MICROCONTROLADOR
1.
Contenido
ð Definición
Es
un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su
memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una
tarea específica.
Un
microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades
funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y
periféricos de entrada/salida. Algunos microcontroladores pueden utilizar
palabras de cuatro bits y funcionan a velocidad de reloj con frecuencias tan
bajas como 4 kHz, otros microcontroladores pueden servir para roles de
rendimiento crítico, donde sea necesario actuar más como un procesador digital
de señal (DSP), con velocidades de reloj y consumo de energía más altos.
ð Características
ü Los microcontroladores
están diseñados para reducir el costo económico y el consumo de energía de un
sistema en particular.
ü
Por eso el tamaño de la unidad central de procesamiento,
la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación.
ü El control de un
electrodoméstico sencillo como una batidora utilizará un procesador muy pequeño
(4 u 8 bits) porque sustituirá a un autómata finito. En cambio, un reproductor
de música y/o vídeo digital (MP3 o MP4) requerirá de un procesador de 32 bits o
de 64 bits y de uno o más códecs de señal digital (audio y/o vídeo).
ü Los microcontroladores
representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un
50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSP más
especializados.
ü Un microcontrolador
difiere de una unidad central de procesamiento normal, debido a que es más
fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de
circuitos integrados externos de apoyo.
ü Un microprocesador
tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas
sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada y
salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información.
ü Un microcontrolador típico
tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria de
acceso aleatorio y/o ROM/EPROM/EEPROM/flash, con lo que para hacerlo funcionar
todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal de
sincronización.
ð Arquitecturas
Básicamente
existen dos arquitecturas de computadoras, y por supuesto, están presentes en
el mundo de los microcontroladores: Von Neumann y Harvard. Ambas se
diferencian en la forma de conexión de la memoria al procesador y en los buses
que cada una necesita:
Ø Arquitectura Von Neumann.
En
esta arquitectura, los datos y las instrucciones circulan por el mismo bus ya
que estos son guardados en la misma memoria, su principal ventaja es el ahorro
de líneas de entrada-salida, pero esto supone una disminución en la velocidad
con la que se realizan los procesos.
Este
tipo de arquitectura es hoy en día muy común en los computadores personales, y fue
muy común en la construcción de microcontroladores hasta que se descubrieron
las grandes ventajas de la arquitectura Harvard.
Ø Arquitectura Harvard.
A
diferencia de la anterior, en la arquitectura Harvard existe una memoria
específica para datos y una memoria específica para las instrucciones, de esta
forma se usan dos buses bien diferenciados. Con esto se logra trabajar con las
dos memorias simultáneamente y en consecuencia se obtiene mucha más velocidad
en la ejecución de los programas. Por excelencia la utilizada en
supercomputadoras, en los microcontroladores, y sistemas integrados en general.
En este caso, además 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 tamaño de los buses a las características de cada tipo de memoria.
Además,
el procesador puede acceder a cada una de ellas de forma simultánea, lo que se
traduce en un aumento significativo de la velocidad de procesamiento. Los
sistemas con esta arquitectura pueden ser dos veces más rápidos que sistemas
similares con arquitectura Von Neumann.
ð Elementos del Microprocesador
Ø Registros.
Son
un espacio de memoria muy reducido pero necesario para cualquier
microprocesador, de aquí se toman los datos para varias operaciones que debe
realizar el resto de los circuitos del procesador. Los registros sirven para
almacenar los resultados de la ejecución de instrucciones, cargar datos desde
la memoria externa o almacenarlos en ella. Aunque la importancia de los
registros parezca trivial, no lo es en absoluto. De hecho, una parte de los
registros, la destinada a los datos, es la que determina uno de los parámetros
más importantes de cualquier microprocesador. Cuando escuchamos que un
procesador es de 4, 8, 16, 32 o 64 bits, nos estamos refiriendo a procesadores
que realizan sus operaciones con registros de datos de ese tamaño, y por
supuesto, esto determina muchas de las potencialidades de estas máquinas. Mientras
mayor sea el número de bits de los registros de datos del procesador, mayores
serán sus prestaciones, en cuanto a poder de cómputo y velocidad de ejecución,
ya que este parámetro determina la potencia que se puede incorporar al resto de
los componentes del sistema, por ejemplo, no tiene sentido tener una ALU de 16
bits en un procesador de 8 bits. por
ejemplo: No tiene sentido tener una ALU de 16 bits en un procesador de 8
bits.
Ø Unidad de Control.
Esta
unidad es de las más importantes en el procesador, en ella recae la lógica
necesaria para la decodificación y ejecución de las instrucciones, el control
de los registros, la ALU, los buses y cuanta cosa más se quiera meter en el
procesador. La unidad de control es uno de los elementos fundamentales que
determinan las prestaciones del procesador, ya que su tipo y estructura
determina parámetros tales como el tipo de conjunto de instrucciones, velocidad
de ejecución, tiempo del ciclo de máquina, tipo de buses que puede tener el
sistema, manejo de interrupciones y un buen número de cosas más que en
cualquier procesador van a parar a este bloque.
