Introduction aux microcontrôleurs

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Stéphane Brunet
il y a 7 ans
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1 Introduction aux microcontrôleurs Bernard Boigelot boigelot@montefiore.ulg.ac.be URL : boigelot/ boigelot/courses/embedded/

2 Exemple de problème Cahier des charges: Un objet est détecté lorsque deux capteurs le signalent. Après chaque détection, il faut attendre un délai constant avant de commander l effecteur. Trois boutons d arrêt d urgence doivent être pris en compte. 2

3 Idée de solution s s 2 c 0V h h 2 h 3 3

4 Idée de solution 2 4

5 Inconvénients Circuits complexes. Difficultés de mise au point: Mélange d éléments analogiques et numériques. Seuils et délais fixés par la valeur des composants. Manque de robustesse et de flexibilité: Paramétrage difficile ou impossible. Ensemble de fonctionnalités limité et peu ou pas extensible.... Solutions coûteuses. 5

6 Meilleure solution CPU s s 2 c h h 2 h 3 6

7 Avantages Circuit simple, facile à concevoir et à construire. Difficultés déplacées du matériel vers le logiciel. Fonctionnalités facilement extensibles: communications, temporisations, paramétrage, gestion d un historique, alarmes,... Solution compacte et bon marché. 7

8 Un ordinateur en 964 0,034 MIPS. $

9 Un ordinateur en MIPS. $.0. 9

10 ... mais aussi 4 MIPS. $0,40. 0

11 Les microcontrôleurs Un microcontrôleur est un composant qui intégre un processeur, de la mémoire de programme et de données, des périphériques: temporisateurs et horloges, gestionnaires de communication, convertisseurs, comparateurs, générateurs de signaux,... dans un même boîtier.

12 Quelques familles de microcontrôleurs PIC 6F $0,4 $4 25B 2KB 48 MHz 8 bits PWM, ADC, UART PIC 8F $ $8 25B 4KB 64 MHz 8 bits multiplicateur, Ethernet, USB PIC 33F $,6 $5,7 256B 30KB 50 MHz 6 bits DSP, DMA Tiva TM4C $2,4 $0, KB MHz 32 bits FPU, 2-bit ADC Cortex A5 $ 32KB 4MB 2,5 GHz 32 bits multicore, GPU 2

13 Exemples de périphériques intégrés Convertisseurs analogique/digital, Générateurs PWM, Temporisateurs, Comparateurs, Modules série: RS232, I 2 C, SPI, CAN,... Gestionnaires USB, Ethernet,... Encodeurs de quadrature,... 3

14 Exemple de microcontrôleur: PIC6F76 Caractéristiques principales: Processeur RISC: Jeu réduit de 35 instructions. Modèle mémoire de type Harvard: 2048 mots de mémoire de programme (FLASH), 28 bytes de mémoire de données, internes au processeur. Reprogrammable via une interface série. 3 broches d entrée/sortie configurables dynamiquement. Périphériques intégrés: 3 temporisateurs, contrôleur PWM, convertisseur analogique/digital,... Puissance de calcul de 5 millions d instructions par seconde. Faible consommation: Environ 20 µa (sous 2V) à MHz, 4 µa à 32 khz, na en veille. 4

15 Interface: RA2 RA3 RA4 MCLR VSS RB0 RB RB2 RB3 RA RA0 OSC OSC2 VDD RB7 RB6 RB5 RB4 Légende: VSS, VDD : Alimentation ( V). OSC, OSC2 : Connexion d un cristal, ou entrée/sortie d horloge. MCLR : Sélection de mode (réinitialisation : 0 V, fonctionnement nominal : VDD, programmation : 3 V). RA0... RA4, RB0... RB7 : Broches d entrée/sortie (TTL/CMOS), configurables dynamiquement et multiplexées avec certains périphériques. RB6 et RB7 sont également utilisées comme interface série lors de la programmation du composant. 5

16 Exemple de réalisation: Alarme de température N4 0µF nf 0K VDD 22K 0K MCLR RB0 9V + Reset PIC 6F76 Test 22K NTC 4MHz RA0 RA OSC OSC2 RB RB2 220R LED VSS 33pF 33pF Piezo 6

17 Remarques: La stabilisation de l alimentation et son découplage sont essentiels! Des mécanismes de protection doivent être prévus: diode et/ou fusible sur l alimentation du circuit, résistances série sur les lignes de communication. Un oscillateur interne peut être employé à la place du résonateur. Un datasheet documente en détail l ensemble des fonctionnalités du microcontrôleur. Pour plusieurs familles de microcontrôleurs, il existe des cartes de développement permettant de les évaluer sans devoir construire un circuit. 7

