Microcontrolador(Redirigido desde Microcontroladores)
MicrocontroladorMotorola 68HC11y chips de soporte.
Diedel microcontrolador de8 bitsIntel 8742, conCPUa 12MHz,
128bytesdememoria RAM, 2048 bytes deEPROM, yE/Sen un chip.
Microcontrolador PIC18F8720 en encapsuladoTQFPde 80
pines.Unmicrocontrolador(abreviadoC,UCoMCU) es uncircuito
integradoprogramable, capaz de ejecutar las rdenes grabadas en su
memoria. Est compuesto de varios bloques funcionales, los cuales
cumplen una tarea especfica. Un microcontrolador incluye en su
interior las tres principales unidades funcionales de
unacomputadora:unidad central de
procesamiento,memoriayperifricosdeentrada/salida.Algunos
microcontroladores pueden utilizar palabras de cuatro bits y
funcionan a velocidad de reloj con frecuencias tan bajas como 4
kHz, con un consumo de baja potencia (mW o microvatios). Por lo
general, tendr la capacidad de mantenerse a la espera de un evento
como pulsar un botn o de otra interrupcin; as, el consumo de energa
durante el estado de reposo (reloj de la CPU y los perifricos de la
mayora) puede ser slo de nanovatios, lo que hace que muchos de
ellos sean muy adecuados para aplicaciones con batera de larga
duracin. Otros microcontroladores pueden servir para roles de
rendimiento crtico, donde sea necesario actuar ms como unprocesador
digital de seal(DSP), con velocidades de reloj y consumo de energa
ms altos.Cuando es fabricado el microcontrolador, no contiene datos
en la memoria ROM. Para que pueda controlar algn proceso es
necesario generar o crear y luego grabar en laEEPROMo equivalente
del microcontrolador algn programa, el cual puede ser escrito
enlenguaje ensambladoru otro lenguaje para microcontroladores; sin
embargo, para que el programa pueda ser grabado en la memoria del
microcontrolador, debe ser codificado ensistema numrico
hexadecimalque es finalmente el sistema que hace trabajar al
microcontrolador cuando ste es alimentado con elvoltajeadecuado y
asociado a dispositivosanalgicosydiscretospara su
funcionamiento.1ndice[ocultar] 1Historia 2Caractersticas
3Arquitecturas de computadora 3.1Arquitectura Von Neumann
3.2Arquitectura Harvard 4Procesador en detalle 4.1Registros
4.2Unidad de control 4.3Unidad aritmtico-lgica 4.4Buses 4.5Conjunto
de instrucciones 5Memoria 6Interrupciones 7Perifricos 7.1Entradas y
salidas de propsito general 7.2Temporizadores y contadores
7.3Conversor analgico/digital 7.4Puertos de comunicacin 7.4.1Puerto
serie 7.4.2SPI 7.4.3I2C 7.4.4USB 7.4.5Ethernet 7.4.6Can 7.4.7Otros
puertos de comunicacin 7.5Comparadores 7.6Modulador de ancho de
pulsos 7.7Memoria de datos no voltil 8Familias de
microcontroladores 9Vase tambin 10ReferenciasHistoria[editar]El
primermicroprocesadorfue elIntel 4004de4 bits, lanzado en 1971,
seguido por elIntel 8008y otros ms capaces. Sin embargo, ambos
procesadores requieren circuitos adicionales para implementar un
sistema de trabajo, elevando el costo del sistema total.ElInstituto
Smithsonianodice que los ingenieros deTexas InstrumentsGary
BooneyMichael Cochranlograron crear el primer microcontrolador,TMS
1000, en 1971; fue comercializado en 1974. Combinamemoria
ROM,memoria RAM,microprocesadory reloj en un chip y estaba
destinada a los sistemas embebidos.2Debido en parte a la existencia
del TMS 1000,3Intel desarroll un sistema de ordenador en un chip
optimizado para aplicaciones de control, elIntel 8048, que comenz a
comercializarse en 1977.3Combina memoria RAM y ROM en el mismo chip
y puede encontrarse en ms de mil millones de teclados decompatible
IBM PC, y otras numerosas aplicaciones. El en ese momento
presidente de Intel, Luke J. Valenter, declar que el
microcontrolador es uno de los productos ms exitosos en la historia
de la compaa, y ampli el presupuesto de la divisin en ms del 25%.La
mayora de los microcontroladores en aquel momento tenan dos
variantes. Unos tenan una memoriaEPROMreprogramable,
significativamente ms caros que la variantePROMque era slo una vez
programable. Para borrar la EPROM necesita exponer a la luz
ultravioleta la tapa de cuarzo transparente. Los chips con todo
opaco representaban un coste menor.En 1993, el lanzamiento de
laEEPROMen los microcontroladores (comenzando con el
