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Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
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Sistemas Digitales Programables I
Tema 10: Métodos y herramientas de diseño para microcontroladores
Departamento de Tecnología Electrónica. SDP I
13/11/2007
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
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Índice Pautas para el diseño de programas para µC Ejemplo de programa
Exploración de un teclado matricial
Herramientas de diseño
Herramientas de programación
Herramientas de depuración
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Diseñ Diseño de programas
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Diseño de programas para microcontroladores Idea de partida:
Todos los microcontroladores tienen suficiente capacidad para desarrollar las tareas habituales de un sistema de control práctico.
Consecuencia importante
Todos los micros son equivalentes y siempre existirá alguno capaz de ejecutar las tareas solicitadas, por tanto:
El programa puede ser diseñado “independientemente” del microcontrolador que lo va a ejecutar.
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Diseñ Diseño de programas
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Diseño de programas para microcontroladores Es fundamental ANALIZAR (diseñar) el programa primero y luego PROGRAMAR (codificar):
Un programa bien diseñado es fácil de trasladar a otro microcontrolador.
Un código diseñado para una CPU específica puede ser de difícil adaptación a otra diferente.
Pasar a código un programa bien diseñado es más metódico, fácil y tiene mayores garantías de buen funcionamiento.
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Diseñ Diseño de programas
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Diseño de programas para microcontroladores Reparto de tareas en la realización de un programa: 1/3 Æ Análisis ……………………………………………………………
33%
1/6 Æ Programación
17%
………………………………………………
1/4 Æ Depuración a nivel de bloques y componentes ……………………………………..……… 1/4 Æ Depuración a nivel de todo el sistema 1
Æ Sistema completo a punto
…………
25% 25%
…………………………… 100%
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Diseño de programas para microcontroladores Comportamiento habitual: programar sin analizar
Sólo funciona para programas muy simples.
En la práctica ocasiona muchos retrasos:
Difícil de depurar los errores
Difícil de modificar
Difícil de documentar
Difícil de mantener el código, …
Conclusión
Sin un análisis y documentación adecuados el trabajo realizado se pierde al no poder ser replicado, mantenido o depurado por otros. Departamento de Tecnología Electrónica. SDP I
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Diseñ Diseño de programas
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Flujo de diseño con microcontroladores Entorno de desarrollo Organigrama Máquinas de estado Redes de Petri Sistema Operativo
PROBLEMA (Software)
ANÁLISIS (Planificación)
no
OK
Lenguaje de programació programación Compilador de alto nivel Ensamblador Enlazador
PROGRAMACIÓN (Codificación y Documentación)
DEPURACIÓN (Puesta a punto) Simulador Sistemas de desarrollo Emulador, etc.
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Aná Análisis
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Flujo de diseño con microcontroladores: Análisis Entorno de desarrollo Organigrama Máquinas de estado Redes de Petri Sistema Operativo
PROBLEMA (Software)
ANÁLISIS (Planificación)
no
OK
Lenguaje de programació programación Compilador de alto nivel Ensamblador Enlazador
PROGRAMACIÓN (Codificación y Documentación)
DEPURACIÓN (Puesta a punto) Simulador Sistemas de desarrollo Emulador, etc.
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Aná Análisis
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Modelos de programación para microcontroladores Funciones de un programa de control de procesos:
Adquisición y acondicionamiento de datos Control digital directo Supervisión del sistema Control de secuencias
Modelos a estudiar
Organigramas (diagramas de flujo) Maquinas de estado finita (Finite State Machine-FSM)
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Modelos de programación para microcontroladores Organigramas:
Inicio
Suelen utilizarse en aplicaciones sencillas o en la planificación de rutinas en las que se divide una aplicación más compleja
Iniciar puerto serie
RI=1
Dato = SBUF
Dato par si P1 = Dato
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no P0 = Dato
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Modelos de programación para microcontroladores Máquina de estados finita (FSM):
Está compuesta por:
n
Estados: Son las diferentes situaciones en las que puede encontrarse el sistema.
o
Entradas (señales de transición de estados): Constituyen los acontecimientos que producen los cambios de estado.
p
Salidas: Respuesta del sistema ante los cambios en las entradas.
q
Funciones de transición de estado: Descripción detallada, para cada estado, de cuál es el siguiente estado y la salida del sistema, cuando se producen las distintas entradas.
