Conceptos introductorios

Conceptos introductorios a los microcontroladores

Instituto Tecnológico de Durango Ing. Mecatrónica Microcontroladores Unidad Temática No. 1 Conceptos introductorios a los micro controladores 1.1 Diferencia entre Microprocesador, Microcomputadora y Microcontrolador. 1.2 Características y aplicaciones de los microcontroladores 1.3 Tipos de arquitecturas computacionales 1.4 Tipos de microcontroladores y sus fabricantes.

Alumno: Jorge Alberto Campos Méndez

No. de control: 11040321

Profesor: Montesinos Meraz Jesús Fecha: Martes 18 de Febrero del 2014

Introducción Los microcontroladores pasan muchas veces desapercibidos, trabajan incansablemente sin que nos demos cuenta las 24 horas del día, pueden estar hasta en nuestro bolsillo, algunos están tan cerca como dentro del cuerpo y otros tan lejos como en el planeta Marte. En la

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actualidad existe un promedio de 40 microcontroladores en cada hogar y esta cifra va en aumento, lo cierto es que cada vez dependemos más de estas pequeñas computadoras que hacen que nuestra vida sea más fácil. Han pasado más de 30 años desde que los primeros microcontroladores hicieron su aparición, y ningún otro dispositivo ha sido tan versátil, o tiene la misma acogida, todo esto ha motivando a muchos autores a escribir más de este circuito integrado que sobre cualquier otro. Desde su inicio han evolucionado mucho, partiendo del Microcontrolador 8048 de Intel, si lo comparamos con los modelos actuales veremos que ahora tienen capacidad de hasta un mega de memoria de programa, procesan señales digitales y manejan todos los periféricos disponibles en La actualidad: serial, paralelo, USB, I²C, one wire, X10, etc., ahora imaginemos todo lo que está por venir. Para entender su importancia debemos analizar qué pasaría si dejan de funcionar por un minuto: no habría comunicación; centrales telefónicas, celulares y radios dejarían de funcionar, lo mismo sucedería con: computadoras, satélites y con ello el comercio marítimo entraría en caos, el tráfico aéreo estaría en peligro, los aviones no podrían volar sin sus instrumentos de navegación, el sistema electrónico de los vehículos fallaría, las fabricas paralizarían su producción, en los hospitales muchos equipos electrónicos quedarían inservibles, en cada hogar dejaría de funcionar los sistemas de seguridad y de incendio, ascensores, y electrodomésticos en general, en definitiva se paralizaría todo el mundo llegado a un colapso general. 1.1 Diferencia entre Microprocesador, Microcomputadora y Microcontrolador. Definición de cada uno de los conceptos. Microcontrolador Un Microcontrolador es un computador completo (microprocesador + E/S + memoria + otros periféricos), aunque de limitadas prestaciones, que está contenido en el chip de un circuito integrado programable y se destina a gobernar una sola tarea con el programa que reside en su memoria. Sus líneas de entrada/salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar. Microprocesador Es un circuito electrónico que actúa como unidad central de proceso de un ordenador, proporcionando el control de las operaciones de cálculo. El microprocesador es un tipo de circuito sumamente integrado. Los circuitos integrados, también conocidos como microchips o chips, son circuitos electrónicos complejos formados por componentes extremadamente pequeños formados en una única pieza plana de poco espesor de un material conocido como semiconductor.

Los principiantes en electrónica creen que un Microcontrolador es igual a un microprocesador. Esto no es cierto. Difieren uno del otro en muchos sentidos. La primera y la más importante diferencia es su funcionalidad. Para utilizar al microprocesador en una

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aplicación real, se debe de conectar con componentes tales como memoria o componentes buses de transmisión de datos. Aunque el microprocesador se considera una máquina de computación poderosa, no está preparado para la comunicación con los dispositivos periféricos que se le conectan. Para que el microprocesador se comunique con algún periférico, se deben utilizar los circuitos especiales. Así era en el principio y esta práctica sigue vigente en la actualidad.

Por otro lado, al Microcontrolador se le diseña de tal manera que tenga todas las componentes integradas en el mismo chip. No necesita de otros componentes especializados para su aplicación, porque todos los circuitos necesarios, que de otra manera correspondan a los periféricos, ya se encuentran incorporados. Así se ahorra tiempo y espacio necesario para construir un dispositivo. En cuanto a las diferencias con la microcomputadora a partir de la definición que se dio: Una microcomputadora es un tipo de computadora que utiliza un microprocesador como unidad central de procesamiento (CPU). Generalmente son computadoras que ocupan espacios físicos pequeños, comparadas a sus predecesoras históricas, las mainframes y las minicomputadoras. Actualmente el término microcomputadora no es muy utilizado, probablemente por la gran diversidad de computadoras basadas en un microprocesador. Entonces, una microcomputadora necesita forzosamente de un microprocesador para trabajar.

1.2 Características y aplicaciones de los microcontroladores

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Un Microcontrolador es un sistema cerrado que contiene un computador completo y de prestaciones limitadas que no se pueden cambiar.

