Microcontrolador compatible con PIC 16C84, descripción de hardware
Tropea, S. E.(i) (i)INTI-Electrónica e Informática
Introducción En este trabajo presentamos el desarrollo de un microcontrolador compatible con el PIC 16C84 de Microchip[1]. Los microcontroladores son similares a los microprocesadores o CPUs utilizados en computadoras. Las principales diferencias radican en su capacidad, mucho más modesta, su consumo, mucho menor, y el hecho de que sus componentes periféricos se encuentran incluidos en el mismo circuito integrado, por ejemplo: memoria de programas.
El 16C84 es un microcontrolador muy popular y que posee una arquitectura muy simple. Pertenece a la familia de microcontroladores de tipo RISC. En nuestro país es ampliamente utilizado para pequeños desarrollos. Por estas razones se lo seleccionó como base para nuestro diseño.
Este desarrollo fue autogenerado y posteriormente transferido para su uso no exclusivo a la empresa INVAP S.E.[2]. Actualmente es utilizado en el WRND, un sistema de medición de flujo de neutrones de amplio rango para seguridad y control de reactores nucleares, calificado para aplicaciones espaciales[3].
El objetivo principal de este desarrollo fue el de disponer de un microcontrolador que pudiéramos utilizar en desarrollos basados en el uso de FPGAs (Field Programmable Gate Arrays = Arreglo de Compuertas Programable en Campo), el mismo debía poseer una arquitectura familiar para los otros integrantes de nuestro laboratorio.
Metodología Las FPGAs son circuitos integrados reconfigurables y son los miembros más avanzados de la familia de circuitos lógicos programables. Una FPGA está compuesta por lógica combinacional, registros y mecanismos de interconexión para unir estos dos últimos. Todos estos recursos son reconfigurables de manera tal que se puede modificar el funcionamiento para que se ajuste a nuestras necesidades. Estos elementos se complementan con celdas de entrada y salida que permiten conectar nuestro circuito con el exterior.
Las FPGAs presentan una alternativa muy interesante cuando es necesario desarrollar un circuito integrado a medida. Los circuitos integrados realizados a medida poseen costos muy elevados y sólo se justifican cuando el volumen de producción supera las decenas de miles. Esto es válido aún para los ASIC (Application Specific Integrated Circuit = Circuito Integrado de Aplicación Específica) que utilizan técnicas de fabricación de las conocidas como semi-custom en las que sólo una parte del proceso es específico del cliente y el resto son estándares. Cuando los volúmenes de producción son pequeños las FPGAs aparecen como una excelente alternativa. Las mismas no poseen grandes gastos iniciales o del tipo NRE (Non-Recurring Engineering) como en el caso de los ASICs. Por otra parte si se detectara un error en el diseño, o fuera necesario introducir otro tipo de cambio o mejora, las FPGAs pueden reconfigurarse sin ser necesario reemplazar el circuito integrado. Como contrapartida el costo por unidad de las FPGAs es superior, su velocidad es inferior y el consumo de energía es mayor cuando se las compara con los ASICs.
Dentro de una FPGA se puede incluir la funcionalidad de varios circuitos integrados. Esta funcionalidad puede ser desarrollada por el mismo equipo de trabajo o adquirida a través de un tercero. Debido a que estas funcionalidades son como componentes electrónicos, pero sin su parte física, se los suele llamar componentes virtuales. En la industria se los conoce como bloques de propiedad intelectual o IP cores.
El desarrollo de un IP core para una FPGA es muy similar al de un ASIC. En el caso de la FPGA el proceso se encuentra simplificado gracias a que nuestro circuito utilizará recursos ya probados y algo sobredimensionados. Este diseño se realiza utilizando lo que se conoce como lenguajes de descripción de hardware. Los mismos tienen cierto parecido con los lenguajes de programación de computadoras pero poseen diferencias conceptuales muy importantes. No se trata de programar un dispositivo sino de describir el
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comportamiento del mismo. Luego la descripción se convierte en una configuración para la FPGA utilizando herramientas de síntesis.
En nuestro desarrollo utilizamos el lenguaje de descripción de hardware VHDL (Very high speed integrated circuit Hardware Description Language = Lenguaje de Descripción de Hardware para Circuitos Integrados de Muy Alta Velocidad). Se trata de un lenguaje muy utilizado por agencias gubernamentales y en el área aeroespacial. El mismo fue originalmente desarrollado por el Departamento de Defensa Norteamericano y hoy se encuentra estandarizado por la IEEE (normas 1076, 1164 y accesorias).