Ø Unidad Aritmética - lógica(ALU).
Como
los procesadores son circuitos que hacen básicamente operaciones lógicas y
matemáticas, se le dedica a este proceso una unidad completa, con cierta
independencia. Aquí es donde se realizan las sumas, restas, y operaciones
lógicas típicas del álgebra de Boole. Actualmente este tipo de unidades ha
evolucionado mucho y los procesadores más modernos tienen varias ALU,
especializadas en la realización de operaciones complejas como las operaciones
en coma flotante. De hecho, en muchos casos le han cambiado su nombre por el de
“coprocesador matemático”, aunque este es un término que surgió para dar nombre
a un tipo especial de procesador que se conecta directamente al procesador más
tradicional.
Ø Buses.
Son
el medio de comunicación que utilizan los diferentes componentes del procesador
para intercambiar información entre sí, eventualmente los buses o una parte de
ellos estarán reflejados en los pines del encapsulado del procesador. En el
caso de los microcontroladores, no es común que los buses estén reflejados en
el encapsulado del circuito, ya que estos se destinan básicamente a las E/S de
propósito general y periféricos del sistema.
Existen
tres tipos de buses:
-Dirección: Se utiliza para seleccionar al
dispositivo con el cual se quiere trabajar o en el caso de las memorias,
seleccionar el dato que se desea leer o escribir.
-Datos: Se utiliza para mover los datos entre
los dispositivos de hardware (entrada y salida).
-Control: Se utiliza para gestionar los
distintos procesos de escritura lectura y controlar la operación de los
dispositivos del sistema.
Ø Conjunto de Instrucciones.
Aunque
no aparezca en el esquema, no podíamos dejar al conjunto o repertorio de
instrucciones fuera de la explicación, porque este elemento determina lo que
puede hacer el procesador. Define las operaciones básicas que puede realizar el
procesador, que conjugadas y organizadas forman lo que conocemos como software.
El conjunto de instrucciones viene siendo como las letras del alfabeto, el
elemento básico del lenguaje, que organizadas adecuadamente permiten escribir
palabras, oraciones y cuanto programa se le ocurra.
ð Memoria – Interrupciones
Memoria: La
memoria RAM está destinada al almacenamiento de información temporal que será
utilizada por el procesador para realizar cálculos u otro tipo de operaciones
lógicas. En el espacio de direcciones de memoria RAM se ubican además los
registros de trabajo del procesador y los de configuración y trabajo de los
distintos periféricos del microcontrolador. Es por ello que, en la mayoría de
los casos, aunque se tenga un espacio de direcciones de un tamaño determinado,
la cantidad de memoria RAM de que dispone el programador para almacenar sus
datos es menor que la que puede direccionar el procesador. El tipo de memoria
utilizada en las memorias RAM de los microcontroladores es SRAM, lo que evita
tener que implementar sistemas de refrescamiento como en el caso de las
computadoras personales, que utilizan gran cantidad de memoria, típicamente
alguna tecnología DRAM. A pesar de que la memoria SRAM es más costosa que la
DRAM, es el tipo adecuado para los microcontroladores porque éstos poseen pequeñas
cantidades de memoria RAM. A continuación, se describen 5 tecnologías existentes:
-
Máscara ROM.
En este caso no se “graba” el programa en memoria, sino
que el microcontrolador se fabrica con el programa, es un proceso similar al de
producción de los CD comerciales mediante masterización. El costo inicial de
producir un circuito de este tipo es alto, porque el diseño y producción de la
máscara es un proceso costoso, sin embargo, cuando se necesitan varios miles o
incluso cientos de miles de microcontroladores para una aplicación determinada.
-Memoria PROM.
Este tipo de memoria también es conocida como PROM o
simplemente ROM. Los microcontroladores con memoria OTP se pueden programar una
sola vez, con algún tipo de programador. Se utilizan en sistemas donde el
programa no requiera futuras actualizaciones y para series relativamente
pequeñas, donde la variante de máscara sea muy costosa, también para sistemas
que requieren serialización de datos, almacenados como constantes en la memoria
de programas.
-Memoria EPROM.
Los microcontroladores con este tipo de memoria son muy
fáciles de identificar porque su encapsulado es de cerámica y llevan encima una
ventanita de vidrio desde la cual puede verse la oblea de silicio del
microcontrolador. Se fabrican así porque la memoria EPROM es reprogramable,
pero antes debe borrase, y para ello hay que exponerla a una fuente de luz
ultravioleta, el proceso de grabación es similar al empleado para las memorias
OTP.
-EEPROM.
Fueron el sustituto natural de las memorias EPROM, la
diferencia fundamental es que pueden ser borradas eléctricamente, por lo que la
ventanilla de cristal de cuarzo y los encapsulados cerámicos no son necesarios.
Al disminuir los costos de los encapsulados, los microcontroladores con este
tipo de memoria se hicieron más baratos y cómodos para trabajar que sus
equivalentes con memoria EPROM.
-Memoria flash.
