INTRODUCCIÓN:
Un microcontrolador (abreviado μC, UC o MCU)
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, 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.
Las extensas áreas de
aplicación de los microcontroladores, que se pueden considerar ilimitadas, como pueden ser
juguetes, horno microondas, frigoríficos,
televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc.
Los
microcontroladores en el mercado:
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.
En
cuanto a las técnicas de fabricación, cabe decir que prácticamente la totalidad
de los microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS 4
(Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta tecnología supera a las
técnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido.
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La distribución de las ventas según
su aplicación
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Una 30% se absorbe en las
aplicaciones relacionadas con los
computadores y sus periféricos.
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Otro 25% se utiliza en las
aplicaciones de consumo (electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc.)
·
El 20% de las ventas mundiales se
destinó al área de las comunicaciones.
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Un 15% fue empleado en aplicaciones
industriales.
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El resto de los microcontroladores
vendidos en el mundo, aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las
industrias de automoción.
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Arquitectura
básica
Aunque
inicialmente todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura clásica de
von Neumann, en la actualidad se impone la arquitectura Harvard.
La
arquitectura de von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria
principal donde 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).
La
arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que contiene
sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas
de buses y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura)
simultáneamente en ambas memorias.
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La arquitectura Harvard dispone de dos memorias
independientes para datos y para instrucciones, permitiendo accesos
simultáneos.
Los microcontroladores PIC responden a la
arquitectura Harvard.
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Características
principales:
Es
el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel
hardware como software.
Se
encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir la instrucción en
curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica dicha
instrucción, así como la búsqueda de los
operandos y el almacenamiento del resultado.
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.
Una
ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones
complejas que actúan como macros.
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.
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 conjunto de instrucciones que ejecuta la aplicación. Otra parte de memoria
es del tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.
Según
el tipo de memoria ROM que dispongan los microcontroladores, la aplicación y
utilización de los mismos es diferente. Las cinco versiones de memoria no
volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado son:
·
ROM con máscara
Es
una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la
fabricación del chip. El elevado coste del diseño de la máscara sólo hace
aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando
se precisan grandes cantidades de los mismos.
·
OTP
Es
una memoria no volátil de sólo lectura "programable una sola vez" por
el usuario. OTP(One Time Programmable). La
versión OTP es recomendable cuando la tirada del producto es baja, o bien, en
la construcción de prototipos y series muy pequeñas.
·
EPROM
Los
microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read
OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. Si se desea borrar el
contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se
somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son
de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP
que están hechos generalmente con plástico.
·
EEPROM
Se
trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente
EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory).
No
disponen de ventana de cristal en la superficie.
Los
microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito,
pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho
circuito. Para ello se usan "grabadores en circuito" que confieren
una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa
de trabajo.
El
número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por
lo que no es recomendable una reprogramación continúa. Este tipo de memoria es
relativamente lenta.
·
FLASH
Se
trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y
borrar, es programable en el circuito, es más rápida que la EEPROM y tolera más
ciclos de escritura/borrado.
La
principal utilidad de las líneas de E/S
es comunicar al computador interno con los
periféricos exteriores.
Según
los controladores de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, las
líneas de E/S se destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada,
salida y control.
Algunos
modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los
que destacan:
UART,
adaptador de comunicación serie asíncrona.
USART,
adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona
Puerta paralela esclava, para poder conectarse con los buses de otros
microprocesadores.
Todos
los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que sincroniza de
todas las operaciones del sistema. Generalmente, el circuito de reloj está
incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes
exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo.
Cada
fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de
microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora
nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones
muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo mínimo que
satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará
el coste, el hardware y el software.
Los
principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son:
• 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 o "Watchdog".
Temporizador
que cuando se bloquea el sistema, provoca un reset automáticamente.
• Protección ante fallo de alimentación o
"Brownout".
Se
trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación
(VDD) es inferior a un voltaje mínimo ("brownout").
• Estado de reposo o de bajo consumo.
Para
ahorrar energía cuando el microcontrolador no está funcionando, éstos disponen
de una instrucción especial (SLEEP en los PIC), que les pasa al estado de
reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos.
Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el
microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo.
• Conversor A/D (CAD).
Los
microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden
procesar señales analógicas.
• Conversor D/A (CDA).
Transforma
los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su
correspondiente señal analógica.
• Comparador analógico.
Algunos
modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador
Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra
variable. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una
señal sea mayor o menor que la otra.
• Modulador de anchura de impulsos o
PWM.
Son
circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable.
