Microcontrôleurs PIC. Architecture et mise en œuvre des microcontrôleurs PIC d Arizona Microchip

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1 1 Microcontrôleurs PIC Architecture et mise en œuvre des microcontrôleurs PIC d Arizona Microchip S. Bonnet 15/12/2003 sbonnet@hds.utc.fr Merci de signaler les erreurs 1 2 Plan 1. L informatique enfouie 2. Les microcontrôleurs 3. La famille PIC d Arizona Microchip 4. Architecture du PIC 16F Unité centrale 4.2 Mémoire 4.3 Ports d entrée/sortie 4.4 Périphériques 5. Outils de développement 6. Exemple d application : une minuterie 2

2 3 1. L informatique enfouie Un système enfoui (ou embarqué) est un système informatique spécialisé faisant partie d un système ou d une machine plus grande On en trouve partout : avions, voitures, électroménager, hi-fi Virtuellement, tout équipement qui dispose d une interface numérique contient un (ou plusieurs) systèmes enfouis, mettant en œuvre ou non un système d exploitation. 3 4 Un système enfoui est destiné à prendre en compte des informations en provenance du monde réel et, en fonction de ces informations, à agir sur le monde réel Il doit donc disposer des éléments suivants : Interfaçage avec des capteurs Moyen de calcul et de prise de décision Interfaçage avec des actionneurs 4

3 5 Exemple : l ABS Des capteurs de vitesse sur les roues renseignent un calculateur sur leur éventuel blocage Le calculateur, après traitement, agit sur les cylindres de frein pour moduler la pression et éviter le blocage des roues 5 6 Afin de réaliser un système enfoui, on a besoin : De périphériques d entrée (interfaçage avec des capteurs numériques, analogiques ) D un moyen de calcul (microprocesseur, DSP ) De périphériques de sortie (interfaçage avec les actionneurs qui agissent sur la machine et communication avec le monde extérieur) 6

4 7 Avec un microprocesseur d usage général cela suppose : Le microprocesseur et ses composants annexes (mémoire RAM, ROM, «glue logic») Des circuits périphériques spécialisés tels que des ports parallèles (entrées/sorties logiques), des convertisseurs analogiques/numériques, des transmetteurs/récepteurs série (UART) µp RAM ROM Port // UART CAN Introduit des problèmes d encombrement et de coût Système physique Les Microcontrôleurs Afin de répondre a ces besoins, les fabricants de semiconducteurs on eu l idée de regrouper toutes ces fonctions dans un seul circuit spécialisé : le microcontrôleur. µp RAM ROM Port // UART CAN Système physique 8

5 9 Divers fabricants proposent des microcontrôleurs. Par exemple : Motorola (Série 68HC11) Atmel (Série AVR) Parallax (Série Basic Stamp) Arizona Microchip (Série PIC) Rabbit Semiconductor (Série Rabbit) Il s agit d un marché gigantesque : Arizona Microchip déclare avoir vendu plus de 1,5 milliards d unités (2001) Les caractéristiques principales d un microcontrôleur sont : De nombreux périphériques d E/S Une mémoire de programme Une mémoire vive (en général de type SRAM) Eventuellement une mémoire EEPROM destinée à la sauvegarde par programme de données à la coupure de l alimentation Un processeur 8 ou 16 bits Faible consommation électrique 10

6 11 Les tailles mémoire sont en général réduites, de l ordre de : 16 ko pour la mémoire programme Quelques octets à 16 ko pour la RAM La puissance de calcul est aussi limitée : MIPS pour les Basic Stamp 1 à 5 MIPS pour les PIC 20 MIPS pour les Rabbit Jusqu à 60 MIPS pour les 68HCxx de Motorola incluant un DSP On peut comparer ces puissances à celle d un Pentium 4, qui est de l ordre de 5000 MIPS. Pour référence, un à 6MHz permet d atteindre 0.9 MIPS En conséquence, l usage de microcontrôleurs est limitée à des applications : Très spécialisées (programmes courts) Peu intensives en calcul Ayant des besoins importants en matière d interfaçage avec l extérieur. 12

