Arquitectura de microprocesadores y microcontroladores: ALU, RISC/CISC, memoria y periféricos

Arquitectura básica de microprocesadores

Unidad operativa ("Datapath"): contiene la ALU que permite realizar un conjunto de operaciones y dispone de registros para almacenar temporalmente datos (4, 8, 32, 64 bits).

Unidad de control: se encarga de obtener las instrucciones de la memoria de programa, decodificarlas y mover los datos hacia/desde la ALU de acuerdo con las instrucciones. Cada una de estas etapas puede realizarse en uno o más ciclos de reloj.

Tipos de microprocesadores según el número de instrucciones

Microprocesadores CISC: número elevado de instrucciones en su repertorio. Algunas instrucciones son muy complejas y requieren múltiples ciclos para su ejecución. Ofrecen al programador instrucciones potentes que simplifican la codificación de los algoritmos.

Microprocesadores RISC: número reducido de instrucciones en su repertorio. Las instrucciones son simples y generalmente se ejecutan en un solo ciclo de reloj. La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador.

Tipos de microprocesadores según la organización de la memoria

Princeton / Von Neumann: el programa y los datos comparten el mismo espacio de memoria. El hardware es más sencillo.

Harvard: el programa y los datos tienen buses de acceso independientes. La búsqueda de instrucciones y operandos puede realizarse simultáneamente.

Microcontroladores

Microcontrolador: es un circuito integrado que incluye: CPU; memoria de programa; memoria de datos; líneas de entrada/salida digitales; y periféricos integrados como, por ejemplo, puertos de comunicaciones serie, convertidores A/D, temporizadores, etc.

Ventajas principales

• Mayor disponibilidad de recursos de entrada/salida debido a la existencia de periféricos y memoria interna.
• Placas de circuito impreso más pequeñas y de menor coste.
• Menor consumo de potencia.
• Mayor fiabilidad debido a la reducción del número de circuitos e interconexiones externas.

Inconvenientes principales

• Flexibilidad reducida, determinada por la programabilidad y características de los periféricos integrados.
• La expansión de memoria es limitada o no es posible.
• La velocidad del procesador es menor debido a las limitaciones de tamaño y consumo.

Sistemas empotrados

Los sistemas empotrados (basados en microcontroladores) se caracterizan por:

• Funcionalidad única. Diseñados para realizar una función predeterminada.
• Hardware especializado.
• Solución de bajo coste.
• Diseño basado en pocos componentes/circuitos.
• Velocidad optimizada para la aplicación.
• Bajo consumo.
• Sistemas en tiempo real. Continuamente monitorizan el entorno y actúan en función de los cambios.
• Combinan hardware y software.

Memoria

FLASH-EEPROM: es la tecnología más utilizada en la actualidad, ya que puede ser borrada eléctricamente en el propio circuito. (Aparte de la ROM y la EPROM, que son tecnologías anteriores menos flexibles).

Puertos de E/S digitales

Puertos de E/S digitales: los puertos están asignados a posiciones de memoria; es decir, memoria y registros de E/S comparten el mismo rango de direcciones y el mismo bus de direcciones.

Temporizadores

Temporizadores: un temporizador consiste en un contador que se incrementa o decrementa a partir de la señal de reloj o de las transiciones en un terminal externo del microcontrolador. El valor del contador puede ser leído y modificado por la CPU en cualquier momento. Generalmente, el contador puede generar una interrupción cuando se produce su desbordamiento.

Aplicaciones:

• Medidas de intervalos de tiempo y de frecuencia.
• Contador de pulsos.
• Generador de retardos precisos.
• Indicación del instante en el que se produce un cierto suceso.
• Base de tiempos: generación de señales digitales o analógicas (por medio de un DAC) de frecuencia precisa.
• Generación de señales moduladas en anchura de impulso o PWM.

Temporizador Watchdog (WDT)

Watchdog (WDT): el WDT reinicia (inicializa) el microcontrolador después de un tiempo programado. El código del microcontrolador debe reinicializar la temporización antes de que finalice. Si la ejecución de código se detiene por un mal funcionamiento, el WDT alcanza el final de la temporización e inicializa el microcontrolador.

Puertos de comunicación serie

Puertos de comunicación serie: se usan para la comunicación entre dos dispositivos físicamente distantes o cuando se disponen de pocos terminales de entrada/salida.

PWM

PWM: genera una señal digital en la que se puede programar la frecuencia y su ciclo de trabajo.