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Modelos de programación para microcontroladores Máquina de estados finita (FSM):
Las formas de representarlas son:
Ai=1
Diagrama o grafo de estados Ai=0
s1
Si: Estados Ai: Entrada(s) Bi: Salida(s)
s2 Bi=1
Tabla de transiciones Estado actual
Descripción
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Evento (entrada)
Acción (salida)
Próximo estado
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Modelos de programación para microcontroladores Máquina de estados finita (FSM):
Generación de eventos (atención a las entradas):
La traducción a código de la tabla de transición de estados es muy simple. Problema: ¿Cuándo y cómo deben consultarse las entradas?
Consulta de la llegada de eventos en cierto espacio de memoria reservado. Cuando ocurre un evento, “alguien” deja una señal en el espacio de memoria reservado (modifica un flag, una variable, etc.). Una vez atendido el evento, se desactiva la señal correspondiente.
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Modelos de programación para microcontroladores
Máquina de estados finita (FSM):
Alternativas en la detección de eventos:
n Rutina de atenció atención a una interrupció interrupción: Se trata de una rutina asociada a la entrada en cuestió cuestión, la que coloca la señ señal en el espacio de memora reservado, cada vez que se active dicha entrada.
o Rutina de interrupció interrupción de un reloj: Se trata de una interrupció interrupción perió periódica que se ejecuta cada cierto tiempo (ej. (ej. 20ms) y se encarga de consultar si alguna entrada está está activa. En caso de que así así sea, coloca dicho evento en la memoria reservada, para que el programa principal principal proceda segú según convenga.
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Aná Análisis
Modelos de programación para microcontroladores Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Máquina de estados finita (FSM): Ejemplo
Diseño de una FSM para el control de un ascensor (dos plantas) Estados del sistema
s1. s2. s3. s4.
Ascensor Ascensor Ascensor Ascensor
en planta baja (PB) subiendo (SUBE) en planta alta (PA) bajando (BAJA)
Entradas al sistema (eventos)
Botón de subida pulsado (P_SUBIR) Botón de bajada pulsado (P_BAJAR) Sensor de llegada a planta baja activado (S_BAJA) Sensor de llagada a planta alta activado (S_ALTA)
Salidas del sistema (acciones)
Activar el motor para subir (M_SUBIR) Activar el motor para bajar (M_BAJAR) Parar el motor (M_STOP) Abrir puerta (OPEN) Cerrar puerta (CLOSE) Encender/Apagar botón planta baja (LED_B_ON/LED_B_OFF) Encender/Apagar botón planta alta (LED_A_ON/LED_A_OFF)
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Modelos de programación para microcontroladores Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Máquina de estados finita (FSM): Ejemplo
Diagrama de estados del sistema
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Aná Análisis
Modelos de programación para microcontroladores
Estado actual
transició ón de estados Tabla de transici
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Máquina de estados finita (FSM): Ejemplo
1
2
3
4
Descripción
Evento (entrada)
Ascensor parado en planta baja
P_SUBIR
Ascensor subiendo
Ascensor bajando
Cerrar puerta Activar motor subir Apagar LED P_BAJA
Próximo estado 2
P_BAJAR
-
1
P_SUBIR
-
2
P_BAJAR
-
2
S_BAJA
Error
2
S_ALTA
Parar motor Abrir puerta Encender LED P_ALTA
3
Cerrar puerta Activar motor bajar Apagar LED P_ALTA
4
P_BAJAR
Ascensor parado en planta alta
Acción (salida)
P_SUBIR
-
3
P_SUBIR
-
4
P_BAJAR
-
4
S_ALTA
Error
4
S_BAJA
Parar motor Abrir puerta Encender LED P_ALTA
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
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Flujo de diseño con microcontroladores: Programación Entorno de desarrollo Organigrama Máquinas de estado Redes de Petri Sistema Operativo
PROBLEMA (Software)
ANÁLISIS (Planificación)
no
OK
Lenguaje de programació programación Compilador de alto nivel Ensamblador Enlazador
PROGRAMACIÓN (Codificación y Documentación)
DEPURACIÓN (Puesta a punto) Simulador Sistemas de desarrollo Emulador, etc.
