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Microcontroladores




Enviado por merlynck



    1. Controlador y
      microcontrolador.
    2. Diferencia entre microprocesador
      y microcontrolador.
    3. Aplicaciones de los
      microcontroladores.
    4. El mercado de los
      microcontroladores.
    5. ¿Qué
      microcontrolador emplear?
    6. Recursos comunes a todos los
      microcontroladores.
    7. Recursos
      especiales

    Los microcontroladores están conquistando el
    mundo. Están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa
    y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el
    funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en
    los teléfonos, en los hornos microondas y
    los televisores de nuestro hogar. Pero la invasión acaba
    de comenzar y el nacimiento del siglo XXI será testigo de
    la conquista masiva de estos diminutos computadores, que
    gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabricaremos
    y usamos los humanos.

    1.1 Controlador y
    microcontrolador.

    Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se
    emplea para el gobierno de uno o
    varios procesos. Por
    ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno
    dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura
    interna y, cuando traspasa los límites
    prefijados, genera las señales adecuadas que accionan los
    efectores que intentan llevar el valor de la
    temperatura dentro del rango estipulado.

    Aunque el concepto de
    controlador ha permanecido invariable a través del
    tiempo, su
    implementación física ha variado
    frecuentemente. Hace tres décadas, los controladores se
    construían exclusivamente con componentes de lógica
    discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de
    memoria y E/S
    sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos
    los elementos del controlador se han podido incluir en un chip,
    el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste
    en un sencillo pero completo computador
    contenido en el corazón
    (chip) de un circuito integrado.

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

    Un microcontrolador dispone normalmente de los
    siguientes componentes:

    Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).

    Memoria RAM para Contener
    los datos.

    Memoria para el programa tipo
    ROM/PROM/EPROM.

    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.).

    Generador de impulsos de reloj que sincronizan el
    funcionamiento de todo el sistema.

    Los productos que
    para su regulación incorporan un microcontrolador disponen
    de las siguientes ventajas:

    Aumento de prestaciones:
    un mayor control sobre un determinado elemento representa una
    mejora considerable en el mismo.

    Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el
    microcontrolador por un elevado número de elementos
    disminuye el riesgo de
    averías y se precisan menos ajustes.

    Reducción del tamaño en el producto
    acabado: La integración del microcontrolador en un chip
    disminuye el volumen, la mano
    de obra y los stocks.

    Mayor flexibilidad: las características de control están
    programadas por lo que su modificación sólo
    necesita cambios en el programa de instrucciones.

    El microcontrolador es en definitiva un circuito
    integrado que incluye todos los componentes de un computador.
    Debido a su reducido tamaño es posible montar el
    controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este
    caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado
    (embedded controller).

    1.2 Diferencia entre microprocesador y
    microcontrolador.

    El microprocesador es un circuito integrado que contiene
    la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada
    procesador, de un
    computador. La UCP está formada por la Unidad de Control,
    que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las
    ejecuta.

    Las patitas de un microprocesador sacan al exterior las
    líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para
    permitir conectarle con la Memoria y
    los Módulos de E/S y configurar un computador implementado
    por varios circuitos
    integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema
    abierto porque su configuración es variable de acuerdo con
    la aplicación a la que se destine. (Figura
    1.1.)

    Figura 1.1. Estructura de
    un sistema abierto basado en un microprocesador. La
    disponibilidad de los buses en el exterior permite que se
    configure a la medida de la aplicación.

    Si sólo se dispusiese de un modelo de
    microcontrolador, éste debería tener muy
    potenciados todos sus recursos para
    poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones.
    Esta potenciación supondría en muchos casos un
    despilfarro. En la práctica cada fabricante de
    microcontroladores oferta un
    elevado número de modelos
    diferentes, desde los más sencillos hasta los más
    poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el
    número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los
    elementos auxiliares, la velocidad de
    funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del
    diseño
    es la selección
    del microcontrolador a utilizar.

    Figura 1.2. El microcontrolador es un sistema cerrado.
    Todas las partes del computador están contenidas en su
    interior y sólo salen al exterior las líneas que
    gobiernan los periféricos.