En el campo de las memorias reprogramables para
microcontroladores, son el último avance tecnológico en uso a gran escala, y
han sustituido a los microcontroladores con memoria EEPROM. A las ventajas de
las memorias flash se le adicionan su gran densidad respecto a sus predecesoras
lo que permite incrementar la cantidad de memoria de programas a un costo muy
bajo. Pueden además ser programadas con las mismas tensiones de alimentación
del microcontrolador, el acceso en lectura y la velocidad de programación es
superior, disminución de los costos de producción, entre otras.
ð Interrupciones
Una interrupción en Microprocesadores, es como lo dice su
palabra una interrupción que se realiza al proceso que está realizando en ese
momento el procesador de tal manera que el procesador debe dejar la labor que
estaba ejecutando para atender la interrupción solicitante, una vez atendida
puede retornar al proceso donde lo dejo. Es como un subprograma, pero puede ser
llamado vía una interrupción por hardware y detiene al programa principal en
cualquier ejecución. permitiéndole luego retornar a la labor que se estaba
ejecutando. Son esencialmente llamadas a subrutina generadas por los
dispositivos físicos, al contrario de las subrutinas normales de un programa en
ejecución. Como el salto de subrutina no es parte del hilo o secuencia de
ejecución programada, el controlador guarda el estado del procesador en la pila
de memoria y entra a ejecutar un código especial llamado "manejador de
interrupciones" que atiende al periférico específico que generó la
interrupción.
2.
Resumen
Un
microcontrolador es un circuito integrado programable que incluye todos los
componentes de un computador y el cual se emplea para controlar el
funcionamiento de una tarea determinada y debido a su reducido tamaño, suele ir
incorporado en el propio dispositivo que gobierna (es un controlador
incrustado). Los PIC controlan los
teclados y ratones de las computadoras, los teléfonos, los hornos de
microondas, los televisores, etc., de ahí que su extensa área de aplicación
amerita que se aprenda a programar los mismos, objetivo fundamental de este
curso.
3.
Summary
A
microcontroller is a programmable integrated circuit that includes all
components of a computer and which is used to control the operation of a
particular task and because of its small size, is usually built into the device
itself that governs (is an embedded controller). The PIC control keyboards and
computer mice, telephones, microwave ovens, televisions, etc., hence its wide
application area that warrants learn to program the same fundamental goal of
this course.
4.
Recomendaciones
¨
Investigar el correcto uso de interrupciones como
temporizadores, ya que base de nuestro las usa y es de mucha importancia su
correcto funcionamiento a fin de evitar errores.
¨
Verificar la versión del software que se usa.
¨
El campo de microcontroladores es un campo de estudio
importante en el estudio para las futuras generaciones debido a que siempre
existirá la necesidad de que aparatos electrónicos funcionen cada vez más
rápido y que su tecnología en microchips sea cada vez de tamaño más reducido
sin disminuir la velocidad.
¨
En las carreras de Ingeniaría en Sistemas se debe
realizar un estudio más profundo de la Robótica e Inteligencia Artificial para
que los estudiantes se relacionen con este campo y vean a la robótica como una
herramienta más para futuros proyectos de avanzada.
5.
Conclusiones
¨
Los microcontroladores PIC están en auge, utilizándose en
proyectos industriales, de investigación y para docencia.
¨
No tiene sentido que el diseñador sólo pueda utilizar una
única plataforma para desarrollar aplicaciones con ellos. Parece más lógico que
el diseñador utilice la que más le convenga, o la que normalmente use.
¨
En la elaboración de componentes electrónicos es
importante cuidar los voltajes digitales de los que ya son mayores.
¨
Los sensores son importantes para que las máquinas dejen
de ser autómatas y pasen a ser máquinas “inteligentes” capaces de realizar
tareas similares o quizás mejores a las realizadas por el hombre.
6.
Apreciación del Equipo
Como
equipo nuestro aporte es que los microcontroladores son circuitos integrados el
cual incluyen componentes de un computador así mismo son capaz de ejecutar las órdenes
grabadas en su memoria esto está compuesto de varios bloques funcionales los
cuales cumplen una tarea específica.
7.
Glosario de Términos
DSP: (procesador digital de señales) Es un sistema basado en
un procesador o microprocesador que posee un conjunto de instrucciones, un
hardware y un software optimizados para aplicaciones que requieran operaciones
numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente útil para el
procesado y representación de señales analógicas en tiempo real: en un sistema
que trabaje de esta forma (tiempo real) se reciben muestras (samples en
inglés), normalmente provenientes de un conversor analógico/digital (ADC).
DIAPOSITIVA: http://www.slideshare.net/JorgeParedesToledo/microcontrolador-66644285
VIDEO:
DIAPOSITIVA: http://www.slideshare.net/JorgeParedesToledo/microcontrolador-66644285
VIDEO:
8.
Bibliografía o Linkografía
Bien elaborada la PRESENTACION. Defina claramente las CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES. Detalle la APRECIACION con sus propias palabras. Trabajo bien desarrollado y explicado. Proponga un foro de discusión sobre el tema.Gracias por su investigación.Saludos
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