Fundamentos de Microcontroladores y Microprocesadores: Arquitectura y Comunicación

Sistemas Microcontrolados y Microprocesadores: Conceptos Fundamentales

Sistemas Microcontrolados

Un sistema microcontrolado es un equipo electrónico basado en microcontroladores que puede interactuar con dispositivos analógicos y digitales. Es completamente programable.

Microprocesador (uP)

Un microprocesador es un circuito integrado programable, compuesto por tres bloques básicos. Se comunica con el exterior a través de buses.

Componentes Clave del Microprocesador

• Unidad de Control (UC): Es el cerebro del microprocesador. Su misión es decodificar las instrucciones y generar las microórdenes que activan los circuitos del microprocesador para ejecutar las funciones de las instrucciones.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Es un circuito electrónico que realiza operaciones aritméticas y lógicas.
• Registros: Son unidades de memoria de N bits que almacenan información procedente del interior y exterior del microprocesador (uP).

Buses del Microprocesador

Los buses son un conjunto de hilos, pistas o cables cuya misión es transportar información digital.

• Bus de Direcciones: Utilizado por el uP para seleccionar o direccionar los dispositivos externos.
• Bus de Datos: Utilizado por el uP para enviar o recibir información de los dispositivos externos.
• Bus de Control: Utilizado por el uP para escribir o leer los dispositivos externos. También sirve para reiniciar o deshabilitar el uP.

Memorias

Las memorias son circuitos integrados que almacenan información.

Memoria ROM (Read-Only Memory)

La ROM (Memoria de Solo Lectura) almacena información durante el proceso de fabricación. Es una memoria no volátil, lo que significa que conserva los datos incluso sin alimentación.

Proceso de Lectura de la Memoria ROM

1. El uP, a través del decodificador de direcciones, selecciona la ROM [CS2].
2. El uP, a través del bus de direcciones [A2..A0], selecciona la palabra específica de la memoria.
3. El uP, a través del bus de control [R], da la orden de lectura a la memoria ROM.
4. La memoria ROM coloca la información en el bus de datos [D7..D0], y el uP la almacena en sus registros.

Memoria RAM (Random Access Memory)

La RAM (Memoria de Acceso Aleatorio) permite tanto la lectura como la escritura de datos. Es una memoria volátil, lo que implica que pierde su contenido al desconectar la alimentación.

Interfaces

Las interfaces son circuitos electrónicos que comunican el exterior con el microprocesador (uP).

Interfaz Serie

Las interfaces serie comunican el exterior con el uP mediante un bus serie de tres hilos, donde los datos se obtienen de uno en uno. El proceso de lectura y escritura es similar al de las memorias. Se deben configurar cuando se desea leer o escribir datos en el exterior.

• A través de Tx y GND, se transmiten los datos del uP al exterior.
• A través de Rx y GND, el uP recibe los datos del exterior.

El protocolo de comunicaciones debe estar predefinido:

• Asíncrona: Requiere una señal que identifique el inicio del carácter o bit de arranque, y otra señal de parada que indica la finalización del carácter.
• Síncrona: Implica el uso de un reloj. La transmisión síncrona requiere dos líneas: una de datos, donde se representan los estados de los bits a transmitir, y una de reloj, que indica cuándo cada bit está disponible en la línea de datos.

Tipos de Comunicaciones

• Simplex: El transmisor y el receptor están definidos, y la comunicación es unidireccional.
• Dúplex o Semidúplex: Ambos extremos del sistema de comunicación cumplen funciones de transmisor y receptor, y los datos se desplazan en ambos sentidos, pero no simultáneamente.
• Full Dúplex: Los datos se desplazan en ambos sentidos simultáneamente.

Interfaz Paralela

Las conexiones paralelas consisten en la transmisión simultánea de N cantidad de bits, del uP al exterior o viceversa.

Microcontroladores

Un microcontrolador es un circuito integrado que contiene un sistema microprocesado (uP, memorias, interfaces, etc.) y hardware de control de dispositivos electrónicos. Es completamente programable.

Lenguajes de Programación

• Lenguaje Máquina: Es un lenguaje binario, el único que entienden los microcontroladores. El lenguaje ensamblador se compila a lenguaje máquina.
• Lenguaje Ensamblador: Utiliza un lenguaje mnemónico, que son grupos de caracteres alfanuméricos que simbolizan órdenes o tareas a realizar con cada instrucción.
• Programa Ensamblador: Es un software encargado de traducir el lenguaje ensamblador a lenguaje máquina.