepto del lenguaje mikroC. El archivo fuente contiene el código en mikroC que usted escribe para programar el microcontrolador. El preprocesador se utiliza automáticamente por el compilador al iniciarse el proceso de la compilación. El compilador busca las directivas del preprocesador (que siempre empiezan por ‘#’) dentro del código y modifica el código fuente de acuerdo con las directivas. En esta fase se llevan a cabo inclusión de archivos, definición de constantes y macros etc, lo que facilita el proceso. Más tarde vamos a describir estas directivas en detalle. El analizador sintáctico (parser) elimina toda la información inútil del código (comentarios, espacios en blanco). Luego, el compilador traduce el código a un archivo binario denominado archivo .mcl. El enlazador (linker) recupera toda la información requerida para ejecutar el programa de los archivos externos y la agrupa en un solo archivo (.dbg). Además, un proyecto puede contener más de un archivo fuente y el programador puede utilizar funciones predefinidas y agrupadas dentro de los archivos denominados librerías. Por último, el generador .hex produce un archivo .hex. Es el archivo que se va a cargar en el microcontrolador.
El proceso entero de la compilación que incluye todos los pasos anteriormente descritos se le denomina “building”.
ESTRUCTURA DE PROGRAMA La idea principal de escribir un programa en C es de “romper” un problema mayor en varios trozos más pequeños. Supongamos que es necesario escribir un programa para el microcontrolador para medir la temperatura y visualizar los resultados en un LCD. El proceso de medición se realiza por un sensor que convierte temperatura en voltaje. El microcontrolador utiliza el convertidor A/D para convertir este voltaje (valor analógico) en un número (valor digital) que luego se envía al LCD por medio de varios conductores. En consecuencia, el programa se divide en cuatro partes, de las que cada una corresponde a una acción específica:
1. Activar y configurar el convertidor A/D incorporado; 2. Medir el valor analógico; 3. Calcular temperatura; y 4. Enviar los datos en el formato apropiado al LCD; Los lenguajes de programación de alto nivel como es C le permiten solucionar este problema con facilidad al escribir cuatro funciones que se ejecutarán cíclicamente sin parar. La idea general es de dividir el problema en varios trozos, de los que cada uno se puede escribir como una sola función. Todos los programas escritos en mikroC contienen por lo menos una función llamada main() que encierra entre llaves {} las sentencias a ser ejecutadas. Esto es la primera función a ser ejecutada al iniciarse
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la ejecución de programa. Las otras funciones se pueden llamar dentro de la ¡Y función main. En otras palabras, podemos decir que la función main() es obligatoria, mientras que las demás son opcionales. Si todavía no ha escrito un programa en C, es probable que todo le resulte confuso. No se preocupe, acéptelo tal como es por el momento y más tarde entenderá la sintaxis. ahora, su primer programa ‘real’! La figura muestra la estructura de programa, señalando las partes en las que consiste.
La manera de escribir el código en C es muy importante. Por ejemplo, C difiere entre minúsculas y mayúsculas, así que la función main() no se puede escribir MAIN() o Main(). Además, note que dos líneas del código dentro de la función terminan con un punto y coma. En C todas las sentencias deben terminar con un punto y coma ‘;’, así el compilador puede aislarlas y traducirlas a código máquina.
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COMENTARIOS Los comentarios son las partes del programa utilizados para aclarar las instrucciones de programa o para proporcionar más información al respecto. El compilador no hace caso a los comentarios y no los compila al código ejecutable. Dicho de manera sencilla, el compilador es capaz de reconocer los caracteres especiales utilizados para designar dónde los comentarios comienzan y terminan y no hace nada de caso al texto entre ellos durante la compilación. Hay dos tipos de tales caracteres. Unos designan los comentarios largos que ocupan varias líneas de programa marcados por la secuencia especial /*...*/, mientras que otros designan los comentarios cortos que caben en una sola línea //. Aunque los comentarios no pueden afectar a la ejecución de programa, son tan importantes como cualquier otra parte de programa. Aquí está el porqué... Con frecuencia es necesario mejorar, modificar, actualizar, simplificar un programa... No es posible interpretar incluso los programas simples sin utilizar los comentarios.