MicrochipPIC16x84)4permite borrarla elctrica y rpidamente sin
necesidad de un paquete costoso como se requiere enEPROM, lo que
permite tanto la creacin rpida de prototipos y laprogramacin en el
sistema. El mismo ao,Atmellanza el primer microcontrolador que
utilizamemoria flash.5Otras compaas rpidamente siguieron el
ejemplo, con los dos tipos de memoria.El costo se ha desplomado en
el tiempo, con el ms barato microcontrolador de 8 bits disponible
por menos de 0,25dlarespara miles de unidades en 2009, y algunos
microcontroladores de 32 bits a 1 dlar por cantidades similares. En
la actualidad los microcontroladores son baratos y fcilmente
disponibles para los aficionados, con grandes comunidades en lnea
para ciertos procesadores.En el futuro, laMRAMpodra ser utilizada
en microcontroladores, ya que tiene resistencia infinita y el coste
de su oblea semiconductora es relativamente
bajo.Caractersticas[editar]
Esquema de un microcontrolador. En esta figura, vemos al
microcontrolador metido dentro de un encapsulado de circuito
integrado, con su procesador (CPU), buses, memoria, perifricos y
puertos deentrada/salida. Fuera del encapsulado se ubican otros
circuitos para completar perifricos internos y dispositivos que
pueden conectarse a los pines de entrada/salida. Tambin se
conectarn a los pines del encapsulado la alimentacin, masa,
circuito de completamiento del oscilador y otros circuitos
necesarios para que el microcontrolador pueda trabajar.Los
microcontroladores estn diseados para reducir el costo econmico y
el consumo de energa de un sistema en particular. Por eso el tamao
de launidad central de procesamiento, la cantidad de memoria y los
perifricos incluidos dependern de la aplicacin. El control de un
electrodomstico sencillo como una batidora utilizar un procesador
muy pequeo (4 u 8 bits) porque sustituir a un autmata finito. En
cambio, un reproductor de msica y/o vdeo digital (MP3oMP4) requerir
de un procesador de32 bitso de64 bitsy de uno o mscdecsdeseal
digital(audio y/o vdeo). El control de un sistema de frenos ABS
(Antilock Brake System) se basa normalmente en un microcontrolador
de16 bits, al igual que el sistema de control electrnico del motor
en unautomvil.Los microcontroladores representan la inmensa mayora
de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son
controladores "simples" y el restante corresponde aDSPms
especializados. Mientras se pueden tener uno o dos
microprocesadores de propsito general en casa (Ud. est usando uno
para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los
electrodomsticos de su hogar una o dos docenas de
microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier
dispositivo electrnico comoautomviles,lavadoras,hornos
microondas,telfonos, etc.Un microcontrolador difiere de unaunidad
central de procesamientonormal, debido a que es ms fcil convertirla
en una computadora en funcionamiento, con un mnimo decircuitos
integrados externos de apoyo. La idea es que el circuito integrado
se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energa y de
informacin que necesite, y eso es todo. Un microprocesador
tradicional no le permitir hacer esto, ya que espera que todas
estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los
mdulos de entrada y salida (puertos) y la memoria para
almacenamiento de informacin.Un microcontrolador tpico tendr un
generador de reloj integrado y una pequea cantidad dememoria de
acceso aleatorioy/oROM/EPROM/EEPROM/flash, con lo que para hacerlo
funcionar todo lo que se necesita son unos pocos programas de
control y un cristal de sincronizacin. Los microcontroladores
disponen generalmente tambin de una gran variedad dedispositivos de
entrada/salida, comoconvertidor analgico
digital,temporizadores,UARTsy buses de interfaz serie
especializados, comoI2CyCAN. Frecuentemente, estos dispositivos
integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores
especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente
incluyen un lenguaje de programacin integrado, como el lenguaje de
programacinBASICque se utiliza bastante con este propsito.Los
microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para
facilitar su uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip
para incluir funcionalidad, como losdispositivos de entrada/salidao
lamemoriaque incluye el microcontrolador, se ha de prescindir de
cualquier otra circuitera.Arquitecturas de
computadora[editar]Artculo principal:Arquitectura de
computadorasBsicamente existen dos arquitecturas de computadoras, y
por supuesto, estn presentes en el mundo de los microcontroladores:
Von Neumann y Harvard. Ambas se diferencian en la forma de conexin
de la memoria al procesador y en los buses que cada una
necesita.Arquitectura Von Neumann[editar]Artculo
principal:Arquitectura Von NeumannLaarquitectura Von Neumannutiliza
el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones
como para los datos, siendo la que se utiliza en unordenador
personalporque permite ahorrar una buena cantidad de lneas de E/S,
que son bastante costosas, sobre todo para aquellos sistemas donde
el procesador se monta en algn tipo dezcaloalojado en unaplaca
madre. Tambin esta organizacin les ahorra a los diseadores de
placas madre una buena cantidad de problemas y reduce el costo de
este tipo de sistemas.En un ordenador personal, cuando se carga un
programa en memoria, a ste se le asigna un espacio de direcciones
de la memoria que se divide en segmentos, de los cuales tpicamente
tenderemos los siguientes: cdigo (programa), datos ypila. Es por
ello que podemos hablar de la memoria como un todo, aunque existan
distintos dispositivos fsicos en el sistema (disco duro,memoria
RAM,memoria flash,unidad de disco ptico...).En el caso de los
microcontroladores, existen dos tipos de memoria bien definidas:
memoria de datos (tpicamente algn tipo deSRAM) y memoria de
programas (ROM,PROM, EEPROM, flash u de otro tipo no voltil). En
este caso la organizacin es distinta a las del ordenador personal,
porque hay circuitos distintos para cada memoria y normalmente no
se utilizan los registros de segmentos, sino que la memoria est
segregada y el acceso a cada tipo de memoria depende de las
instrucciones del procesador.A pesar de que en los sistemas
integrados con arquitectura Von Neumann la memoria est segregada, y
existan diferencias con respecto a la definicin tradicional de esta
arquitectura; los buses para acceder a ambos tipos de memoria son
los mismos, del procesador solamente salen el bus de datos, el de
direcciones, y el de control. Como conclusin, la arquitectura no ha
sido alterada, porque la forma en que se conecta la memoria al
procesador sigue el mismo principio definido en la arquitectura
bsica.Algunas familias de microcontroladores como laIntel 8051y la
Z80 implementan este tipo de arquitectura, fundamentalmente porque
era la utilizada cuando aparecieron los primeros
microcontroladores.Arquitectura Harvard[editar]Artculo
principal:Arquitectura HarvardLa otra variante es laarquitectura
Harvard, y por excelencia la utilizada en supercomputadoras, en los
microcontroladores, y sistemas integrados en general. En este caso,
adems de la memoria, el procesador tiene los buses segregados, de
modo que cada tipo de memoria tiene un bus de datos, uno de
direcciones y uno de control.La ventaja fundamental de esta
arquitectura es que permite adecuar el tamao de los buses a las
caractersticas de cada tipo de memoria; adems, el procesador puede
acceder a cada una de ellas de forma simultnea, lo que se traduce
en un aumento significativo de la velocidad de procesamiento.
Tpicamente los sistemas con esta arquitectura pueden ser dos veces
ms rpidos que sistemas similares con arquitectura Von Neumann.La
desventaja est en que consume muchas lneas de E/S del procesador;
por lo que en sistemas donde el procesador est ubicado en su propio
encapsulado, solo se utiliza en supercomputadoras. Sin embargo, en
los microcontroladores y otros sistemas integrados, donde
usualmente la memoria de datos y programas comparten el mismo
encapsulado que el procesador, este inconveniente deja de ser un
problema serio y es por ello que encontramos la arquitectura
Harvard en la mayora de los microcontroladores.Por eso es
importante recordar que un microcontrolador se puede configurar de
diferentes maneras, siempre y cuando se respete el tamao de memoria
que este requiera para su correcto funcionamiento.