7 13 3. La famille PIC Arizona Microchip propose plus de 180 modèles : Famille Mémoire programme (instruction) RAM (Octets) EEPROM (Octets) Horloge (MHz) PIC PIC PIC PIC Ils se différencient par : La nature et le nombre de périphériques parmi : Ports parallèles Comparateurs analogiques Convertisseurs Analogique/Numérique Sorties PWM (Pulse Width Modulation) Interfaces série RS-232 Compteurs 8 et 16 bits Le type de la mémoire programme : PROM (Programmable ROM), série C Flash, série F. Par contre, leurs unités de calcul sont similaires : 8 bits Architecture RISC (Reduced Instruction Set Computer) Temps d exécution des instructions : 1 cycle, sauf pour les sauts, 2 cycles. Technologie CMOS 14

8 15 4. Architecture du PIC16F628 Caractéristiques - Mémoire Flash programme : 2048 instructions - RAM : 224 octets - EEPROM : 128 octets - Ports d E/S : 2 ports 8 bits - 3 Compteurs/Timers (8 et 16 bits) - 2 comparateurs analogiques - 1 module Capture/Compare/PWM (CCP) - 1 USART (Universal Synchronous/Asynchrnous Receiver/Transmitter) - Horloge jusqu à 20 MHz Brochage Les broches possèdent plusieurs affectations entre les périphériques et les fonctions système. Il est donc impossible d utiliser conjointement toutes les E/S disponibles. 16

9 Unité centrale Le fonctionnement de l unité centrale est de type RISC 35 instructions Elle est composée de 3 entités : L ALU et son registre d état STATUS Le registre de travail W (Working Register) Les registres d usage général (File Registers) Registre instructions Valeur immédiate 8 ALU 3 Registres (RAM) W STATUS 18

10 19 Les opérations possibles sont alors les suivantes : W W (op) valeur immédiate ADDLW H FF Dest. W (op) registre ADDWF Registre, Dest. Registre W MOVWF Registre Dest. Registre MOVF Registre, Dest. Dest. Registre +/- 1 INCF Registre, Dest. Dest. Registre +/- 1 et test INCFSZ Registre, Dest. Manipulation et test individuel de bits sur les registres Où : (op) représente une opération arithmétique ou logique Dest. Représente la destination des données (W ou le registre concerné) Registre d état (STATUS) Ce registre contient les bits d état de l ALU ainsi que les bits de sélection des bancs mémoire. L état de l ALU est indiqué par : Le bit C (Carry), qui indique un débordement de la dernière opération arithmétique Le bit DC (Digit Carry), qui indique un débordement sur les 4 bits de poids faible Le bit Z, qui indique que le résultat d une opération est nul. 20

11 Format des instructions Les instructions sont toutes codées sur 14 bits. Lorqu une instruction contient l adresse d un registre, celle-ci est codée sur 7 bits. On ne peut donc accéder directement qu à 128 registres Séquencement des instructions Le processeur est piloté par un générateur de signaux qui divise l horloge système par 4. Le cycle machine est donc 4 fois plus long que la période d horloge. 22

12 23 Le processeur utilise un pipe-line à deux étages (Fetch et Execute) lors de l exécution. Il peut donc potentiellement exécuter une instruction par cycle. Lors qu une instruction de saut est rencontrée, cette cadence est brisée : il faut vider le pipe-line (flush) COMF DECF MOVF RLF Mnémonique, opérande ADDWF ANDWF CLRFf,d CLRW - DECFSZ INCF f,d INCFSZ IORWF MOVWF NOP - f,d RRF f,d SUBWF SWAPF XORWF f,d f,d f,d f,d f,d f,d f,d f,d f f,d f,d f,d Move f Jeu d instructions Add W and f AND W with f Clear f Clear W Complement f Decrement f Decrement f skip if 0 Increment f Increment f skip if 0 Inclusive OR W with f Move W to f No Operation Description Rotate Left f through Carry Rotate Right f through Carry Substract W from f Swap nibbles with f Exclusive OR W with f Drapeaux (STATUS) C,DC,Z Z Z Z Z Z Z Z Z C C C,DC,Z Z BCF BSF BTFSC BTFSS Mnémonique, opérande ADDLW ANDLW CALL GOTO IORLW MOVLW RETFIE RETLW RETURN SLEEP SUBLW XORLW f,b f,b f,b f,b k CLRWDT - k k k k k k k k Bit clear f Bit set f Description Bit test f, skip if Clear Bit test f, skip if Set Add Literal and W AND Literal with W Call subroutine Clear Watchdog Timer Go To Adress Inclusive OR Literal with W Move Literal to W Return from Interrupt Return with Literal in W Return from Subroutine Go into standby mode Substract W from Literal Exclusive OR Literal with W Drapeaux (STATUS) C,DC,Z Z T0n,PDn Z T0n, PDn C,DC,Z Z 24