2.3 TIPOS DE DATOS EN MIKROC En el lenguaje C, los datos tienen un tipo, o sea, cada dato utilizado en el programa debe tener su tipo especificado. Esto permite al compilador conocer el tamaño de dato (número de bytes requerido en la memoria) y su representación. Hay varios tipos de datos que se pueden utilizar en el lenguaje de programación mikroC dependiendo del tamaño de dato y del rango de valores. La tabla muestra el rango de valores que los datos pueden tener cuando se utilizan en su forma básica. T IP O D E D AT O
DESCRIPCIÓN
T A M AÑ O ( N Ú M E R O D E B IT S )
char
Texto (caracteres)
8
de 0 a 255
int
Valores enteros
16
de -32768 a 32767
float
Valores en punto flotante
32
de ±1.17549435082·10-38 a ±6.80564774407·1038
double
Valores en punto flotante de doble precisión
32
de ±1.17549435082·10-38 a ±6.80564774407·1038
R AN G O D E V AL O R E S
*Debido a las limitaciones impuestas por el hardware del microcontrolador, es imposible alcanzar una mayor precisión de datos que la del tipo float. Por eso, el tipo double en mikroC equivale al tipo float. Al añadir un prefijo (calificador) a cualquier tipo de dato entero o carácter, el rango de sus posibles valores cambia así como el número de los
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bytes de memoria necesarios. Por defecto, los datos de tipo int son con signo, mientras que los de tipo char son sin signo. El calificador signed (con signo) indica que el dato puede ser positivo o negativo. El prefijo unsigned indica que el dato puede ser sólo positivo. Note que el prefijo es opcional. TIPO DE D AT O
T I P O D E D AT O C O N PREFIJO
T A M AÑ O ( N Ú M E R O D E B IT S )
R AN G O D E V AL O R E S
char
signed char
8
de -128 a 128
unsigned int
16
de 0 a 65535
short int
8
de 0 a 255
signed short int
8
de -128 a 127
long int
32
de 0 a 4294967295
signed long int
32
de -2147483648 a 2147483647
int
Tipo entero (int) Un entero es un número sin parte fraccionaria que puede estar expresado en los siguientes formatos:
Hexadecimal (base 16): el número empieza con 0x (o 0X). Los enteros hexadecimales consisten en los dígitos (de 0 a 9) y/o las letras (A, B, C,D, E, F). Por ejemplo: ‘0x1A’. Decimal (base 10): el número consiste en los dígitos (de 0 a 9). El primer dígito no puede ser 0. En este formato, se puede introducir el signo de número (‘+’ o ‘-’). Por ejemplo: 569, -25, +1500. Octal (base 8): los números se representan a base 8 utilizando sólo 8 dígitos (de 0 a 7). Los enteros octales empiezan con 0. Por ejemplo: ‘056’. Binario: cuando un entero empieza con 0b (o 0B) se representan como una serie de bits (‘0’ y ‘1’). Por ejemplo: 0B10011111
0x11 // formato hexadecimal equivale a decimal 17 11 // formato decimal -152 // formato decimal 011 // formato octal equivale a decimal 9 0b11 // formato binario equivale a decimal 3
Tipo punto flotante (float) El tipo punto flotante (float) se utiliza para los números reales con el punto decimal. Los datos de tipo float se pueden representar de varias maneras. Un dato float es siempre consigno (signed).
0. -1.23
// = 0.0 // = -1.23
23.45e6 // = 23.45 * 10^6 2e-5 3E+10
// = 2.0 * 10^-5 // = 3.0 * 10^10
.09E34
// = 0.09 * 10^34
Tipo carácter (char) El tipo char es considerado como un entero por el compilador. No obstante, se utiliza normalmente para los datos de tipo carácter. Un dato de tipo carácter está encerrado entre comillas y codificado en un carácter ASCII.
59 // entero 'p' // carácter ASCII 'p'
Una secuencia de caracteres es denominada cadena (string). Las cadenas están encerradas entre comillas dobles, por ejemplo:
"Presione el botón RA0"
2.4 VARIABLES Y CONSTANTES Definiciones Una variable es un objeto nombrado capaz de contener un dato que puede ser modificado durante la ejecución de programa. En C, las variables tienen tipo, que significa que es necesario especificar el tipo de dato que se le asigna a una variable (int, float etc.). Las variables se almacenan en la memoria RAM y el espacio de memoria que ocupan (en bytes) depende de su tipo.
