Fundamentos de Controladores y Microcontroladores

Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos.

Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

Componentes del Microcontrolador

Los componentes clave de un microcontrolador incluyen:

• Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).
• Memoria RAM para contener los datos.
• Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.
• Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
• Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, puertas serie y paralelo).
• Generador de impulsos de reloj.

Ventajas del Microcontrolador

Las principales ventajas de utilizar microcontroladores son:

• Aumento de prestaciones.
• Aumento de la fiabilidad.
• Reducción del tamaño en el producto acabado.
• Mayor flexibilidad.

Microcontroladores Populares

Entre los microcontroladores más populares se encuentran:

• 8048 (Intel): Considerado el padre de los microcontroladores actuales. Su precio, disponibilidad y herramientas de desarrollo lo mantienen popular.
• 8051 (Intel y otros): Sin duda, el microcontrolador más popular. Es fácil de programar y potente.

Microprocesadores y Arquitecturas

Microprocesador

Un microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada procesador, de un computador. La UCP está formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las ejecuta.

Procesador

El procesador se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del resultado.

Arquitecturas de Procesadores

Existen tres orientaciones principales en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los procesadores:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer): En estos procesadores, el repertorio de instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un ciclo.
• SISC (Specific Instruction Set Computer): En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es “específico”, es decir, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista.

Estructuras de Memoria

Estructura Von Neumann

En la estructura Von Neumann, se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control).

Estructura Harvard

La estructura Harvard dispone de dos memorias independientes para datos y para instrucciones, permitiendo accesos simultáneos.

Memoria en Microcontroladores

Características de la Memoria en Microcontroladores

En los microcontroladores, la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.

Diferencias entre Microcontroladores y Computadoras

Las principales diferencias entre un microcontrolador y una computadora son:

• No existen sistemas de almacenamiento masivo como disco duro o disquetes.
• Como el microcontrolador solo se destina a una tarea, en la memoria ROM solo hay que almacenar un único programa de trabajo.

Tipos de Memoria No Volátil (ROM)

ROM con Máscara

Es una memoria no volátil de solo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip.

OTP (One-Time Programmable)

El microcontrolador contiene una memoria no volátil de solo lectura “programable una sola vez” por el usuario.

EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory)

Pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Para poder borrarse, se requiere someterla a rayos ultravioleta.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)

Se trata de memorias de solo lectura, programables y borrables eléctricamente. La operación de grabado y borrado es muy cómoda y rápida. No disponen de ventana de cristal en la superficie.

FLASH

Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM, pero consume menos y es más pequeña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM.

Periféricos y Funcionalidades Adicionales

Puertas de Entrada y Salida (E/S)

Las puertas de Entrada y Salida comunican a la CPU con los periféricos exteriores.

Reloj Principal

El reloj principal es un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema.

Temporizadores o «Timers»

Los temporizadores o “timers” se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores).

Perro Guardián (Watchdog Timer)

El perro guardián consiste en un temporizador que, cuando se desborda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en el sistema.

Brownout

Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo.

Estado de Reposo o Bajo Consumo

En el estado de reposo o bajo consumo, se detiene el reloj principal y se “congelan” sus circuitos asociados, quedando sumido en un profundo “sueño” el microcontrolador. Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo.

Conversores y Comparadores

Conversor D/A (DAC)

El conversor D/A (DAC) transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento de la CPU en su correspondiente señal analógica que saca al exterior por una de las patitas del encapsulado.

Comparador Analógico

El comparador analógico es un amplificador operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por una de las patitas del encapsulado.

Modulador de Anchura de Impulsos (PWM)

Los moduladores de anchura de impulsos o PWM son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se ofrecen al exterior a través de las patitas del encapsulado.

Herramientas de Desarrollo

Simuladores

Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos.

Placas de Evaluación

Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador.

Emuladores en Circuito

Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo.