Microcontroladores

1.- Introducción a los Microcontroladores.

1.1.- Introducción.

El microcontrolador nace cuando las técnicas de integración han progresado lo bastante para permitir su fabricación; pero también porque, muy a menudo, tanto en las aplicaciones domésticas como industriales, se tiene la necesidad de sistemas “inteligentes” o, al menos programables. Un ejemplo muy simple es el programador de una lavadora, el cual debe controlar una cierta cantidad de elementos con ciclos y cadencias perfectamente definidas, pero variables en función del programa seleccionado. Otras aplicaciones más técnicas tienen, igualmente, necesidad de sistemas programables. Por ejemplo, una fotocopiadora debe controlar permanentemente un gran número de elementos y de funciones. Gracias a la llegada de los microcontroladores, tarjetas que contenían varias decenas de circuitos lógicos clásicos se han visto reducidas a dos o tres microcontroladores.

Antes de ver qué es un microcontrolador y de analizar sus puntos fuertes y sus defectos, será útil hacer un repaso relativo a la estructura de cualquier sistema programable, que pueda hacer uso de un microcontrolador.

Figura 1.

La figura 1 presenta el esquema tipo de cualquier sistema programable. Veamos que elementos son indispensables para su funcionamiento:

 La unidad central

 La memoria ROM

 La memoria RAM

 Los circuitos de interfaz

 Un bus de interconexión

La presencia de estos elementos básicos es indispensable y aun cuando no siempre se presenten tan claramente como en nuestro esquema siempre existen. Obsérvese, que son los mismos que los de un sistema informático clásico, pero dentro del marco de una aplicación que pueda ser tratada por un microcontrolador.

La unidad central, generalmente constituida por un microprocesador más o menos evolucionado, ejecuta el programa que da vida a la aplicación. Los programas pueden ser muy diversos, puesto que, como es evidente, el que asegura la gestión de un termostato inteligente no tiene nada que ver con el que controla el correcto funcionamiento de una fotocopiadora. Sin embargo, estos programas tienen en común el hecho de que muy raramente necesitan cálculos complejos y, en cambio, sí suelen incluir numerosas manipulaciones de la información de entrada/salida.

El programa se almacena en un segundo elemento, que es la memoria ROM. Esta memoria puede constituirse de diferentes formas: UVPROM, EEPROM u OTPROM, cualquiera que sea la que se utilice es una memoria no volátil desde la que se ejecutará el programa una vez alimentado el sistema. Para poder trabajar correctamente, nuestro microprocesador necesita, a menudo, almacenar datos temporales en alguna parte, y aquí es donde interviene la memoria RAM, que no necesita ser de grandes dimensiones.

El último elemento y que, generalmente, es el más importante en una aplicación susceptible de utilizar un microcontrolador es todo lo concerniente a los circuitos de interfaz con el mundo exterior, que relacionará al microprocesador con elementos tan dispares como un motor paso a paso, un display de cristal líquido o una botonera hexadecimal.

Después de este pequeño análisis nos podemos preguntar por qué se habla de microcontrolador y, no de un conjunto de elementos que realizan esta función. La respuesta es que el objetivo de los microcontroladores es integrar, tanto como sea posible, en un único encapsulado el conjunto de funciones de la figura 1.

1.2.- Contenido típico de un microcontrolador.

De lo descrito anteriormente, es evidente que un microcontrolador debe contener todos los elementos de la figura 1 en un único encapsulado; aunque no con un diseño tan simple. A la vista de los análisis de los sistemas realizados antes de la aparición de los microcontroladores, los fabricantes de circuitos integrados han perfilado la definición de lo que se debería integrar, para llegar al esquema de la figura 2.

Figura 2

Evidentemente, encontramos en él nuestra unidad central pero, salvo casos particulares, frecuentemente se ha simplificado con respecto a los microprocesadores clásicos. En contrapartida se le han añadido instrucciones de manejo de bits, muy útiles para las entradas/salidas. En ciertos circuitos, esta unidad central está dotada de un gran número de registros internos, que sirven de memoria RAM, por lo que puede parecer que ésta última está ausente de algunos esquemas.

A continuación podemos ver la memoria ROM, aunque ésta no siempre aparece. En determinados encapsulados y hasta hace unos años, esta memoria no podía programarse más que mediante máscara durante la fabricación del circuito. Esto imponía al potencial usuario del microcontrolador comprar un número significativo de piezas idénticas, lo cual era aceptable para una serie grande, pero no para fabricaciones limitadas. Cierto número de microcontroladores estaban, y todavía están, disponibles sin ROM (versiones ROMless en los catálogos).

Posteriormente, los fabricantes han introducido en el chip una memoria programable eléctricamente y borrable mediante rayos ultravioleta (UVPROM) o, más recientemente, borrable eléctricamente (EEPROM). Como los encapsulados que contenían la memoria UVPROM eran relativamente caros (por la ventana de cuarzo), han aparecido otro tipo denominado OTPROM (One Time PROM), la memoria UVPROM existe siempre y se programa como cualquier circuito, pero debido a la ausencia de ventana, no se puede borrar. Es una solución interesante para la producción de series pequeñas y están disponibles en plásticos baratos.

Un último producto para almacenar de forma no volátil son las memorias FLASH, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. El borrado solo es posible con bloques completos y no se puede realizar sobre posiciones concretas. Son muy recomendables en aplicaciones en las que sea necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto, como consecuencia del desgaste o cambios de piezas, como sucede con los vehículos.

En lo referente a la memoria RAM, suele utilizarse una del tipo SRAM (RAM estática) de pequeño tamaño, por qué generalmente la unidad central posee suficientes registros para realizar operaciones intermedias. En algunos casos, esta memoria se completa con una EEPROM de datos, que memoriza de forma semipermanente datos del usuario que se manejan como constante en la ejecución del programa y que de vez en cuando (pasados meses o años) deben ser modificados.

Algo

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