/* dos líneas de programa consecutivas. En la primera línea del programa
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se define el tipo de variable */ int a = 1000; // Variable a es de tipo int y equivale a 1000 a = 15;
// a equivale a 15
Una constante tiene las mismas características que una variable excepto el hecho de que su valor asignado no puede ser cambiado durante la ejecución de programa. A diferencia de las variables, las constantes se almacenan en la memoria Flash del microcontrolador para guardar el mayor espacio posible de memoria RAM. El compilador las reconoce por el nombre y el prefijo const. En mikroC, el compilador reconoce automáticamente el tipo de dato de una constante, así que no es necesario especificar el tipo adicionalmente.
/* dos líneas de programa consecutivas */ const A = 1000 // el valor de la constante A está definido A = 15;
// ¡ERROR! no se puede modificar el valor de la constante
Cada variable o constante debe tener un identificador que lo distingue de otras variables y constantes. Refiérase a los ejemplos anteriores, a y A son identificadores.
Reglas para nombrar En mikroC, los identificadores pueden ser tan largos como quiera. Sin embargo, hay varias restricciones:
Los identificadores pueden incluir cualquiera de los caracteres alfabéticos A-Z (a-z), los dígitos 0-9 y el carácter subrayado '_'. El compilador es sensible a la diferencia entre minúsculas y mayúsculas. Los nombres de funciones y variables se escriben con frecuencia con minúsculas, mientras que los nombres de constantes se escriben con mayúsculas. Los identificadores no pueden empezar con un dígito. Los identificadores no pueden coincidir con las palabras clave del lenguaje mikroC, porque son las palabras reservadas del compilador. El compilador mikroC reconoce 33 palabras clave: M I K R O C - P A L A B R A S C L AV E absolute
data
if
return
typedef
asm
default
inline
rx
typeid typename
at
delete
int
sfr
auto
do
io
short
union
bit
double
long
signed
unsigned
bool
else
mutable
sizeof
using
break
enum
namespace
static
virtual
case
explicit
operator
struct
void
catch
extern
org
switch
volatile while
char
false
pascal
template
class
float
private
this
code
for
protected
throw
const
friend
public
true
continue
goto
register
try
Ejemplos de los identificadores válidos e inválidos:
temperatura_V1
// OK
Presión no_corresponder
// OK // OK
dat2string
// OK
SuM3
// OK
_vtexto 7temp
// OK // NO -- no puede empezar con un número
%más_alto
// NO -- no pueden contener caracteres especiales
if
// NO -- no puede coincidir con una palabra reservada
j23.07.04 // NO -- no puede contener caracteres especiales (punto) nombre de variable // NO -- no puede contener espacio en blanco
Declaración de variables Cada variable debe ser declarada antes de ser utilizada en el programa. Como las variables se almacenan en la memoria RAM, es necesario reservar el espacio para ellas (uno, dos o más bytes). Al escribir un programa, usted sabe qué tipo de datos quiere utilizar y qué tipo de datos
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espera como resultado de una operación, mientras que el compilador no lo sabe. No se olvide de que el programa maneja las variables con los nombres asignados. El compilador las reconoce como números en la memoria RAM sin conocer su tamaño y formato. Para mejorar la legibilidad de código, las variables se declaran con frecuencia al principio de las funciones:
variable;
Es posible declarar más de una variable de una vez si tienen el mismo tipo.
variable1, variable2, variable3;
Aparte del nombre y del tipo, a las variables se les asignan con frecuencia los valores iniciales justamente enseguida de su declaración. Esto no es un paso obligatorio, sino ‘una cuestión de buenas costumbres’. Se parece a lo siguiente:
unsigned int peso; // Declarar una variable llamada peso peso = 20;
// Asignar el valor 20 a la variable peso
Un método más rápido se le denomina declaración con inicialización (asignación de los valores iniciales):
unsigned int peso = 20; // peso está declarado y su valor es 20
Si hay varias variables con el mismo valor inicial asignado, el proceso se puede simplificar:
unsigned int peso1 = peso2 = peso3 = 20; int valor_inicial = un_mínimo_de_petróleo = 0;
Tenga cuidado de no declarar la misma variable otra vez dentro de la misma función. Puede modificar el contenido de una variable al asignarle un nuevo valor tantas veces que quiera Al declarar una variable, siempre piense en los valores que la variable tendrá que contener durante la ejecución de programa. En el ejemplo anterior, peso1 no se puede representar con un número con punto decimal o un número con valor negativo.