Características más generales de los microcontroladores. Suelen utilizar arquitectura Harvard (memoria de datos e instrucciones separadas) Presenta ventajas en computadores que no hay que re programar constantemente. • Dimensiones muy reducidas los que utilizaremos en las prácticas (encapsulado DIP) habitualmente sólo se usan para diseño de prototipos. • Gran variedad dentro de una misma familia Adaptado a aplicaciones concretas: Robots y sistemas mecánicos, electrónicos y mecatronicos (control de motores, brazos robóticos, sistemas de calefacción, válvulas electrónicas, sistemas neumáticos automatizados, etc.). Comunicaciones (Wifi, USB, Ethernet). Multimedia (entradas A/D y salidas D/A). Aplicaciones críticas (resistencia térmica, robustez). Instrumentación (sensores, LCD,…). • Robustez (pantallazo azul en una lavadora o en un misil) Watchdog Timer. • Bajo consumo funcionamiento a pilas, sondas espaciales. Dormido hasta recibir interrupción. • Protección anticopia de la memoria de programa evitar ingeniería inversa y espionaje industrial

Al estar todos los microcontroladores integrados en un chip, su estructura Fundamental y sus características son muy parecidas. Todos deben disponer de los Bloques esenciales: procesador, memoria de datos e instrucciones, líneas de entrada y Salida, oscilador de reloj y módulos controladores de periféricos. Sin embargo, cada

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Fabricante intenta enfatizar los recursos idóneos para las aplicaciones a las que se Destinan preferentemente.

CPU: La Unidad Central de Procesamiento, es el componente principal del ordenador y otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones contenidas en los programas.

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Memoria no volátil, contrario a memoria volátil, es un tipo de memoria que no necesita energía para perdurar. Memoria de lectura y escritura: Son dispositivos que retienen datos informáticos durante algún intervalo de tiempo. Líneas de entrada y salida para los periféricos: Los periféricos de entrada/salida son los que utiliza el ordenador tanto para mandarle como para recibir información de ellos. Circuitos d reloj: Es necesario en muchos circuitos electrónicos digitales, emplear algún tipo de Sincronización para realizar tareas como: transferencia de datos, control de procesos, etc. Temporizadores: Un temporizador o minutero es programable, que permite medir el tiempo.

un

dispositivo,

con

frecuencia

Perro guardián: Aunque la traducción sea "perro-guardián", es un concepto de protección usado para volver a reiniciar el programa cuando éste "se pierde" o realiza una acción no prevista. Convertidores A/D D/A: Con estos circuitos se trata de conseguir una relación biunívoca entre una señal analógica y una digital o viceversa. Las magnitudes físicas son analógicas y normalmente el procesado de señal se realiza de forma digital, de ahí la necesidad de los convertidores ADC. También puede ser necesario actuar sobre un sistema analógico una vez procesada una señal de forma digital por lo que se hace necesario un convertidor DAC. Comparadores analógicos: Un comparador es un circuito electrónico, ya sea analógico o digital, capaz de comparar dos señales de entrada y variar la salida en función de cuál es mayor.

Aplicaciones de los micros Si sólo se dispusiese de un modelo de Microcontrolador, éste debería tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un despilfarro. En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del Microcontrolador a utilizar.

Los microcontroladores se encuentran por todas partes: 

Sistemas de comunicación: en grandes automatismos como centrales y en teléfonos fijos, móviles, fax, etc.

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Electrodomésticos: lavadoras, hornos, frigoríficos, lavavajillas, batidoras, televisores, vídeos, reproductores DVD, equipos de música, mandos a distancia, consolas, etc. Industria informática: Se encuentran en casi todos los periféricos; ratones, teclados, impresoras, escáner, etc. Automoción: climatización, seguridad, ABS, etc. Industria: Autómatas, control de procesos, etc. Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores, calefacción, aire acondicionado, alarmas de incendio, robo, etc. Otros: Instrumentación, electromedicina, tarjetas (smartcard), sistemas de navegación, etc.

1.3 Tipos de arquitecturas computacionales. Arquitectura Von Neumann y arquitectura Harvard

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Hay dos arquitecturas distintas relacionadas con el uso y distribución de la memoria: Arquitectura Von Neumann: Tradicionalmente los sistemas con microprocesadores se basan en esta Arquitectura, en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una memoria principal única (Casi siempre sólo RAM) donde se guardan las instrucciones del programa y los datos. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (control, direcciones y datos):

En un sistema con arquitectura von Neumann el tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus que comunica la memoria con la CPU. Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. Si tiene que acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria. El tener un único bus hace que el microprocesador sea más lento en su respuesta, ya que no puede buscar en memoria una nueva instrucción mientras no finalicen las transferencias de datos de la instrucción anterior. Las principales limitaciones que nos encontramos con la arquitectura von Neumann son: La limitación de la longitud de las instrucciones por el bus de datos, que hace que el Microprocesador tenga que realizar varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas. La limitación de la velocidad de operación a causa del bus único para datos e instrucciones que no Deja acceder simultáneamente a unos y otras, lo cual impide superponer ambos tiempos de acceso. Arquitectura Harvard: Este modelo, que utilizan los microcontroladores PIC, tiene la unidad central de Proceso (CPU) conectada a dos memorias (una con las instrucciones y otra con los datos) por medio de dos Buses diferencies.