13 25 Exemples d instructions Ajouter 12 au registre 0x20 MOVLW H 0C ; Mettre 12 dans W ADDWF H 20, f ; Additionner W et le registre 20h. ; Stocker le résultat dans le registre ; 20h L opérande destination spécifie l endroit ou est stocké le résultat : f : le résultat est stocké dans le registre référencé par l instruction w : le résultat est stocké dans le registre W. Aller à l adresse 5 si le registre 0x20 est nul MOVF H 20, f ; Stocke le registre dans lui-même ; afin de positionner les drapeaux BTFSC STATUS,Z ; Tester le bit Z du registre STATUS. ; Sauter l instruction suivante si il est ; à 0. GOTO H 05 ; Aller en 5. NOP ; Ne rien faire Il n y a pas d instructions de saut conditionnel comme sur le par exemple (BNE, BEQ ). La construction de telles structures se fait en utilisant des instructions qui sautent l instruction suivante si leur résultat est nul (DECFSZ, INCFSZ, BTFSC et BTFSS) Mémoire Les microcontrôleurs PIC sont basés sur une architecture de type HARVARD. Il y a séparation des bus d instruction et de données ainsi que de l espace d adressage. On distingue donc deux types de mémoire : La mémoire de programme La mémoire de données RAM (Registres) 26

14 Mémoire de programme Les instructions sont stockées sur 14 bits dans une mémoire Flash dont l adresse s étend de 000h à 7FFh, soit 2048 lignes de programme sur le PIC16F628. Deux de ces lignes sont réservés pour : La première instruction exécutée après un RESET La première instruction exécutée lors d une interruption Le processeur possède une pile de 8 niveaux pour gérer les adresses de retour des sous-programmes. Elle est mise à jour automatiquement Le Compteur Ordinal (PC) Longueur : 13 bits Le processeur ne gère que des données de 8 bits, et des adresses de 11 bits (cf format des instructions). Un registre (PCLATH) supplémentaire est utilisé pour compléter le compteur lors des calculs, des sauts et des appels de sous-programmes. PCL contient les 8 bits de poids faible du compteur. 28

15 29 Exemple : appel de sous-programme ORG H FF ; Instruction suivante à l adresse ffh. MOVLW HIGH SP1 ; Mettre dans PCLATH les 8 bits de poids fort ; de l adresse de SP1. MOVWF PCLATH ; PCLATH = 08h CALL SP1 ; Calcule l adresse du saut Adresse encodée dans le CALL CLRF PCLATH, f ; Remettre PCLATH à 0. ORG H 800 ; SP1 à l adresse 800h SP1 RETURN ; Ne fait pas grand-chose Mémoire de données La mémoire de données correspond aux registres (File registers) vus par l unité centrale. Ces registres sont de deux types : Registres «système». Ils servent à la configuration et à la surveillance de l état du processeur et de ses périphériques Registres d usage général. Ils permettent le stockage de variables. L adressage des registres se fait sur 7 bits. L espace mémoire est donc décomposé en 4 bancs de 128 registres. 30

16 La sélection du banc courant se fait au travers du registre STATUS : Choix du banc (0 à 3) Ainsi, pour accéder au registre A0h (Banc 1), on écrira 01b dans RP1/RP0 : movlw H 0C ; W 12 bcf STATUS,RP1 ; Sélection du banc bsf STATUS,RP0 movwf H A0 ; Reg. A0h W 32