Declaración de constantes Similar a las variables, las constantes deben ser declaradas antes de ser utilizadas en el programa. En mikroC, no es obligatorio especificar el tipo de constante al declararla. Por otra parte, las constantes deben ser inicializadas a la vez que se declaran. El compilador reconoce las constantes por su prefijo const utilizado en la declaración. Dos siguientes declaraciones son equivalentes:
const int MINIMUM = -100; // Declarar constante MINIMUM const MINIMUM = -100;
// Declarar constante MINIMUM
Las constantes pueden ser de cualquier tipo, incluyendo cadenas:
const T_MAX = 3.260E1;
// constante de punto flotante T_MAX
const I_CLASS = 'A';
// constante carácter I_CLASS
const Mensaje = "Presione el botón IZQUIERDA"; // constante de cadena Mensaje
Las constantes de enumeración son un tipo especial de constantes enteras que hace un programa más comprensible al asignar los números ordinales a las constantes. Por defecto, el valor 0 se asigna automáticamente a la primera constante entre llaves, el valor 1 a la segunda, el valor 2 a la tercera etc.
enum surtidores {AGUA,GASÓLEO,CLORO}; // AGUA = 0; GASÓLEO = 1; CLORO = 2
Es posible introducir directamente el valor de una constante dentro de la lista de enumeraciones. El incremento se detiene al asignar un valor a un elemento de matriz, después se reinicia a partir del valor asignado. Vea el siguiente ejemplo:
enum surtidores {AGUA,GASÓLEO=0,CLORO}; // AGUA = 0; GÁSOLEO = 0; CLORO = 1
Las constantes de enumeración se utilizan de la siguiente manera:
int Velocidad_de_ascensor enum motor_de_ascensor {PARADA,INICIO,NORMAL,MÁXIMO};
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Velocidad_de_ascensor = NORMAL; // Velocidad_de_ascensor = 2
Definir los nuevos tipos de datos La palabra clave typedef le permite crear con facilidad los nuevos tipos de datos.
typedef unsigned int positivo; // positivo es un sinónimo para el tipo sin signo int positivo a,b;
// Variables a y b son de tipo positivo
a = 10;
// Variable a equivale a 10
b = 5;
// Variable b equivale a 5
Ámbito de variables y constantes Una variable o una constante es reconocida por el compilador en base de su identificador. Un identificador tiene significado si el compilador lo puede reconocer. El ámbito de una variable o una constante es el rango de programa en el que su identificador tiene significado. El ámbito es determinado por el lugar en el que se declara una variable o una constante. Intentar acceder a una variable o una constante fuera de su ámbito resulta en un error. Una variable o una constante es invisible fuera de su ámbito. Todas las variables y constantes que pensamos utilizar en un programa deben ser declaradas anteriormente en el código. Las variables y constantes pueden ser globales o locales. Una variable global se declara en el código fuente, fuera de todas las funciones, mientras que una variable local se declara dentro del cuerpo de la función o dentro de un bloque anidado en una función.
A las variables globales se les puede acceder de cualquiera parte en el código, aún dentro de las funciones con tal de que sean declaradas. El ámbito de una variable global está limitado por el fin del archivo fuente en el que ha sido declarado. El ámbito de variables locales está limitado por el bloque encerrado entre llaves {} en el que han sido declaradas. Por ejemplo, si están declaradas en el principio del cuerpo de función (igual que en la función main) su ámbito está entre el punto de declaración y el fin de esa función. Refiérase al ejemplo anterior. A las variables locales declaradas en main() no se les puede acceder desde la Función_1 y al revés. Un bloque compuesto es un grupo de declaraciones y sentencias (que pueden ser bloques también) encerradas entre llaves. Un bloque puede ser una función, una estructura de control etc. Una variable declarada dentro de un bloque se considera local, o sea, ‘existe’ sólo dentro del bloque. Sin embargo, las variables declaradas fuera del ámbito todavía son visibles. Aunque las constantes no pueden ser modificadas en el programa, siguen las mismas reglas que las variables. Esto significa que son visibles dentro de su bloque a excepción de las constantes globales (declaradas fuera de cualquier función). Las constantes se declaran normalmente en el inicio del código fuera de cualquier función (como variables globales).