18 La programmation d un microcontrôleur Principes: Les programmes sont rédigés en assembleur ou bien en langage C. Ils sont ensuite placés en mémoire de programme à l aide d un programmateur ou d un bootloader. Les programmateurs sont reliés au circuit par des interfaces de programmation spécifiques ou normalisées (JTAG). 8

19 Exemple de jeu d instructions PIC6F627A/628A/648A TABLE 5-2: PIC6F627A/628A/648A INSTRUCTION SET Mnemonic, Operands Description Cycles MSb 4-Bit Opcode LSb Status Affected Notes BYTE-ORIENTED FILE REGISTER OPERATIONS ADDWF ANDWF CLRF CLRW COMF DECF DECFSZ INCF INCFSZ IORWF MOVF MOVWF NOP RLF RRF SUBWF SWAPF XORWF f f 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 f Move W to f No Operation Rotate Left f through Carry Rotate Right f through Carry Subtract W from f Swap nibbles in f Exclusive OR W with f BIT-ORIENTED FILE REGISTER OPERATIONS BCF BSF BTFSC BTFSS f, b f, b f, b f, b Bit Clear f Bit Set f Bit Test f, Skip if Clear Bit Test f, Skip if Set LITERAL AND CONTROL OPERATIONS ADDLW ANDLW CALL CLRWDT GOTO IORLW MOVLW RETFIE RETLW RETURN SLEEP SUBLW XORLW k k k k k k k k k Add literal and W AND literal with W Call subroutine Clear Watchdog Timer Go to address Inclusive OR literal with W Move literal to W Return from interrupt Return with literal in W Return from Subroutine Go into Standby mode Subtract W from literal Exclusive OR literal with W (2) (2) (2) (2) bb 0bb 0bb bb x 0kkk kkk 0 xx 0xx 0x Note : When an I/O register is modified as a function of itself ( e.g., MOVF PORTB, ), the value used will be that value present on the pins themselves. For example, if the data latch is for a pin configured as input and is driven low by an external device, the data will be written back with a 0. 2: If this instruction is executed on the TMR0 register (and, where applicable, d = ), the prescaler will be cleared if assigned to the Timer0 Module. 3: If Program Counter (PC) is modified or a conditional test is true, the instruction requires two cycles. The second cycle is executed as a NOP. 9 lfff lfff 0xx0 bfff bfff bfff bfff 0 0 C,DC,Z Z Z Z Z Z Z Z Z C C C,DC,Z Z C,DC,Z Z TO,PD Z TO,PD C,DC,Z Z,2,2 2,2,2,2,3,2,2,3,2,2,2,2,2,2,2,2,2 3 3

20 Les interruptions Une interruption est un signal demandant au processeur de suspendre temporairement l exécution du programme courant afin d effectuer des opérations particulières. Intérêt: Ce mécanisme permet d implémenter une réaction à une sollicitation offrant un délai de réponse très bref, et programmée de façon indépendante du code en cours d exécution. Les interruptions peuvent être déclenchées soit par un composant extérieur au processeur: requête d interruption (Interrupt ReQuest, IRQ), signalée via une ou plusieurs broches dédiées, changement de valeur logique à une entrée désignée, 20

21 soit par le processeur lui-même: échéance d une temporisation, exception arithmétique ou d exécution, interruption logicielle,... 2

22 La structure d un programme simple Principe: Dans l architecture en boucle avec interruptions, les opérations urgentes sont effectuées dans des routines d interruption, et les autres tâches sont invoquées en boucle. Structure: volatile BOOL pret = 0, pret2 = 0,..., pretn = 0; interrupt void urgent(void) {!! opérations urgentes de la tâche ; pret = ; } interrupt void urgent2(void) {!! opérations urgentes de la tâche 2; pret2 = ; }. interrupt void urgentn(void) {!! opérations urgentes de la tâche n; pretn = ; } 22

23 void main(void) { for(;;) { if (pret) {!! autres opérations de la tâche ; pret = 0; } if (pret2) {!! autres opérations de la tâche 2; pret2 = 0; }. } } if (pretn) {!! autres opérations de la tâche n; pretn = 0; } 23

24 Remarques: La programmation des interruptions nécessite de prendre certaines précautions: sauvegarde du contexte par les routines d interruption. choix des interruptions à activer. mise en œuvre de mécanismes de communication entre routines d interruption et programme principal. Les routines d interruption sont à réserver aux opérations urgentes. Il existe d autres architectures logicielles, mieux adaptées à certains problèmes. 24

25 En résumé... Les microcontrôleurs offrent des solutions simples, bon marché et faciles à mettre en œuvre à de nombreux problèmes. L idée principale est de remplacer des circuits complexes par des lignes de code. Pour aller plus loin: boigelot/courses/embedded/ 25

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