17 33 Adressage indirect L adressage indirect se fait en utilisant un registre virtuel (INDF) dont l adresse est définie par le contenu du registre FSR (File Select Register) et le bit IRP du registre STATUS. INDF sert alors de pointeur sur un registre donné. Exemple : mise à 0 des registres 20h à 2Fh bcf STATUS, IRP ; Banc 0 movlw H 20 ; W 20 movwf FSR ; FSR W Suivant clrf INDF ; Mettre à 0 le registre ; d adresse pointée par FSR incf FSR ; Incrémenter le pointeur FSR btfss FSR,4 ; FSR > 2Fh? goto Suivant ; Non -> aller en Suivant En résumé : fonctionnement des adressages direct et indirect 34

18 Ports d entrées/sorties Deux ports d E/S sont disponibles Le port A (Broches RA0 à RA7) Le port B (Broches RB0 à RB7) Ils peuvent servir d E/S numériques standard ou d E/S de périphériques internes. Ils sont bidirectionnels : la configuration des registres TRISA et TRISB permet de spécifier le sens de la communication Schéma-bloc du bit 0 du port A Fonctions du bit 0 : E/S numérique Entrée analogique pour le comparateur 1 A l initialisation, le comparateur 1 est actif Analog Input Mode = 1 Par défaut, ce bit n est donc pas configuré pour pouvoir servir d entrée numérique. Les périphériques internes prennent toujours le dessus sur les entrées numériques! 36

19 37 Programmation des ports A chaque ligne d E/S est associée un bit de direction dans TRISA (resp TRISB) pour le port A (resp. pour le port B) : si le bit est à 0, la ligne est configurée en sortie si le bit est à 1, elle est configurée en entrée. L état logique des signaux est accessible dans les registres PORTA et PORTB. Si une ligne est configurée en sortie, elle est forcée à la valeur logique correspondante au bit qui lui est associé dans PORTA ou PORTB Exemple : on configure la ligne RA0 en sortie, et on la force à l état logique 1 movlw H 07 ; Valeur du masque iorwf CMCON, f ; Désactiver les comparateurs bsf STATUS, RP0 ; Passer au banc 1 bcf TRISA, 0 ; Mettre RA0 en sortie bcf STATUS, RP0 ; Repasser au banc 0 movlw H 01 ; Valeur du masque iorwf PORTA, f ; Mettre la sortie RA0 à 1 38

20 Périphériques Les périphériques présents sur le PIC16F628 sont : Deux timers 8 bits (Timer 0 et 2) Un timer 16 bits (Timer 1) Deux modules comparateurs analogiques permettant la détection de niveaux de tension Un module de génération de tensions de référence pour les comparateurs Un module CCP (Capture/Compare/PWM) permettant de mesurer des largeurs d impulsion ou de générer un signal à rapport cyclique variable (PWM) Un USART permettant au composant de communiquer par l intermédiaire d une liaison série RS Tous les périphériques sont pilotés au moyen de registres : De contrôle, qui permettent de sélectionner leur mode de fonctionnement, D état, qui renseignent sur le comportement et sur la situation de chacun d entre eux (ex: présence d un caractère dans le tampon de réception de l USART) De données Ces différentes fonctions peuvent être le cas échéant combinées dans des registres identiques. 40

21 41 Le timer 0 Un timer est un compteur incrémenté à chaque impulsion d une horloge. Lorsque le compte parvient à 0 par débordement, il signale la fin du comptage par le positionnement d un bit d état et peut, le cas échéant, déclencher une interruption. Il s agit donc d un dispositif permettant de compter le nombre d impulsions d un signal d horloge Le timer 0 présente les caractéristiques suivantes : Compteur 8 bits, le débordement survient lors du passage de FFh à 00h Utilisation soit de l horloge interne, soit d un signal externe (RA4/T0CKI) Prédiviseur programmable de 1 à 256 Déclenchement d une interruption lors du débordement Attente de deux cycles lors de l écriture d une nouvelle valeur par programme dans le registre de comptage 42