Clases de almacenamiento Las clases de almacenamiento se utilizan para definir el ámbito y la vida de variables, constantes y funciones dentro de un programa. En mikroC se pueden utilizar diferentes clases de almacenamiento:
auto es una clase de almacenamiento por defecto para las variables locales, así que se utiliza raramente. Se utiliza para definir que una variable local tiene duración local. La clase de almacenamiento auto no se puede utilizar con variables globales.
static es una clase de almacenamiento por defecto para las variables globales. Especifica que una variable es visible dentro del archivo. A las variables locales declaradas con el prefijo static se les puede acceder dentro del archivo fuente (o sea se comportan como variables globales). extern: la palabra clave extern se utiliza cuando el programa está compuesto por diferentes archivos fuente. Esto le
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permite utilizar una variable, una constante o una función declarada en otro archivo. Por supuesto, para compilar y enlazar este archivo correctamente, el mismo debe ser incluido en su proyecto. En los siguientes ejemplos, el programa consiste en dos archivos: File_1 y File_2. El File_1 utiliza una variable y una función declaradas en File_2. File 1:
extern int cnt;
// Variable cnt es visible en File_1
extern void hello(); // Función hello()se puede utilizar en File_1 void main(){ PORTA = cnt++;
// Cualquier modificación de cnt en File_1 será visible en File_2
hello();
// Función hello()se puede llamar desde aquí
}
File 2:
int cnt = 0; void hello(); void hello(){ // Modificaciones que afectan a la .
// cnt en File_1 son visibles aquí
. . }
2.5 OPERADORES Un operador es un símbolo que denota una operación aritmética, lógica u otra operación particular. Dicho de manera sencilla, varias operaciones aritméticas y lógicas se realizan por medio de los operadores. Hay más de 40 operaciones disponibles en el lenguaje C, pero se utiliza un máximo de 10-15 de ellas en práctica. Cada operación se realiza sobre uno o más operandos que pueden ser variables o constantes. Además, cada operación se caracteriza por la prioridad de ejecución y por la asociatividad.
OPERADORES ARITMÉTICOS Los operadores aritméticos se utilizan en las operaciones aritméticas y siempre devuelven resultados numéricos. Hay dos tipos de operadores, los unitarios y los binarios. A diferencia de las operaciones unitarias que se realizan sobre un operando, las operaciones binarias se realizan sobre dos operandos. En otras palabras, se requieren dos números para ejecutar una operación binaria. Por ejemplo: a+b o a/b. O P E R AD O R
O P E R AC I Ó N
+
Adición
-
Resta
*
Multiplicación
/
División
%
Resto de la división
int a,b,c; // Declarar 3 enteros a, b, c a = 5;
// Inicializar a
b = 4; // Inicializar b c = a + b; // c = 9 c = c%2;
// c = 1. Esta operación se utiliza con frecuencia // para comprobar la paridad. En este caso, el // resultado es 1 lo que significa que la variable // es un número imparo
OPERADORES DE ASIGNACIÓN Hay dos tipos de asignación en el lenguaje C:
Los operadores simples asignan los valores a las variables utilizando el carácter común '='. Por ejemplo: a =8 Las asignaciones compuestas son específicas para el lenguaje C. Consisten en dos caracteres como se muestra en la tabla a la derecha. Se utilizan para simplificar la sintaxis y habilitar la ejecución más rápida. E JE MPL O O P E R AD O R Expresión
Equivalente
+=
a += 8
a=a+8
-=
a -= 8
a=a-8
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*=
a *= 8
/=
a /= 8
a=a*8 a=a/8
%=
a %= 8
a=a%8
int a = 5; // Declarar e inicializar la variable a a += 10;
// a = a + 10 = 15
OPERADORES DE INCREMENTO Y DECREMENTO Las operaciones de incremento y decremento por 1 se denotan con "++" y "--". Estos caracteres pueden preceder o seguir a una variable. En primer caso (++x), la variable x será incrementada por 1 antes de ser utilizada en la expresión. De lo contrario, la variable se utilizará en la expresión antes de ser aumentada por 1. Lo mismo se aplica a la operación de decremento. O P E R AD O R
E J EMP LO
DESCRIPCIÓN
++a ++
Variable "a" es incrementada por 1 a++ --b
--
Variable "a" es decrementada por 1 b--
int a, b, c; a = b = 5; c = 1 + a++; // c = 6 b = ++c + a
// b = 7 + 6 = 13
OPERADORES RELACIONALES Los operadores relacionales se utilizan en comparaciones con el propósito de comparar dos valores. En mikroC, si una expresión es evaluada como falsa (false), el operador devuelve 0, mientras que si una oración es evaluada como verdadera (true), devuelve 1. Esto se utiliza en expresiones tales como ‘si la expresión es evaluada como verdadera, entonces...’ O P E R AD O R
D E SC R IP C IÓ N
E J E MP L O
C O N D I C I Ó N D E V E R AC I D AD
>
mayor que
b>a
si b es mayor que a
>=
mayor o igual que
a >= 5
si a es mayor o igual que 5
<
menor que
a .
