Microcontroladores: Arquitectura, Aplicaciones y Mercado

1. Introducción a los Microcontroladores

1.1 Controlador y Microcontrolador

Un controlador es un dispositivo que gobierna uno o varios procesos. Antiguamente, se construían con lógica discreta, luego con microprocesadores, memoria y E/S en una tarjeta. Actualmente, todos los elementos del controlador se integran en un solo chip: el microcontrolador. Este es esencialmente un computador completo en un circuito integrado.

Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayoría de los elementos de un controlador.

Componentes de un microcontrolador:

• Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso)
• Memoria RAM para datos
• Memoria de programa (ROM/PROM/EPROM)
• Líneas de E/S para comunicación externa
• Módulos para control de periféricos (temporizadores, puertos serie y paralelo, conversores A/D y D/A, etc.)
• Generador de reloj para sincronización del sistema

Ventajas de usar microcontroladores:

• Mayor rendimiento: Control preciso sobre los elementos del sistema.
• Mayor fiabilidad: Menor riesgo de averías y menos ajustes necesarios.
• Menor tamaño: Integración en un solo chip.
• Mayor flexibilidad: Modificación del control mediante cambios en el programa.

Un microcontrolador con todas las partes del computador integradas en el dispositivo que gobierna se denomina controlador empotrado (embedded controller).

1.2 Diferencia entre Microprocesador y Microcontrolador

Un microprocesador es un circuito integrado que contiene la UCP de un computador. La UCP se compone de la Unidad de Control (que interpreta instrucciones) y el Camino de Datos (que las ejecuta). Un microprocesador es un sistema abierto, ya que su configuración varía según la aplicación. Sus buses de direcciones, datos y control se conectan a memoria y módulos de E/S externos (Figura 1.1).

Figura 1.1. Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador.

Un microcontrolador es un sistema cerrado que integra todos los componentes del computador, incluyendo memoria y periféricos, en un solo chip. Solo las líneas que gobiernan los periféricos salen al exterior (Figura 1.2).

Figura 1.2. Estructura de un sistema cerrado basado en un microcontrolador.

1.3 Aplicaciones de los Microcontroladores

Los microcontroladores se utilizan en una amplia gama de sistemas, desde juguetes y electrodomésticos hasta computadoras, impresoras, automóviles, instrumentación electrónica y sistemas de control en naves espaciales. En sistemas complejos, varios microcontroladores pueden controlar partes específicas y comunicarse entre sí y con un procesador central para compartir información y coordinar acciones.

1.4 El Mercado de los Microcontroladores

Existe una gran variedad de microcontroladores, clasificados principalmente por su arquitectura de 4, 8, 16 o 32 bits. Aunque los de 16 y 32 bits ofrecen mayor rendimiento, los de 8 bits dominan el mercado, seguidos por los de 4 bits, debido a su idoneidad para la mayoría de las aplicaciones y su menor coste. El mercado automotriz es un importante impulsor del desarrollo de microcontroladores, exigiendo alta fiabilidad en condiciones extremas.

Distribución de ventas por aplicación:

• Computadoras y periféricos: 33%
• Consumo (electrodomésticos, juegos, TV, etc.): 25%
• Comunicaciones: 16%
• Industrial: 16%
• Automoción: 10%

Los microcontroladores de 32 bits se están consolidando en áreas como procesamiento de imágenes, comunicaciones, aplicaciones militares, procesos industriales y almacenamiento masivo de datos.

1.5 ¿Qué Microcontrolador Emplear?

La elección del microcontrolador adecuado depende de varios factores, como el coste, la documentación, las herramientas de desarrollo, los fabricantes, y las características del microcontrolador (memoria, temporizadores, interrupciones, etc.).

Factores a considerar:

• Costes: Existe una fuerte competencia entre fabricantes.
• Aplicación: Analizar los requisitos de procesamiento de datos, entrada/salida, consumo, memoria y ancho de palabra.
• Diseño de la placa: Un microcontrolador barato puede encarecer otros componentes.

Algunos de los microcontroladores más populares son: 8048 (Intel), 8051 (Intel y otros), 80186, 80188 y 80386 EX (Intel), 68HC11 (Motorola y Toshiba), 683xx (Motorola), y PIC (MicroChip).

1.6 Recursos Comunes a Todos los Microcontroladores

1.6.1 Arquitectura Básica

Aunque inicialmente se usaba la arquitectura von Neumann (una sola memoria para datos e instrucciones), actualmente predomina la arquitectura Harvard, que utiliza memorias separadas para datos e instrucciones, con buses de acceso independientes, permitiendo accesos simultáneos (Figura 1.3).

Figura 1.3. Arquitectura Harvard.

Los microcontroladores PIC utilizan la arquitectura Harvard.

1.6.2 El Procesador o UCP

La UCP direcciona la memoria de instrucciones, recibe y decodifica el código de operación, ejecuta la instrucción, busca operandos y almacena el resultado. Existen tres arquitecturas principales:

• CISC (Conjunto de Instrucciones Complejo): Más de 80 instrucciones, algunas complejas y que requieren varios ciclos de ejecución.
• RISC (Conjunto de Instrucciones Reducido): Pocas instrucciones, simples y generalmente ejecutadas en un ciclo.
• SISC (Conjunto de Instrucciones Específico): Instrucciones adaptadas a aplicaciones muy concretas.

1.6.3 Memoria

Los microcontroladores integran la memoria de programa (ROM) y de datos (RAM) en el mismo chip. La memoria ROM almacena el programa, mientras que la RAM guarda variables y datos temporales. Las capacidades de memoria son menores que en los computadores personales, típicamente entre 512 bytes y 8 KB para ROM y entre 20 y 512 bytes para RAM.

Tipos de memoria ROM:

1. ROM con máscara: Grabada durante la fabricación. Adecuada para grandes volúmenes.
2. OTP (Programable una sola vez): Programada por el usuario una sola vez.
3. EPROM (Borrable y programable): Borrable con luz ultravioleta y reprogramable.
4. EEPROM (Borrable y programable eléctricamente): Borrable y programable eléctricamente, incluso en circuito.
5. FLASH: No volátil, de bajo consumo, programable y borrable en circuito, más rápida y con mayor densidad que la EEPROM.

1.6.4 Puertas de Entrada y Salida (E/S)

Las patitas del microcontrolador soportan las líneas de E/S que lo comunican con los periféricos externos.

1.6.5 Reloj Principal

Un oscilador interno genera los impulsos de reloj para sincronizar las operaciones. La frecuencia de reloj influye en la velocidad de ejecución y el consumo de energía.

1.7 Recursos Especiales

Los microcontroladores incorporan diversos recursos especiales, como temporizadores, watchdog, protección ante fallos de alimentación, modo de bajo consumo, conversores A/D y D/A, comparador analógico, modulador PWM, puertos de E/S digitales y puertos de comunicación (UART, USART, USB, I2C, CAN, etc.).

1.8 Herramientas para el Desarrollo de Aplicaciones

Desarrollo de software:

• Ensamblador: Permite un control absoluto del sistema, generando código eficiente.
• Compilador: Facilita el desarrollo con lenguajes de alto nivel (C, Basic).

Depuración:

• Simulador: Ejecuta programas en un PC para depuración.
• Placas de evaluación: Sistemas con microcontrolador, periféricos y programa monitor para pruebas y depuración.