MARCAS DE MICROCONTROLADORES DE 8 BITS
(FAMILIAS Y CARACTERÍSTICAS)
Existen
diversos fabricantes y multitud de modelos que dificultan esta tarea, aun así,
podemos establecer ciertos criterios de comparación que nos la facilitan.
Principales Marcas: Según volumen de ventas y diversidad de modelos podemos
establecer como principales a los siguientes fabricantes:
·
Microchip Technology
Corp.
·
STMicroelectronics
·
Atmel Corp.
·
Motorola Semiconductors Corp.
Microchip Technology Corp.
8-bit PIC® Microcontrollers
Microcontroladores
PIC están encontrando su camino en nuevas aplicaciones como los teléfonos
inteligentes, accesorios de audio, periféricos de videojuegos y dispositivos
médicos avanzados. Microchip
ofrece soluciones para la gama completa de microcontroladores de 8-bits, con
herramientas de desarrollo fácil de usar, la documentación técnica completa y
post-diseño de apoyo a través de una red de ventas y distribución.
Quizá
de todos los fabricantes expuestos, Microchip es el que más diversidad posee,
cuenta actualmente con 159 microcontroladores distintos (además de todas sus
versiones según encapsulado).
Mostraremos
a continuación los más significativos, aunque quizá el buque insignia sea el PIC16F84.
STMicroelectronics
STM8 - microcontroladores de 8 bits
El
STM8 es una plataforma de tecnologías, IPs y herramientas que constituye la
base de STMicroelectronics completa familia de microcontroladores de 8-bits.
Estos abarcan una amplia gama de aplicaciones de ultra-bajo consumo de energía
y
los productos electrónicos de consumo, incluyendo electrodomésticos y
automatización de fábricas, a los segmentos de automóviles.
La
plataforma proporciona excelentes niveles de rendimiento digital y analógico
combinado con un alto nivel de costos y eficacia.
Implementado
en torno a un rendimiento de alta de 8 bits de núcleo y un conjunto de
estado-of-the-art de los periféricos y el IPS, los microcontroladores de la
familia STM8 están fabricados con una ST-130 nm de propiedad implícitos no
volátil tecnología de memoria
La
familia con más diversidad y la más utilizada en todo tipo de aplicaciones
debido a su relación prestaciones-precio as la ST7.
Atmel Corp
Microcontroladores
Atmel ® ofrecen una rica mezcla de alta eficiencia, los diseños integrados,
tecnología probada y la innovación revolucionaria que es ideal para
aplicaciones avanzadas de hoy en día. Basándose en décadas de
experiencia y liderazgo en la industria, Atmel presenta arquitecturas probadas
que han sido optimizados para baja potencia, conectividad de alta velocidad y
ancho de banda óptimo, y el apoyo interfaz rica. Una amplia variedad de opciones de configuración permite a
los desarrolladores crear soluciones de sistema completas para todo tipo de
aplicaciones. Microcontroladores Atmel también puede apoyar la integración
de la tecnología táctil capacitiva, para implementar botones, deslizadores y
ruedas. No importa lo que su mercado o dispositivo, Atmel ofrece una
solución completa que se adapta a sus necesidades de hoy y de mañana.
Análogamente expondremos las
familias de 8 bits de Atmel.
Actualmente
los microcontroladores que son más requeridos
por el consumo doméstico son los de la familia 8051, aunque cabe destacar la
AVR debido a las prestaciones que ofrecen
Aquí
se presentan algunas tablas con los microcontroladores más significativos de 8
bits de Motorola.
De
todas las tablas comparativas expuestas de los microcontroladores de 8 bits de
Motorola, cabe señalar que la familia más utilizada por velocidad, memoria y
precio es la M68HC11.
Existen
multitud de fabricantes de
microcontroladores que suelen producir integrados muy específicos para
determinadas aplicaciones especializadas, algunos de ellos son:
Conclusiones:
En
nuestra vida cotidiana encontramos multitud de microcontroladores, en electrodomésticos,
teléfonos, etc. Algunos de ellos deben superar unos estrictos controles de
calidad, especialmente los orientados al sector del automóvil, ya que estos
pueden controlar elementos vitales del vehículo, como pueden ser el ABS, la
Inyección Electrónica, Control de estabilidad, etc.
Los
Microcontroladores de 8 bits continúan
siendo el producto más consumido entre los integrados debido a la facilidad de
programación en aplicaciones de usuario final, reproductores/grabadores de DVD,
dispositivos de control remoto, cámaras digitales, sistemas de sonido, teclados
y otros.
Continúa
siendo atractivo gracias a su bajo coste, su capacidad de grabación onchip y
ciertas características que facilitan producir una aplicación final.
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