de izquierda a derecha
! ~ ++ -- +(unitario) -(unitario) *Puntero &Puntero
de derecha a izquierda
* / %
de izquierda a derecha
+ -
de izquierda a derecha
< >
de izquierda a derecha
< >=
de izquierda a derecha
== !=
de izquierda a derecha
&
de izquierda a derecha
^
de izquierda a derecha
|
de izquierda a derecha
&&
de izquierda a derecha
||
de derecha a izquierda
?:
de derecha a izquierda
= += -= *= /= /= &= ^= |= =
de izquierda a derecha
Baja
int a, b, res; a = 10; b = 100; res = a*(a + b); // resultado = 1100 res = a*a + b;
// resultado = 200
CONVERSIÓN DE TIPOS DE DATOS Algunas operaciones implican conversión de datos. Por ejemplo, si divide dos valores enteros, hay una alta posibilidad de que el resultado no sea un entero. El mikroC realiza una conversión automática cuando se requiera. Si dos operandos de tipo diferente se utilizan en una operación aritmética, el tipo de operando de la prioridad más baja se convierte automáticamente en el tipo de operando de la prioridad más alta. Los tipos de datos principales se colocan según el siguiente orden jerárquico:
La autoconversión se realiza asimismo en las operaciones de asignación. El resultado de la expresión de la derecha del operador de la asignación siempre se convierte en el tipo de la variable de la izquierda del operador. Si el resultado es de tipo de la prioridad más alta, se descarta o se redondea para coincidir con el tipo de la variable. Al convertir un dato real en un entero, siempre se descartan los números que
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siguen al punto decimal.
int x;
// A la variable x se le asigna el tipo integer (un entero)
x = 3;
// A la variable x se le asigna el valor 3
x+ = 3.14; // El valor 3.14 se agrega a la variable x al // realizar la operación de asignación /* El resultado de la adición es 6 en vez de 6.14, como era de esperar. Para obtener el resultado esperado sin descartar los números que siguen al punto decimal, se debe declarar x como un punto flotante. */
Para realizar una conversión explícita, antes de escribir una expresión o una variable hay que especificar el tipo de resultado de operación entre paréntesis.
double distancia, tiempo, velocidad; distancia = 0.89; tiempo = 0.1; velocidad = (int)(a/b); // c = (int)8.9 = 8.0 velocidad = ((int)a)/b; // c = 0/0.1 = 0.0
2.6 ESTRUCTURAS DE CONTROL ESTRUCTURAS CONDICIONALES Las condiciones son ingredientes comunes de un programa. Las condiciones permiten ejecutar una o varias sentencias dependiendo de validez de una expresión. En otras palabras, ‘Si se cumple la condición (...), se debe hacer (...). De lo contrario, si la condición no se cumple, se debe hacer (...)’. Los operandos condicionales if-else y switch se utilizan en las operaciones condicionales. Una sentencia condicional puede ser seguida por una sola sentencia o por un bloque de sentencias a ser ejecutadas.
