Introducción a los microcontroladores

¿Qué es un microcontrolador?

Los microcontroladores hicieron su aparición a principio de los ’80 y se trata de un circuito integrado programable que contiene toda la estructura (arquitectura) de una microcomputadora. Es decir que, dentro de un microcontrolador podemos encontrar:

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  • CPU (Unidad Central de Proceso)
  • Memoria RAM
  • Memoria ROM
  • Memoria EEPROM (Memoria de lectura y escritura no volátil, es decir, que no se pierden los datos cuando el circuito es desconectado)
  • Puertos de Entrada/Salida (Pines de E/S)
  • Módulos periféricos: conversores analógico/digital (A/D), módulos PWM (control por ancho de pulso), módulos de comunicaciones seriales o en paralelo, y más.

Todo esto lo podemos encontrar dentro del mismo circuito integrado.

Cada vez existen más productos que incorporan microcontroladores con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y costo, mejorar su confiabilidad y disminuir el consumo de energía.

Los microcontroladores «PIC»

Los microcontroladores denominados «PIC» corresponden exclusivamente a la marca Microchip. PIC significa «Peripheral Interface Controller» y fue desarrollado por Microchip a principio de los 80.

Existe una gran cantidad de modelos de microcontroladores cuyas características y prestaciones varían de un modelo a otro. De esta manera los desarrolladores pueden seleccionar el modelo que mejor se ajuste a sus necesidades.

Los distintos modelos de microcontroladores se agrupan por “familia”. Una familia puede estar formada por un conjunto de modelos cuyas características y prestaciones son bastante similares.

Cuando compramos un microcontrolador, la memoria del mismo se encuentra “vacía” y para que funcione es necesario que sea “programado”, es decir que, el desarrollador debe escribir un programa que contenga todos los procesos que el microcontrolador debe ejecutar.

Este programa se escribe en un lenguaje llamado “Assembler” (ensamblador) cuya principal característica es su alta complejidad ya que se trata de un lenguaje “de bajo nivel”, es decir, que se encuentra “más cercano” al lenguaje de la máquina que del lenguaje humano.

Por esto, sólo los técnicos altamente capacitados están en condiciones de realizar desarrollos electrónicos que incluyan microcontroladores. Incluso a estos especialistas les implica un gran esfuerzo intelectual y mucho tiempo de desarrollo.

Estructura de un microcontrolador

Básicamente, un microcontrolador esta compuesto por los siguientes componentes:

  • Procesador o CPU (del inglés Central Prossesing Unit o Unidad Central de Proceso).
  • Memoria para el programa tipo ROM.
  • Memoria RAM para contener los datos.
  • Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
  • Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.).

El procesador o CPU

Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. La CPU (Central Processing Unit o Unidad Central de Proceso) se encarga la decodificación y ejecución del programa.

Actualmente, existen 3 tipos de arquitectura de procesadores:

  • CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo):  disponen de más de 80 instrucciones 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 instrucciones complejas que actúan como macros.

 

  • RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido): En estos procesadores el repertorio de instrucciones es muy reducido y las instrucciones son simples y generalmente se ejecutan en un ciclo. La ventaja de éstos es que la sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador.

 

  • 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», o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista.

Memoria ROM

La memoria ROM es una memoria no volátil, es decir, que no se pierden los datos al desconectar el equipo y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Los microcontroladores disponen de capacidades de ROM comprendidas entre 512 bytes y 8 k bytes.

Existen distintos tipos de memorias ROM, la cual determinará la aplicación del microcontrolador.

  • ROM con máscara: Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. El elevado costo del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades.

 

  • OTP: El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura «programable una sola vez» por el usuario. OTP (One Time Programmable). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde una PC. La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas. Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido.

 

  • EPROM: Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, 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 con material plástico.

 

  • EEPROM: Se trata de memorias de sólo lectura, las cuales se puede escribir y borrar eléctricamente. EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. 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 continua. Son muy idóneos para la enseñanza y la Ingeniería de diseño. Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno. Este tipo de memoria es relativamente lenta.

 

  • FLASH: Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM. La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura y borrado.

Memoria RAM

La memoria RAM es una memoria volátil, es decir, que se pierden los datos al desconectar el equipo, y se destina a guardar las variables y los datos. Los microcontroladores disponen de capacidades de RAM comprendidas entre 20 y 512 bytes.

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