1. Introducción a los Microcontroladores

1 1. introducci n a los Microcontroladores En este cap tulo se da una introducci n al tema, exponiendo conceptos generales, es decir, conceptos que no est n enfocados a un MCU particular. Se describen los alcances y limitaciones de estos dispositivos y se muestra una organizaci n com n a la mayor a de Microcontroladores . Sistemas Electr nicos La electr nica ha evolucionado de manera sorprendente en los ltimos a os, tanto que actualmente no es posible concebir la vida sin los sistemas electr nicos. Los sistemas electr nicos son una parte fundamental en el trabajo de las personas, proporcionan entretenimiento y facilitan las actividades en los hogares.

2 Un sistema electr nico puede ser representado con el diagrama de la figura , sin importar la funcionalidad para la cual haya sido dise ado. Figura Abstracci n de un sistema electr nico El sistema recibe las peticiones de los usuarios o conoce lo que ocurre en su entorno por medio de los sensores. Los sensores son dispositivos electr nicos que se encargan de acondicionar diferentes tipos de informaci n a un formato reconocido por los elementos de procesamiento. Un sensor puede ser tan simple como un bot n o tan complejo como un reconocedor de huella digital, pero si los elementos de procesamiento son digitales, en ambos casos la salida va a estar codificada en 1's y 0's.

3 Con los sensores se pueden monitorear diferentes par metros, como: temperatura, humedad, velocidad, intensidad luminosa, etc. Los elementos de visualizaci n son dispositivos electr nicos que muestran el estado actual del sistema, notificando al usuario si debe tomar acciones. Los elementos de visualizaci n t picos son: LEDs individuales o matrices de LEDs, displays de 7 segmentos o de cristal l quido. 15. Los actuadores son dispositivos electr nicos o electromec nicos que tambi n forman parte de las salidas de un sistema, pero con la capacidad de modificar el entorno, es decir, van m s all de la visualizaci n, algunos ejemplos son: motores, electrov lvulas, relevadores, etc.

4 Los elementos de comunicaci n proporcionan a un sistema la capacidad de comunicarse con otros sistemas, son necesarios cuando una tarea compleja va a ser resuelta por diferentes sistemas. Entonces, un sistema complejo est compuesto por diferentes sistemas simples, cada uno con sus elementos de procesamiento, cada sistema simple o sub-sistema est orientado a resolver una etapa de la tarea compleja. Los elementos de procesamiento son dispositivos electr nicos que determinan la funcionalidad del sistema, con el desarrollo de uno o varios procesos.

5 Ocasionalmente a estos elementos de procesamiento se les refieren como la Tarjeta de Control de un sistema o simplemente el Controlador. El controlador recibe la informaci n proveniente de los sensores y, considerando el estado actual que guarda el sistema, genera algunos resultados visuales, activa alg n actuador o notifica sobre nuevas condiciones a otro sistema. Controladores y Microcontroladores El concepto de controlador ha permanecido invariable a trav s del tiempo, aunque su implementaci n f sica ha variado con los cambios tecnol gicos.

6 En principio, los controladores se construyeron con base en circuitos anal gicos, las decisiones se tomaban con diferentes configuraciones de transistores o amplificadores operacionales. En los setentas se empleaba l gica discreta con circuitos digitales con baja o mediana escala de integraci n. El primer microprocesador (4004 de Intel) fue puesto en operaci n en 1971, esto dio lugar al empleo de un microprocesador con sus elementos de soporte (memoria, entrada/salida, etc.) como tarjetas de control.

7 A estas tarjetas tambi n se les conoce como Computadoras en una Sola Tarjeta (SBC, single board computer). Actualmente se han integrado todos estos elementos en un solo circuito integrado y a ste se le refiere como Unidad Micro Controladora (MCU, Micro Controller Unit) o simplemente microcontrolador, esta tendencia se ilustra en la figura Figura Los Microcontroladores remplazan a tarjetas con varios CIs 16. Un microcontrolador es un Circuito Integrado con una escala de integraci n muy grande (VLSI1, very large scale integration ) que internamente contiene una Unidad Central de Procesamiento (CPU, Cental Processing Unit), memoria para c digo, memoria para datos, temporizadores, fuentes de interrupci n y otros recursos necesarios para el desarrollo de aplicaciones, por lo general con un prop sito espec fico.

8 Si bien, un MCU incluye pr cticamente los elementos necesarios para ser considerado como una computadora en un circuito integrado, frecuentemente no es tratado como tal, ya que su uso t pico consiste en el desempe o de funciones de control interactuando con el mundo real para monitorear condiciones (a trav s de sensores) y en respuesta a ello, encender o apagar dispositivos (por medio de actuadores). Microprocesadores y Microcontroladores Ocasionalmente estos dispositivos se tratan como iguales, sin embargo existen diferencias fundamentales a considerar.

9 Un microprocesador b sicamente contiene una CPU, mientras que un microcontrolador adem s de la CPU contiene memoria, temporizadores, interrupciones y otros recursos tiles para el desarrollo de aplicaciones, todos estos elementos en un circuito integrado. El microcontrolador tiene m s recursos que el microprocesador, pero su CPU est . limitada en t rminos de su capacidad de procesamiento. Las limitaciones principales son: Velocidad de procesamiento: Actualmente los Microcontroladores trabajan a frecuencias m ximas de 20 MHz, mientras que los microprocesadores est n en el orden de GHz.

10 Capacidad de direccionamiento: Un microcontrolador promedio dispone de 8. Kbyte para instrucciones y 1 Kbyte para datos, los microprocesadores modernos pueden direccionar hasta 1 Terabyte, espacio compartido para instrucciones y datos. Por lo que en su repertorio de instrucciones, los microprocesadores deben incluir modos de direccionamiento que les permitan este alcance. Tama o de los datos: Los Microcontroladores populares son de 8 bits y dentro de sus instrucciones incluyen algunas que permiten evaluar o modificar bits individuales.