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
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Lenguajes de programación Ensamblador
Ventajas: Permite desarrollar programas muy eficientes:
Uso eficiente de recursos Código compacto
Control total sobre el tiempo de ejecución de las instrucciones Æ especialmente importante en aplicaciones en tiempo real Desventajas:
Programación costosa y difícil de modificar
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Lenguajes de programación Lenguajes de alto nivel: C, Pascal, BASIC, Java
Ventajas:
Desarrollo de aplicaciones más rápido Æ menor tiempo de desarrollo
Programación más cómoda Ædisponibilidad de funciones de manejo de módulos internos
Mantenimiento de la aplicación menos costoso Desventajas:
Código menos eficiente
Mayor ocupación del espacio de memoria
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
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Estructura de un programa en lenguaje ensamblador Los programas de los microcontroladores suelen dividirse en dos grandes grupos:
9 La estructura de interrupciones, formada por las rutinas de servicio a las mismas.
9 El programa principal, que consta de dos partes: n La rutina de inicialización del sistema. o Un lazo de ejecución perpetua, en donde se ejecutan todas aquellas tareas que no estén ligadas a la estructura de interrupciones: máquina de estados principal, rutinas no críticas, inicialización del circuito de vigilancia, …
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
INT1
Inicialización
Subrutinas que se ejecutarán cada vez que se ejecuta el lazo
Puesta a cero del temporizador
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Subrutinas de interrupción
Programa principal
Reset
Subrutina de servicio
RETI
…
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Estructura de un programa en lenguaje ensamblador
INTn
Subrutina de servicio
RETI
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
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Ejemplo de diseño: Exploración de un teclado matricial conectado al puerto 0 del 8051
1
2
3
A
P0.7
4
5
6
B
P0.6
7
8
9
C
P0.5
*
0
#
D
P0.4
P0.3
P0.2
P0.1
P0.0
VCC
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
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Ejemplo de diseño: Exploración de un teclado matricial conectado al puerto 0 del 8051
Análisis del problema: Organigrama del programa principal
teclado.src
Declaració Declaración de variables, constantes, etc.
Inicializació Inicialización de variables, registros, etc.
kb_scan: Subrutina que ejecuta la exploració exploración del teclado
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Kb_scan
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
Ejemplo de diseño: Exploración de un teclado matricial Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
conectado al puerto 0 del 8051
Análisis del problema: Organigrama de la Subrutina kb_scan
Tecla de fila actual pulsada
si
no
kb_scan.src
Rota má máscara a la derecha
Busca có código
índice = 0
máscara = 1111 0111
máscara = 0111 1111
si
1 P0 = má máscara
kb_in = 0
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ret
kb_in = có código
no
1
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ret
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Ejemplo de diseño: Exploración de un teclado matricial Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
conectado al puerto 0 del 8051
fichero: “teclado.src.” teclado.src.” ;Interfaz de un teclado matricial ;Definició ;Definición de variables origen EQU 0H puerto EQU P0 indice DATA 61H Kb_in DATA 62H ORG origen jmp inicio ORG origen+100H ;Programa principal inicio: call kb_scan jmp inicio Departamento de Tecnología Electrónica. SDP I
;Definició ;Definición de subrutinas ;Subrutina de exploració exploración el teclado kb_scan: kb_scan: mov indice, indice, #0 mov A,#01111111B A,#01111111B scan: mov puerto,A scan: nop nop jb puerto.3,bit2 jmp codigo bit2: inc indice jb puerto.2,bit1 jmp codigo bit1: inc indice jb puerto.1,bit0 jmp codigo bit0: inc indice jnb puerto.0,codigo puerto.0,codigo inc indice rr A cjne A,#11110111B,scan A,#11110111B,scan mov kb_in,#0 kb_in,#0 13/11/2007 ret
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
Ejemplo de diseño: Exploración de un teclado matricial Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
conectado al puerto 0 del 8051
;Subrutina de identificació identificación de có código codigo: codigo: mov A,indice mov DPTR,#tabla DPTR,#tabla movc A,@A +DPTR A,@A+DPTR mov kb_in,A ret ;Definició ;Definición de una tabla en memoria de programa ORG origen+200H tabla: DB
'123A456B789C*0#D '123A456B789C*0#D‘‘
;Fin del programa END Departamento de Tecnología Electrónica. SDP I
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Herramientas para la programación Compilador de lenguajes de alto nivel (compiler):
Programas capaces de convertir un programa escrito en un lenguaje de alto nivel (lenguaje C, Pascal, etc.) a lenguaje máquina (ejecutable por el microcontrolador) o al lenguaje ensamblador del mismo (lenguaje nemotécnico de nivel inmediatamente superior al máquina).
