Fundamentos de Electrónica Digital: Lógica, Microprocesadores y Arduino

Conceptos Fundamentales de Lógica

Lógica Cableada vs. Lógica Programada

• Lógica Cableada: Diseñada mediante circuitos combinacionales y secuenciales para una aplicación específica e inmutable.
• Lógica Programada: Su funcionamiento se adapta a cada situación mediante software, ofreciendo flexibilidad.

Controladores

Un controlador es un circuito digital con entradas y salidas diseñado para automatizar un proceso.

• Históricamente, se utilizaban circuitos cableados y, posteriormente, se evolucionó a circuitos programables.

Microprocesadores

Un microprocesador es un controlador miniaturizado, implementado como un circuito integrado.

Estructura del Microprocesador

• Hardware: Compuesto por elementos simples como multiplexores y puertas lógicas.
• Software: Contiene instrucciones para realizar diversas funciones.
• Componentes principales:
  • Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza cálculos y comparaciones matemáticas.
  • Registros: Almacenan datos e instrucciones temporalmente. Los primeros eran de 4 bits; actualmente, pueden ser de hasta 128 bits.
  • Unidad de Control: Controla y ejecuta todas las operaciones, cargando e interpretando las instrucciones una a una.
  • Buses: Líneas eléctricas por donde se transmite la información (datos, direcciones, control).
  • Reloj: Proporciona una señal de pulsos que sirve como temporizador para la ejecución de las instrucciones.

Circuitos Controladores Basados en Microprocesadores

Estos circuitos funcionan utilizando código binario, por lo que sus operaciones se basan en potencias de 2.

Agrupaciones de Bits

• Nibble: 4 bits
• Byte: 8 bits
• Kilobyte (KB): 1024 Bytes
• Megabyte (MB): 1024 KB
• Gigabyte (GB): 1024 MB
• Terabyte (TB): 1024 GB

Memorias

1. Memoria ROM (Read-Only Memory)

Memoria de solo lectura, caracterizada por contener datos grabados que, en su forma original, no pueden ser borrados.

• Tipos de ROM programables:
  • EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory): Inicialmente sin grabar, se borra exponiéndola a luz ultravioleta.
  • EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): Inicialmente sin grabar, se borra eléctricamente.

2. Memoria RAM (Random Access Memory)

Memoria de lectura y escritura que permite acceder a cualquier posición de memoria directamente, sin necesidad de pasar por las anteriores. Se puede reescribir y mantiene la información mientras se le suministra tensión.

• Tipos de RAM:
  • SRAM (Static Random Access Memory): Construida con biestables, es rápida y cara. Mantiene la información mientras está alimentada (utilizada en memorias caché).
  • DRAM (Dynamic Random Access Memory): Requiere alimentación y su información debe ser recargada periódicamente. Se fabrica con condensadores, lo que la hace más económica y viable para grandes capacidades.

Componentes y Software del Sistema

Buses del Sistema

• Bus de Datos: Transporta datos. Su ancho (número de líneas) coincide con el tamaño del dato. Es bidireccional y conecta todos los componentes que intercambian información.
• Bus de Direcciones: Señala la dirección de memoria o de las unidades de E/S (Entrada/Salida). Es unidireccional (desde el procesador hacia la memoria/periféricos).
• Bus de Control: Transmite señales de control para activar o desactivar componentes, sincronizar operaciones y gestionar el flujo de datos.

Software del Microprocesador

• Instrucciones para el movimiento de datos entre los elementos del sistema.
• Instrucciones de cálculo aritmético-lógico.
• Instrucciones de salto en la secuencia del programa.
• Instrucciones de control de las funciones internas del microprocesador.

Microcontroladores

Un microcontrolador es un circuito integrado programable, económico y con una capacidad de procesamiento más simple que un microprocesador.

• Se programa utilizando lenguajes de programación de mayor nivel que el lenguaje máquina.
• Un lenguaje de programación de mayor nivel facilita su programación.

Plataforma Arduino

Arduino es una plataforma de electrónica de código abierto para la creación de prototipos, basada en hardware y software de fácil uso.

Funciones de Arduino

• Control de procesos.
• Gestión de memoria.
• Control de entradas y salidas (E/S).

Trabaja a 5 V.

Escudos (Shields) de Arduino

• Motor Shield
• Bluetooth Shield
• LCD Shield
• GPS Shield

Tipos de Arduino

Se clasifican principalmente por su tamaño y capacidades.

Características Comunes de Arduino

1. Voltaje de operación: 5 V.
2. Alimentación externa: entre 7 y 12 V en corriente continua (CC).
3. Pines digitales de E/S: 14.
4. Pines analógicos de entrada: 6.
5. Interfaz de programación: USB.
6. Frecuencia de reloj: 16 MHz.

Programación de Arduino en C/C++

La programación se realiza en un entorno basado en C/C++, estructurado en dos funciones principales:

1. setup(): Función de inicialización, se ejecuta una sola vez al encender o reiniciar la placa.
2. loop(): Función principal de ejecución continua, se repite indefinidamente después de setup().