    1.3 Aplicaciones de los
    microcontroladores.

    Cada vez existen más productos que incorporan un
    microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus
    prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su
    fiabilidad y disminuir el consumo.

    Algunos fabricantes de microcontroladores superan el
    millón de unidades de un modelo determinado producidas en
    una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva
    utilización de estos componentes.

    Los microcontroladores están siendo empleados en
    multitud de sistemas
    presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno
    microondas, frigoríficos, televisores, computadoras,
    impresoras,
    módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y
    otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan
    familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una
    nave espacial, etc. Una aplicación típica
    podría emplear varios microcontroladores para controlar
    pequeñas partes del sistema. Estos pequeños
    controladores podrían comunicarse entre ellos y con un
    procesador central, probablemente más potente, para
    compartir la información y coordinar sus acciones,
    como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier
    PC.

    1.4 El mercado de los
    microcontroladores.

    Aunque en el mercado de la microinformática la
    mayor atención la acaparan los desarrollos de los
    microprocesadores, lo cierto es que se venden cientos de
    microcontroladores por cada uno de aquéllos.

    Existe una gran diversidad de microcontroladores.
    Quizá la clasificación más importante sea
    entre microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits. Aunque las
    prestaciones de los microcontroladores de 16 y 32 bits son
    superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que los
    microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits
    se resisten a desaparecer. La razón de esta tendencia es
    que los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la
    gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace absurdo
    emplear micros más potentes y consecuentemente más
    caros. Uno de los sectores que más tira del mercado del
    microcontrolador es el mercado automovilístico. De hecho,
    algunas de las familias de microcontroladores actuales se
    desarrollaron pensando en este sector, siendo modificadas
    posteriormente para adaptarse a sistemas más
    genéricos. El mercado del automóvil es
    además uno de los más exigentes: los componentes
    electrónicos deben operar bajo condiciones extremas de
    vibraciones, choques, ruido, etc. y
    seguir siendo fiables. El fallo de cualquier componente en un
    automóvil puede ser el origen de un accidente.

    En cuanto a las técnicas
    de fabricación, cabe decir que prácticamente la
    totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con
    tecnología
    CMOS 4 (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta
    tecnología supera a las técnicas anteriores por su
    bajo consumo y alta inmunidad al ruido.

    La distribución de las ventas
    según su aplicación es la siguiente:

    Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones
    relacionadas con los computadores y sus
    periféricos.

    La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de
    consumo (electrodomésticos, juegos, TV,
    vídeo, etc.)

    El 16% de las ventas mundiales se destinó al
    área de las comunicaciones.

    Otro 16% fue empleado en aplicaciones
    industriales.

    El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo,
    aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las industrias de
    automoción.

    También los modernos microcontroladores de 32
    bits van afianzando sus posiciones en el mercado, siendo las
    áreas de más interés el
    procesamiento de imágenes,
    las comunicaciones, las aplicaciones militares, los procesos
    industriales y el control de los dispositivos de
    almacenamiento masivo de datos.

    1.5 ¿Qué microcontrolador
    emplear?

    A la hora de escoger el microcontrolador a emplear en un
    diseño concreto hay
    que tener en cuenta multitud de factores, como la documentación y herramientas
    de desarrollo
    disponibles y su precio, la
    cantidad de fabricantes que lo producen y por supuesto las
    características del microcontrolador (tipo de memoria de
    programa, número de temporizadores, interrupciones,
    etc.):

    Costes. Como es lógico, los fabricantes de
    microcontroladores compiten duramente para vender sus productos.
    Y no les va demasiado mal ya que sin hacer demasiado ruido venden
    10 veces más microcontroladores que
    microprocesadores.

    Para que nos hagamos una idea, para el fabricante que
    usa el microcontrolador en su producto una diferencia de precio
    en el microcontrolador de algunas pesetas es importante (el
    consumidor
    deberá pagar además el coste del empaquetado, el de
    los otros componentes, el diseño del hardware y el desarrollo del
    software). Si el
    fabricante desea reducir costes debe tener en cuenta las
    herramientas de apoyo con que va a contar: emuladores,
    simuladores, ensambladores, compiladores,
    etc. Es habitual que muchos de ellos siempre se decanten por
    microcontroladores pertenecientes a una única familia.