Ensamblador (assembler) o compilador:
Programas capaces de generar programas en lenguaje máquina (generalmente ficheros objeto) partiendo de ficheros en lenguaje ensamblador. Departamento de Tecnología Electrónica. SDP I
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
Fragmento del fichero “teclado.lst” (generado por el ensamblador Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
MCSMCS-51)
LOC 0000 0000 0100 0100 0103
0105 0108 010A 010C 010D 010E 0111 0114 0116
OBJ 020100 120105 80FB
756100 747F F580 00 00 208303 020133 0561 208203
LINE
SOURCE
88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105
ORG origen jmp
inicio
ORG origen+100H inicio: call kb_scan jmp inicio ;Subrutina de exploraci"n del teclado kb_scan:mov indice,#0 indice,#0 mov A,#01111111B A,#01111111B mov puerto,A scan: : scan nop nop jb puerto.3,bit2 jmp codigo bit2: inc indice jb puerto.2,bit1
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
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Herramientas para la programación Enlazador (linker): Se encargan de:
Unir varios ficheros objeto (denominados módulos del programa) en un único fichero de salida ejecutable por el microcontrolador.
Colocar los diferentes módulos y secciones definidas en el programa en la memoria adecuada (RAM, ROM, EPROM…) y en la sección adecuada (de código, de datos de registros, etc.)
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Programació Programación
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Fragmento del fichero “teclado.hex” (generado por el enlazador OH)
:03000000020100FA :1001000012010580FB756100747FF580000020837B :10011000030201330561208203020133056120815E :1001200003020133056130800A056103B4F7DB7512 :0C013000620022E56190020093F562225B :0F02000031323341343536423738432A302344C4 :00000001FF
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Depuració Depuración
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Flujo de diseño con microcontroladores: Depuración Entorno de desarrollo Organigrama Máquinas de estado Redes de Petri Sistema Operativo
PROBLEMA (Software)
ANÁLISIS (Planificación)
no
OK
Lenguaje de programació programación Compilador de alto nivel Ensamblador Enlazador
PROGRAMACIÓN (Codificación y Documentación)
DEPURACIÓN (Puesta a punto) Simulador Sistemas de desarrollo Emulador, etc.
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Depuració Depuración
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Herramientas para la depuración Simulador (simulator):
El simulador ejecuta el programa de un microcontrolador en un computador de propósito general (p.e. un PC).
Los contenidos de las zonas de memoria, registros y algún periférico pueden ser observados y modificados.
No soporta interrupciones reales ni (generalmente) hardware adicional.
No funciona en tiempo real.
La velocidad de ejecución es menor que en el µC.
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Depuració Depuración
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Herramientas para la depuración Depurador en el sistema (In-System Debugger): Generalmente el µC ejecuta un programa monitor que le permite comunicarse
con un PC para visualizar la ejecució ejecución del programa de la aplicació aplicación. El programa monitor coloca puntos de ruptura (breakpoints (breakpoints)) en el programa de
la aplicació aplicación para provocar su interrupció interrupción y poder visualizar el contenido de los registros del µC. DEPURADOR EN EL SISTEMA
Utiliza recursos del µC
(puerto de comunicació comunicación, interrupció interrupción y memoria) y
PROGRAMA MONITOR
COMPUTADOR PERSONAL
ralentiza la ejecució ejecución del programa de la aplicació aplicación (acceso a memoria y registros y comunicació comunicación). Departamento de Tecnología Electrónica. SDP I
INTERFAZ
PROGRAMA DE CONTROL
MICROCONTROLADOR
Zócalo del Microcontrolador
PROTOTIPO
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Depuració Depuración
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Herramientas para la depuración Emulador en el sistema (In-Circuit Emulator):
Hardware que implementa todas las funciones del µC Æ capaz de obtener información y actuar sobre la aplicación sin gastar recursos del µC.