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Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (memoria de programa), y la otra sólo almacena datos (memoria de datos). Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones. Como los buses son independientes éstos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud. También la longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general. Para un procesador de set de instrucciones reducido, o RISC (reduced instrucción set computer), el set de instrucciones y el bus de memoria de programa pueden diseñarse de tal manera que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud. Además, al ser los buses independientes, la CPU puede acceder a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo leer la siguiente instrucción a ejecutar.

Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los Procesadores actuales. CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores Están basados en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). 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: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los microcontroladores están decantándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un ciclo. SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico): 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.

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Las dos principales competidoras son la RISC y la CISC, y aquí observamos cada una de sus características.

Ahora que ya conocemos en gran parte los componentes de un Microcontrolador, la arquitectura interna en la que están basados, la tarea que realizan cada una de sus partes mas importantes y en sí, las diferencias básicas que existen entre ellos en comparación con los microprocesadores y microcomputadoras, ahora pasaremos a revisar los tipos de micros que hay y los principales fabricantes que existen. 1.4 Tipos de micros y sus fabricantes. Existe una gran diversidad de microcontroladores. Quizá la clasificación más importante sea entre microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits. Aunque las prestaciones de los microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que los microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits se resisten a desaparecer. La razón de esta tendencia es que los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace absurdo emplear micros más potentes y consecuentemente más caros. Uno de los sectores que más tira del mercado del microcontrolador es el mercado automovilístico. De hecho, algunas de las familias de microcontroladores actuales se desarrollaron pensando en este sector, siendo modificadas posteriormente para adaptarse a sistemas más genéricos. El mercado del automóvil es además uno de los más exigentes: los componentes electrónicos deben operar bajo condiciones extremas de vibraciones, choques, ruido, etc. y seguir siendo fiables.

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Atmel Atmel es una compañía de semiconductores, fundada en 1984. Su línea de productos incluye microcontroladores (incluyendo derivados del 8051, el AT91SAM basados en ARM, y sus arquitecturas propias AVR y AVR32), dispositivos de radiofrecuencia, memorias EEPROM y Flash, ASICs, W iMAX, y muchas otras. Freescale Freescale Semiconductor, Inc. es estadounidense de semiconductores.

un

fabricante

Freescale también se ha estado encargando de los procesadores PowerPC para los Apple PowerBook y Mac mini hasta la transición de Apple a Intel en 2006.

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Intel Corporation Intel Corporation es el mayor fabricante de circuitos integrados del mundo, según su cifra de negocio anual. La compañía estadounidense, es la creadora de la serie de procesadores x86, los procesadores más comúnmente encontrados en la mayoría de las computadoras personales. National Semiconductor La gama de productos de National Semiconductor comprende componentes para el control de la alimentación, amplificador de audio y operacional, interfaces de comunicación, controladores de pantallas o soluciones para la transformación de datos. Microchip Technology Inc. Microchip Technology Inc. es una empresa fabricante de microcontroladores, memorias y semiconductores analógicos, situada en Chandler, Arizona, EE. UU. . Philips Koninklijke Philips Electronics N.V. (Electrónica Real Holandesa Philips Ltd), conocida popularmente como Philips (pronunciado Filips), es una empresa de electrónica neerlandesa. Texas Instruments Texas Instruments, más conocida en la industria electrónica como TI, es una empresa norteamericana con sede en Dallas (Texas, EE. UU.) quedesarrolla y comercializa semiconductores y tecnología para ordenadores. ZiLOG ZiLOG Inc., a menudo escrito Zilog, es un fabricante de microprocesadores, siendo su producto más conocido el Zilog Z80 de 8 bits. Zilog fue fundada en California en 1974 por Federico Faggin, el cual había trabajado en Intel como diseñador jefe del microprocesador Intel 4004 y posteriormente del Intel 8080.

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PICAXE PICAXE es el nombre de un sistema Microcontrolador de origen británico basado en una gama de circuitos integrados PIC. Inicialmente educación y también son comerciales, prototipos.

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comercializado para su uso en la para aficionados a la electrónica, utilizados en ámbitos técnicos y incluyendo el desarrollo rápido de


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Referencias bibliográficas http://guindo.pntic.mec.es/~pold0000/trabajosASI/asi104/Micros.htm http://www.mikroe.com/chapters/view/79/capitulo-1-el-mundo-de-los-microcontroladores/ http://anibalbizama.blogspot.mx/2012/11/8-empresas-fabricantes-de.html http://perso.wanadoo.es/pictob/microcr.htm

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