Microcontroladores

En la actualidad vivimos en un mundo donde la tecnología se ha desarrollado muy rápidamente, en los últimos años se ha incrementado el número de aparatos tecnológicos que dan mayor comodidad, mejor eficiencia y el mejor manejo posible a problemas que se nos presentan o simplemente para mejorar las herramientas que utilizamos. En nuestra vida cotidiana estamos en contacto con muchos artefactos, en la casa, en la escuela o en el trabajo nos encontramos al menos con uno, puede ser un horno de microondas, una lavadora, una computadora, una impresora, un celular, etc.

Los microcontroladores son dispositivos electrónicos capaces de llevar a cabo procesos lógicos, los cuales son programados para que posteriormente sean guardados en la memoria del dispositivo. Anteriormente las personas se las ingeniaban para diseñar circuitos, muchos de estos diseños eran muy grandes, además de que tenían muchos fallos, posteriormente aparecieron los microprocesadores que simplificaron los nuevos diseños, sin embargo, después de un tiempo aparecen los microcontroladores que simplifican aún más los diseños. Los microcontroladores pueden tener dos tipos de arquitecturas: Von Neumann o Harvard, existen diversos tipos de microcontroladores pero principalmente cada una contiene un procesador, memoria, puertas de entrada, puertas de salida y un reloj principal. También es muy importante mencionar las diferencias entre un microcontrolador y un microprocesador ya que son dispositivos diferentes, los microcontroladores se utilizan de muchas maneras, pueden servir como temporizadores, puertos digitales, puertos de comunicación, entre otras.

Los microcontroladores se han desarrollado a gran velocidad, sin saberlo están presentes en la mayoría de los dispositivos que comúnmente utilizamos, es por eso que se realiza este trabajo con el fin de dar a conocer el funcionamiento y algunas características que tiene un microcontrolador.

Introducción al microcontrolador

“Un microcontrolador es un circuito integrado que contiene toda la estructura de una mini computadora. Su nombre nos indica micro por lo pequeño y controlador por que se utiliza principalmente para contralar otros circuitos o dispositivos eléctricos, mecánicos, etc.” (Castaño, 2002). Como podemos ver, un microcontrolador es similar a una mini computadora pues se compone de una unidad de proceso (procesador), memoria RAM, Memoria ROM, circuitos de entrada-salida, un reloj principal, que se darán a conocer más adelante.

Anteriormente no existían los microprocesadores, las personas diseñaban circuitos electrónicos que requerían de muchos componentes, esto hacia muy extenso el diseño y también con muchas fallas, posteriormente surgieron los microprocesadores que contenían miles de transistores en un solo chip, más adelante aparecieron los microcontroladores los cuales contenían un procesador y otros módulos que le permitirían tener un programa en él, con esto sería una configuración más simple al igual que se ahorraría mucho espacio en los diseños. La invención de estos dispositivos ha permitido que los nuevos diseños sean más cómodos y eficientes, ahora los diseños de equipos pueden realizar mayor cantidad de tareas en menos tiempo y su tamaño se redujo considerablemente.

Tipos de arquitectura de microprocesadores

La arquitectura de un microcontrolador es la forma en como está conectada la unidad central de proceso (procesador) a la memoria, existen dos tipos de arquitectura para los microcontroladores la tradicional Von Neumann y la arquitectura Harvard.

Arquitectura Von Neumann

En este tipo de arquitectura unidad central de proceso está conectada a una memoria única donde se guardan las instrucciones del programa y los datos del mismo, el tamaño de la unidad de datos o instrucciones está dado por el ancho del bus que comunica la memoria con el procesador.

Con esto podemos observar que si se desea realizar una instrucción, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria, además, “el tener un único bus hace que el microprocesador sea más lento en su respuesta, ya que no puede buscar en memoria una nueva instrucción mientras no analicen las transferencias de datos de la instrucción anterior” (Trevennor, 2012). En este tipo de arquitectura se ven interrumpidos la transferencia de datos con las instrucciones, lo que causa que el proceso sea más lento.

Arquitectura Harvard

Este tipo de arquitectura se caracteriza por tener la memoria de programa (ROM) en un bloque de la memoria de datos (RAM). De la misma manera, cada una posee su propio bus para comunicarse con los demás elementos del microcontrolador.

En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos. “El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.” (Sánchez, 2013).

Podemos comprender que este tipo de arquitectura es mejor en comparación con el de Von Neumann ya que cuenta con dos memorias que hacen que la velocidad de las instrucciones y el intercambio de datos sea más rápido.

Estructura y elementos de los microcontroladores

El procesador

Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del resultado.(Gonzales, 2004). En pocas palabras el procesador es el cerebro del microcontrolador quien se encarga de recibir las instrucciones de entrado y salida, almacenarlas y ejecutarlas.

Memoria

Conocer cómo está estructurada la memoria dentro de los microprocesadores es un paso fundamental para desarrollar aplicaciones óptimas y aprovechar al máximo lo que estos circuitos integrados nos pueden ofrecer. (Vargas, 2004).

En los microcontroladores existen dos tipos principalmente de memoria las cuales son la ROM y RAM. La memoria ROM sirve para el almacenamiento de las instrucciones que ponen en funcionamiento al dispositivo, por otro lado en la memoria RAM se almacenan datos que permiten acceder de forma más rápida, para que el dispositivo realice sus funciones ya establecidas en la memoria ROM.

Puertas

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