22 43 Bus de données RA4/T0CKI H/4 Sélection front montant/descendant 0 1 Prédiviseur 1 0 Sync. (2 cycles) TMR0 T0SE T0CS PS[2:0] PSA Positionne le drapeau T0IF en cas de débordement Bits mis en œuvre : T0SE : Sélection du front actif de l horloge externe T0CS : Sélection de la source de l horloge (interne ou externe) PS0, PS1, PS2 : sélection de la prédivision de l horloge de comptage : 0h => 2, 1h => 4,, 7h =>256 PSA : activation du prédiviseur (prescaler) TMR0 : compteur 8 bits accessible en lecture/écriture par programme. T0IF : mis à 1 lors du débordement Registres associés au timer 0 44

23 Interruptions Le processeur dispose de dix sources d interruption. Entre autres : Externe : à partir de la broche RB0/INT Débordement du Timer 0 Changement d état des broches RB[7:4] Module comparateurs analogiques USART Module CCP Débordement du Timer 1 Reconnaissance d occurrence (match) du Timer Les interruptions sont masquables individuellement, par groupes ou en totalité. Chaque source d interruption est contrôlée par un bit d activation (Enable), et génère un drapeau (Flag) lors du déclenchement d une interruption. Ainsi, le bit T0IE du registre INTCON active la prise en compte de l interruption de débordement du Timer 0. Le bit T0IF de ce même registre est positionné au moment du débordement, pour signaler que la source de l interruption est le Timer 0. 46

24 47 Registres associés aux interruptions GIE est le bit d activation globale PEIE est le bit d activation des interruptions en provenance des périphériques Sous-programme d interruption Un seul sous-programme d interruption est possible. Il doit : Débuter à l adresse 004h en mémoire programme Sauvegarder les registres W et STATUS Se terminer par RETFIE Puisqu il ne peut y avoir qu un seul sousprogramme d interruption, l identification de la source de l interruption est à la charge du programmeur. 48

25 49 Exemple de sous-programme d interruption ORG H 04 ; Débuter à l adresse 4 Sauvegarde du contexte MOVWF W_TEMP ; Sauvegarde de W dans un registre SWAPF STATUS, W ; On met status dans W ; On utilise SWAPF car MOVF modifie STATUS! MOVWF STATUS_TEMP ; Sauvegarde de STATUS BCF STATUS, RP0 ; Banc 0 BCF INTCON, GIE ; Interdiction de toute interruption Identification de la source d interruption BTFSC INTCON,T0IF CALL SPInt_Timer0 ; Débordement Timer 0 BTFSC PIR1,CMIF CALL SPInt_Compare ; Comparateur BTFSC INTCON,RBIF CALL SPInt_RB ; Changement sur le port B[7:4] Fin du sous-programme d interruption, restauration du contexte et sortie BCF STATUS, RP0 ; Banc 0 SWAPF STATUS_TEMP,W MOVWF STATUS ; Restauration de STATUS MOVF W_TEMP, W ; et de W RETFIE ; Retour au programme principal et revalidation de GIE Note : on prendra soin de stocker W_TEMP et STATUS_TEMP dans des registres au-delà de 70h. En effet, cet espace mémoire est répliqué dans tous les bancs Assembleurs : 5. Outils de développement MPLAB de Microchip (gratuit) GPUTILS sous licence GNU Compilateurs C MPLAB C17 et MPLAB C18 (payants) Divers projets libres, toujours sur le site de GPUTILS CSS Compilers (payant) 50

26 51 Simulateurs Proteus VSM (payant) Et encore et toujours GPUTILS Exemple d application : une minuterie Principe L utilisateur appuie sur un poussoir Une lampe s allume pendant 2 minutes puis s éteint L utilisateur peut alors rallumer la lumière en appuyant à nouveau sur le poussoir. 52