El desarrollo fue verificado utilizando FPGAs Spartan II[4] y Spartan 3[5] de Xilinx. Aún así el mismo fue realizado de manera tal que pudiera ser sintetizado con cualquier FPGA. Esto fue de vital importancia a la hora de transferir el desarrollo a INVAP S.E. debido a la necesidad de sintetizar el microcontrolador utilizando FPGAs de Actel[6] tolerantes a radiación, muy importante debido al hecho de que la aplicación final debe funcionar en el espacio.
Las herramientas de desarrollo utilizadas fueron las recomendadas por el proyecto FPGALibre[7][8][9] impulsado por nuestro laboratorio. Para este desarrollo se utilizaron estaciones de trabajo que corren Debian[10] GNU[11]/Linux.
Para la implementación del microcontrolador se buscó modelar el diagrama en bloques mostrado en las hojas de datos del 16C84[12]. Así mismo se optó por implementar la misma secuencia de operación. De esta manera programas escritos para el 16C84 y que dependieran de detalles de bajo nivel, lazos de demora por ejemplo, podrían correr sin modificaciones en nuestra implementación.
El 16C84 es un microcontrolador tipo RISC capaz de ejecutar una instrucción por ciclo de máquina. La única excepción son los saltos que son efectivos luego de dos ciclos. Cada ciclo de máquina corresponde a cuatro ciclos de reloj y se divide en:
—Decodificación.
—Lectura de operandos.
—Ejecución (modificación)
—Escritura del resultado
De esta manera el 16C84 posee instrucciones capaces de realizar lectura, modificación y escritura de resultados en un sólo ciclo de máquina.
La memoria de programa se encuentra separada de la memoria de datos y son de anchos diferentes. La memoria de programas es de 14 bits y la de datos de 8 bits.
Resultados Se obtuvo una descripción del microcontrolador escrita en VHDL estándar útil para ser utilizada con cualquier FPGA. Nuestra implementación modela el diagrama en bloques expuesto en la hoja de datos con las siguientes excepciones:
—No se implementaron: la memoria EEPROM, el Power-on Reset, el Power-up Timer, la instrucción SLEEP ni la programación serie de la memoria de programa.
—Se mejoraron detalles tales como: el número de entradas/salidas, la memoria de datos y la frecuencia máxima de operación.
—La ALU (Arithmetic Logic Unit = Unidad Aritmético-lógica) no se encuentra muy detallada en la hoja de datos por lo que se optó por una solución adecuada para implementar el set de instrucciones (ver Fig. 1).
La implementación incluye los siguientes módulos de particular interés:
—Stack de 8 saltos, tamaño configurable de 1 a 256.
—Sistema de interrupciones. Opcionalmente configurable para que las interrupciones sean por nivel y no por flanco.
—Watch Dog. A diferencia del PIC original se implementó a partir del clock.
—Temporizador/Contador.
—Entrada externa de interrupciones. Opcionalmente se puede indicar que pin de I/O se usa.
—Interrupción por cambio en un grupo de pines. Opcionalmente se puede indicar un grupo diferente al original.
—Tamaño de la memoria de datos configurable.
—Hasta 64 k words de memoria de programa.
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Fig. 1: Esquema simplificado de la ALU implementada.
A los fines de permitir agregar periféricos al microcontrolador se incluyó un bus de expansión WISHBONE[13]. El mismo permite acceder a un máximo de 256 registros de 8 bits. Este bus es el utilizado por el proyecto OpenCores[14] y por lo tanto nos permitió conectar periféricos pertenecientes a dicho proyecto. El agregado de este bus permitió realizar pruebas en las que se hizo funcionar el microcontrolador junto con diferentes periféricos. Los periféricos utilizados en dichas pruebas fueron:
—Maestro I2C, adaptado a partir de uno disponible en OpenCores.
—Controlador de interrupciones[15], desarrollado por nuestro laboratorio.
—Generador de video en modo texto[16], compatible con monitores VGA, desarrollado por nuestro laboratorio.
—UART, una versión mejorada de la disponible en OpenCores.
El área ocupada depende de que características se encuentren habilitadas y la velocidad depende en gran parte del tipo de FPGA utilizada. Para FPGAs Spartan II se obtuvo frecuencias de trabajo del orden de 30 MHz y en el caso de Spartan 3 fue posible correr el microcontrolador a 50 MHz. Esto último se realizó indicando al programa de síntesis que se deseaba obtener esta velocidad aún a costa de incrementar el área utilizada.