OPERADOR CONDICIONAL if-else El operador if se puede utilizar solo o asociado al operador else (if-else). Ejemplo del operador if:
if(expresión) operación;
Si el resultado de la expresión encerrada entre paréntesis es verdadero (distinto de 0) la operación se realiza y el programa continúa con la ejecución. Si el resultado de la expresión es falso (0), la operación no se realiza y el programa continúa inmediatamente con la ejecución. Como hemos mencionado, la otra forma combina tanto el operador if como el else:
if(expresión) operación1 else operación2;
Si el resultado de la expresión es verdadero (distinto de 0), se realiza operación1, de lo contrario se realiza la operación2. Después de realizar una de las operaciones, el programa continúa con la ejecución. La sentencia if-else se parece a lo siguiente:
if(expresión) operación1 else operación2
Si operación1 u operación2 está compuesta, escriba una lista de sentencias encerradas entre llaves. Por ejemplo:
if(expresión) { ... // ... // operación1 ...} // else operación2
El operador if-else se puede sustituir por el operador condicional '?:':
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(expresión1)? expresión2 : expresión3
Si el valor de la expresión1 es distinto de 0 (verdadero), el resultado de la expresión entera será equivalente al resultado obtenido de la expresión2. De lo contrario, si la expresión1 es 0 (falso), el resultado de la expresión entera será equivalente al resultado obtenido de la expresión3. Por ejemplo:
maximum = (a>b)? a : b // A la variable maximum se le asigna el // valor de la variable mayor(a o b)
Operador Switch A diferencia de la sentencia if-else que selecciona entre dos opciones en el programa, el operador switch permite elegir entre varias opciones. La sintaxis de la sentencia switch es:
switch (selector) // Selector es de tipo char o int { case constante1: operación1 // El grupo de operadores que se ejecutan si ...
// el selector y la constante1 son equivalentes
break; case constante2: operación2 // El grupo de operadores se ejecuta si ...
// el selector y la constante2 son equivalentes
break; ... default: operación_esperada // El grupo de operadores que se ejecuta si ... // ninguna constante equivale al selector break; }
La operación switch se ejecuta de la siguiente manera: primero se ejecuta el selector y se compara con la constante1. Si coinciden, las sentencias que pertenecen a ese bloque se ejecutan hasta llegar a la palabra clave break o hasta el final de la operación switch. Si no coinciden, el selector se compara con la constante2. Si coinciden, las sentencias que pertenecen a ese bloque se ejecutan hasta llegar a la palabra clave break etc. Si el selector no coincide con ninguna constante, se ejecutarán las operaciones que siguen al operador default. También es posible comparar una expresión con un grupo de constantes. Si coincide con alguna de ellas, se ejecutarán las operaciones apropiadas:
switch (días) // La variable días representa un día de la semana. {
// Es necesario determinar si es un día laborable o no lo es case1:case2:case3:case4:case5: LCD_message = 'Día laborable'; break; case6:case7: LCD_message = 'Fin de semana'; break; default:LCD_message_1 = 'Elija un día de la semana'; break;
}
La palabra clave de C ‘break’ se puede utilizar en cualquier tipo de bloques. Al utilizar ‘break’, es posible salir de un bloque aunque la condición para su final no se haya cumplido. Se puede utilizar para terminar un bucle infinito, o para forzar un bucle a terminar antes de lo normal.
BUCLES A menudo es necesario repetir una cierta operación un par de veces en el programa. Un conjunto de comandos que se repiten es denominado un bucle de programa. Cuántas veces se ejecutará, es decir cuánto tiempo el programa se quedará en el bucle, depende de las condiciones de salir del bucle.
Bucle While El bucle while se parece a lo siguiente:
while(expresión){
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comandos ... }
Los comandos se ejecutan repetidamente (el programa se queda en el bucle) hasta que la expresión llegue a ser falsa. Si la expresión es falsa en la entrada del bucle, entonces el bucle no se ejecutará y el programa continuará desde el fin del bucle while. Un tipo especial del bucle de programa es un bucle infinito. Se forma si la condición sigue sin cambios dentro del bucle. La ejecución es simple en este caso ya que el resultado entre llaves es siempre verdadero (1=verdadero), lo que significa que el programa se queda en el mismo bucle:
while(1){ // En vez de "while(1)", se puede escribir "while(true)" ...
// Expresiones encerradas entre llaves se ejecutarán
...
// repetidamente (bucle infinito)
}
Bucle For El bucle for se parece a lo siguiente:
for(expresión_inicial; expresión_de_condición; cambiar_expresión) { operaciones ... }
La ejecución de esta secuencia de programa es similar al bucle while, salvo que en este caso el proceso de especificar el valor inicial (inicialización) se realice en la declaración. La expresión_ inicial especifica la variable inicial del bucle, que más tarde se compara con la expresión_ de_condición antes de entrar al bucle. Las operaciones dentro del bucle se ejecutan repetidamente y después de cada iteración el valor de la expresión_inicial se incrementa de acuerdo con la regla cambiar_expresión. La iteración continúa hasta que la expresión_de_condición llegue a ser falsa.
for(k=0; k