27 Mise en œuvre matérielle Vcc PIC16F628 RA0 RA1 4MHz OSC1 OSC2 L horloge est de 4 MHz RA0 passe à 0 lors de l appui sur le bouton Quand RA1 est à 0, l ampoule est éteinte Quand RA1 est à 1, l ampoule est allumée Mise en œuvre logicielle Le logiciel doit implémenter l automate suivant S1 RA1=1 Timeout=1 S2 En S1, on attend l appui sur le bouton. En S2, on déclenche le comptage, on allume l ampoule (RA0 <= 1) et on attend la fin du comptage. 54

28 55 Pour réaliser le comptage, on utilise le Timer 0. L horloge est de 4 MHz. La fréquence de l horloge de comptage est donc de 1MHz. En utilisant une prédivision par 64, l horloge n est plus que de Hz. En utilisant la valeur de comptage maximale (256), on obtient environ 61 débordements par seconde L algorithme de comptage est donc : Initialiser Tics à 61 Initialiser Secondes à 60 Initialiser Minutes à 2 Initialiser TMR0 à 0 Si débordement alors Tics = Tics 1 Finsi Si Tics = 0 alors Secondes <= Secondes 1 Tics <= 61 Finsi Si Secondes = 0 alors Minutes <= Minutes 1 Secondes <= 60 Finsi Si Minutes = 0 alors Timeout <= 1 Arrêter le comptage Finsi 56

29 57 On implémente cet algorithme dans un sous-programme d interruption déclenché à chaque débordement ORG H 04 ; SP d interruption à l adresse 4 MOVWF W_TEMP ; Sauvegarde du contexte SWAPF STATUS, W MOVWF STATUS_TEMP BCF STATUS, RP0 BCF INTCON, GIE BTFSC INTCON,T0IF ; Identification de la source CALL Decompte BCF STATUS, RP0 ; Restitution du contexte SWAPF STATUS_TEMP,W MOVWF STATUS MOVF W_TEMP, W RETFIE Decompte DECFSZ TICS,f ; Décrémenter TICS RETURN MOVLW H 3D ; TICS = 0 MOVWF TICS ; TICS <= 61 DECFSZ Secondes,f ; Décrémenter Secondes RETURN MOVLW H 3C ; Secondes = 0 MOVWF Secondes,f ; Secondes <= 60 DECFSZ Minutes,f ; Décrémenter Minutes BSF Timeout,1 ; Minutes = 0, ; Mettre timeout à 1 BCF INTCON,T0IE ; Arrêter le comptage RETURN L algorithme du programme principal est simple : Initialiser les ports Répéter Si RA0 = 0 alors Timeout <= 0 Déclencher le comptage RA1 <= 1 Tant que Timeout = 0 faire <Rien> Fin Tant que RA1 <= 0 Finsi 58

30 59 Ce qui s implémente simplement comme suit : MOVLW H 07 ; Valeur du masque IORWF CMCON, f ; Désactiver les comparateurs BSF STATUS, RP0 ; Passer au banc 1 BSF TRISA, 1 ; Mettre RA0 en entrée BSF TRISA, 0 ; Mettre RA1 en sortie CLRWDT ; Initialisation de Timer0 : MOVLW B ; Source interne, prédivision par 64 MOVWF OPTION_REG, f BCF STATUS, RP0 ; Repasser au banc 0 BCF INTCON, GIE ; Interdire les interruptions BSF INTCON, T0IE ; Autoriser Timer 0 à générer des interruptions BSF INTCON, PEIE ; Autoriser les interruptions périphériques Boucle BTFSC PORTA, RA0 ; Tester si RA0 = 0 GOTO Boucle ; Non => aller en Boucle BSF PORTA, RA1 ; Allumer l ampoule ; Déclenchement du comptage MOVLW H 3C MOVWF Secondes, f ; Secondes <= 60 MOVLW H 2 MOVWF Minutes,f ; Minutes <= 2 MOVLW H 3D MOVWF TICS, f ; Tics <= 61 MOVLW H FF MOVWF TMR0, f ; TMR0 <= 255 BSF INTCON, GIE ; Démarrer le comptage Attente BTFSC Timeout, 1 ; Timeout = 1? GOTO Attente ; Non => aller en attente BCF INTCON, GIE ; Oui => arrêter le comptage BCF PORTA, RA1 ; Eteindre l ampoule GOTO Boucle 59