    Aplicación. Antes de seleccionar un
    microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la
    aplicación:

    • Procesamiento de
    datos: puede ser necesario que el microcontrolador realice
    cálculos críticos en un tiempo limitado. En ese
    caso debemos asegurarnos de seleccionar un dispositivo
    suficientemente rápido para ello. Por otro lado,
    habrá que tener en cuenta la precisión de los datos
    a manejar: si no es suficiente con un microcontrolador de 8 bits,
    puede ser necesario acudir a microcontroladores de 16 ó 32
    bits, o incluso a hardware de coma flotante. Una alternativa
    más barata y quizá suficiente es usar
    librerías para manejar los datos de alta precisión.

    • Entrada Salida: para determinar las necesidades
    de Entrada/Salida del sistema es conveniente dibujar un diagrama de
    bloques del mismo, de tal forma que sea sencillo identificar la
    cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado
    este análisis puede ser necesario añadir
    periféricos hardware externos o cambiar a otro
    microcontrolador más adecuado a ese sistema.

    • Consumo: algunos productos que incorporan
    microcontroladores están alimentados con baterías y
    su funcionamiento puede ser tan vital como activar una alarma
    antirrobo. Lo más conveniente en un caso como éste
    puede ser que el microcontrolador esté en estado de bajo
    consumo pero que despierte ante la activación de una
    señal (una interrupción) y ejecute el programa
    adecuado para procesarla.

    • Memoria: para detectar las necesidades de memoria
    de nuestra aplicación debemos separarla en memoria
    volátil (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM,
    etc.) y memoria no volátil modificable (EEPROM). Este
    último tipo de memoria puede ser útil para incluir
    información específica de la aplicación como
    un número de serie o parámetros de
    calibración.

    El tipo de memoria a emplear vendrá determinado
    por el volumen de ventas previsto del producto: de menor a mayor
    volumen será conveniente emplear EPROM, OTP y ROM. En
    cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser
    imprescindible realizar una versión preliminar, aunque sea
    en pseudo-código,
    de la aplicación y a partir de ella hacer una
    estimación de cuánta memoria volátil y no
    volátil es necesaria y si es conveniente disponer de
    memoria no volátil modificable.

    • Ancho de palabra: el criterio de diseño
    debe ser seleccionar el microcontrolador de menor ancho de
    palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación.
    Usar un microcontrolador de 4 bits supondrá una
    reducción en los costes importante, mientras que uno de 8
    bits puede ser el más adecuado si el ancho de los datos es
    de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su
    elevado coste, deben reservarse para aplicaciones que requieran
    sus altas prestaciones (Entrada/Salida potente o espacio de
    direccionamiento muy elevado).

    • Diseño de la placa: la selección de
    un microcontrolador concreto condicionará el diseño
    de la placa de circuitos.
    Debe tenerse en cuenta que quizá usar un microcontrolador
    barato encarezca el resto de componentes del
    diseño.

    Los microcontroladores más populares se
    encuentran, sin duda, entre las mejores elecciones:

    8048 (Intel). Es el padre de los microcontroladores
    actuales, el primero de todos. Su precio, disponibilidad y
    herramientas de desarrollo hacen que todavía sea muy
    popular.

    8051 (Intel y otros). Es sin duda el microcontrolador
    más popular. Fácil de programar, pero potente.
    Está bien documentado y posee cientos de variantes e
    incontables herramientas de desarrollo.

    80186, 80188 y 80386 EX (Intel). Versiones en
    microcontrolador de los populares microprocesadores 8086 y 8088.
    Su principal ventaja es que permiten aprovechar las herramientas
    de desarrollo para PC.

    68HC11 (Motorola y Toshiba). Es un microcontrolador de 8
    bits potente y popular con gran cantidad de variantes.

    683xx (Motorola). Surgido a partir de la popular familia
    68k, a la que se incorporan algunos periféricos. Son
    microcontroladores de altísimas prestaciones.

    PIC (MicroChip). Familia de microcontroladores que gana
    popularidad día a día. Fueron los primeros
    microcontroladores RISC.