Permite probar el programa de la aplicación a su velocidad real, incluyendo la gestión de las interrupciones.
Se comunica por una parte con un computador o terminal (vía RS232 o similar) y por otra con el sistema receptor del µC (mediante el POD).
EMULADOR RAM DE COMPUTADOR PERSONAL
ACCESO DOBLE
MICROCONTROLADOR ESPECIAL
Zócalo del Microcontrolador
PROTOTIPO
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Flujo de diseñ diseño con microcontroladores: Depuració Depuración
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Herramientas para la depuración Programadores (programmer):
Una vez comprobado el correcto funcionamiento del programa desarrollado hay que grabar el código en memoria no volátil.
Si se utiliza memoria de programa externa tipo EPROM será necesario utilizar un programador externo.
En el caso de un µC con memoria de programa interna o memoria externa FLASH, se puede utilizar un programador externo o si se utiliza un depurador generalmente éste permite la programación del dispositivo.
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Herramientas para el diseñ diseño con microcontroladores
Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Entorno de desarrollo utilizado en las prácticas:
UVI51
UVIENS51
OH UVIDEP51
UVISIM51 Departamento de Tecnología Electrónica. SDP I
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Herramientas para el diseñ diseño con microcontroladores
Altair
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Sistema de desarrollo utilizado en las prácticas:
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Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: µVision2 IDE
(Project manager, editor & debugger)
µVision2 IDE integra: Gestor de proyectos Editor de código Simulador/Depurador en un mismo entorno Departamento de Tecnología Electrónica. SDP I
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Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: µVision2 IDE
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Tema 10. Métodos y herramientas de diseño
Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: µVision2 Editor (editor de có código)
El editor de código de µVision2 dispone de un conjunto de facilidades optimizadas para el código C o ensamblador. La edición está disponible durante la depuración por lo que se puede verificar la aplicación y modificarla de forma muy rápida.
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Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: Compilador Cx51
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Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: Enlazador Lx51
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Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: µVision2 Debugger (simulador) El simulador de µVision2 permite simular el funcionamiento de los periféricos internos de más de 200 dispositivos. Incluye CAN, I2C, PWM, ADC, DAC, EEPROM, UART, temporizadores, etc.
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Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: µVision2 Debugger (simulador) Analizador de prestaciones (Performance Analyzer) Almacena y muestra los tiempos de ejecución (tiempos de CPU) que requieren los diferentes bloques y funciones del programa. Esta información se puede utilizar para determinar los bloques más lentos del programa y centrar los esfuerzos en mejorarlos.
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Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: µVision2 Debugger (depurador)
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Herramientas para microcontroladores 8051 Entorno de desarrollo: MCB517 Starter Kit
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Herramientas para el diseñ diseño con microcontroladores
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Herramientas para microcontroladores 8051 Páginas web de interés:
8051 Development Tools (http://bit.kuas.edu.tw/~8051/)
Paul's Free 8051 Tools, Code and Projects (http://www.pjrc.com/tech/8051/)
Desde estas páginas se puede acceder a bibliografía, herramientas de libre distribución, esquemáticos de sistemas de desarrollo y programadores, así como código fuente de diferentes aplicaciones.
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Herramientas para microcontroladores PIC
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Herramientas para microcontroladores PIC
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Herramientas para microcontroladores PIC
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Herramientas para microcontroladores PIC
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Bibliografía básica [PEAT 98]
John Peatman J., Design with Microcontrollers, Editorial McGraw-Hill, 1998.
[GONZ 92] González J. A., Introducción a los microcontroladores, Editorial McGraw-Hill, 1992. [MAND 07] Mandado E., Menéndez L. M., Ferreira L. F., Matos E. L., Microcontroladores PIC. Sistema Integrado para el Autoaprendizaje, Editorial Marcombo, 2007. [PEAT 97]
John Peatman J., Design with PIC Microcontrollers, Editorial Prentice Hall, 1997.
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