El área mínima que puede ocupar el microcontrolador es de 124 slices, esto es sólo el 6,5 % de una pequeña Spartan 3 200 y menos del 1 % de una Spartan 3 1500. Cuando se sintetizó el
microcontrolador conectado a todos los periféricos antes mencionados el área ocupada fue de 622 slices, periféricos incluidos, esto es alrededor de una tercera parte de una Spartan 3 200 o bien algo más de un 4 % de una Spartan 3 1500.
Conclusiones Se obtuvo el IP core de un microcontrolador pequeño y versátil. El mismo permite reusar código, herramientas y conocimiento adquiridos trabajando con microcontroladores para trabajar con tecnologías más avanzadas como las FPGAs.
El microcontrolador obtenido es más poderoso que el 16C84 original, en la Tabla I se muestra una comparación de la implementación utilizando una Spartan II.
Tabla I. Comparación entre el 16C84 de Microchip y nuestra implementación.
Original
Implementación (máximos)
Memoria de registros
36 bytes
464 bytes
Pines de I/O
13
34
Frecuencia máxima de reloj
10 MHz
31 MHz
Memoria de
1k
64 k
programa
La versatilidad de las FPGAs permitió incorporar periféricos poderosos con un esfuerzo relativamente bajo. Tal es el caso del generador de video.
En cuanto al uso de WISHBONE para el bus de expansión se observó que el área insumida es baja, no implica un esfuerzo importante ni insume una cantidad importante de recursos. Por otro lado las ventajas de utilizar WISHBONE son importantes, las mejoras en la reusabilidad y la posibilidad de utilizar IP cores disponibles libremente en internet son apreciables.
La utilización de VHDL estándar permitió que la descripción de hardware pudiera ser sintetizada para FPGAs de Actel aún cuando se desarrolló utilizando FPGAs de Xilinx.
La utilización de las herramientas propuestas por el proyecto FPGALibre mostró ser adecuada para este desarrollo.
Referencias
[1] Microchip Technology Inc., http://www.microchip.com/ [2] INVAP S. E., http://www.invap.net/ [3] S. E. Tropea, R. M. Cibils, "Contador de pulsos nucleares para uso espacial", 6° Jornadas de Desarrollo e Innovación Tecnológica, Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Argentina, 2007.
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[4] Xilinx Spartan II FPGA, http://www.xilinx.com/products/silicon\_solutions/fpgas/sparta n\_series/spartan2\_fpgas/index.htm [5] Xilinx Spartan 3 FPGA, http://www.xilinx.com/products/silicon\_solutions/fpgas/sparta n\_series/spartan3\_fpgas/ [6] Actel Corporation, http://www.actel.com/ [7] S. E. Tropea, D. J. Brengi, J. P. D. Borgna, "FPGALibre: Herramientas de Software Libre para diseño con FPGAs", FPGA Based Systems, ISBN 84-609-8998-4, pp 173-180, 2006. [8] S. E. Tropea, D. J. Brengi, J. P. D. Borgna, S. N. Gwirc, "FPGALibre: Herramientas de Software Libre para diseño con FPGAs", 6° Jornadas de Desarrollo e Innovación Tecnológica, Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Argentina, 2007. [9] Proyecto FPGA Libre, http://fpgalibre.sourceforge.net/ [10] Debian project, http://www.debian.org/ [11] GNU project, http://www.gnu.org/ [12] Microchip Technology Inc., "8 bits CMOS EEPROM Microcontroller", p 8 (http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30445c.p df, verificado 27/06/2007). [13] Silicore and OpenCores.Org, "WISHBONE System-on-Chip (SoC) Interconnection Architecture for Portable IP Cores", http://prdownloads.sourceforge.net/fpgalibre/wbspec\_b32.pdf?download [14] OpenCores.Org, http://www.opencores.org/ [15] S. E. Tropea, "Controlador de interrupciones, descripción de hardware", 6° Jornadas de Desarrollo e Innovación Tecnológica, Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Argentina, 2007. [16] S. E. Tropea, "Controlador de video en modo texto compatible con VGA, descripción de hardware", 6° Jornadas de Desarrollo e Innovación Tecnológica, Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Argentina, 2007.
Para mayor información contactarse con:
Ing. Salvador E. Tropea - salvador@inti.gov.ar
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