    Es preciso resaltar en este punto que existen
    innumerables familias de microcontroladores, cada una de las
    cuales posee un gran número de variantes.

     1.6 Recursos comunes a todos los
    microcontroladores.

    Al estar todos los microcontroladores integrados en un
    chip, su estructura fundamental y sus características
    básicas son muy parecidas. Todos deben disponer de los
    bloques esenciales Procesador, memoria de datos y de
    instrucciones, líneas de E/S, oscilador de reloj y
    módulos controladores de periféricos. Sin embargo,
    cada fabricante intenta enfatizar los recursos más
    idóneos para las aplicaciones a las que se destinan
    preferentemente.

    En este apartado se hace un recorrido de todos los
    recursos que se hallan en todos los microcontroladores
    describiendo las diversas alternativas y opciones que pueden
    encontrarse según el modelo seleccionado.

    1.6.1 Arquitectura
    básica

    Aunque inicialmente todos los microcontroladores
    adoptaron la arquitectura clásica de von Neumann, en el
    momento presente se impone la arquitectura Harvard. La
    arquitectura de von Neumann se caracteriza por disponer de una
    sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones
    de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de
    un sistema de buses único (direcciones, datos y
    control).

    La arquitectura Harvard dispone de dos memorias
    independientes una, que contiene sólo instrucciones y
    otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos
    sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de
    acceso (lectura o
    escritura)
    simultáneamente en ambas memorias. Figura 1.3.

    Figura 1.3. La arquitectura Harvard dispone de dos
    memorias independientes para datos y para instrucciones,
    permitiendo accesos simultáneos.

    Los microcontroladores PIC responden a la arquitectura
    Harvard.

    1.6.2 El
    procesador o UCP

    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.

    Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y
    funcionalidad de los procesadores
    actuales.

    CISC: Un gran número de procesadores usados en
    los microcontroladores están basados en la
    filosofía CISC (Computadores de Juego de
    Instrucciones Complejo). Disponen de más de 80
    instrucciones máquina 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 al
    programador instrucciones complejas que actúan como
    macros.

    RISC: Tanto la industria de
    los computadores comerciales como la de los microcontroladores
    están decantándose hacia la filosofía RISC
    (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estos
    procesadores el repertorio de instrucciones máquina es muy
    reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se
    ejecutan en un ciclo.

    La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten
    optimizar el hardware y el software del procesador.

    SISC: 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. Esta filosofía se ha bautizado
    con el nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones
    Específico).

    1.6.3
    Memoria

    En los microcontroladores la memoria de instrucciones y
    datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser
    no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa
    de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de
    memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a
    guardar las variables y
    los datos.

    Hay dos peculiaridades que diferencian a los
    microcontroladores de los computadores personales:

    No existen sistemas de almacenamiento masivo como
    disco duro o
    disquetes.

    Como el microcontrolador sólo se destina a una
    tarea en la memoria ROM,
    sólo hay que almacenar un único programa de
    trabajo.

    La RAM en estos dispositivos es de poca capacidad pues
    sólo debe contener las variables y los cambios de
    información que se produzcan en el transcurso del
    programa. Por otra parte, como sólo existe un programa
    activo, no se requiere guardar una copia del mismo en la RAM pues
    se ejecuta directamente desde la ROM.

    Los usuarios de computadores personales están
    habituados a manejar Megabytes de memoria, pero, los
    diseñadores con microcontroladores trabajan con
    capacidades de ROM comprendidas entre 512 bytes y 8 k bytes y de
    RAM comprendidas entre 20 y 512 bytes.

    Según el tipo de memoria ROM que dispongan los
    microcontroladores, la aplicación y utilización de
    los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de
    memoria no volátil que se pueden encontrar en los
    microcontroladores del mercado.

    1º. ROM con máscara

    Es una memoria no volátil de sólo lectura
    cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip.
    El elevado coste 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.

    2ª. 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 un 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.

    3ª 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.

    4ª EEPROM

    Se trata de memorias de sólo lectura,
    programables y borrables 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.

    5ª 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/borrado.

    Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al
    permitir que los microcontroladores que las incorporan puedan ser
    reprogramados "en circuito", es decir, sin tener que sacar el
    circuito integrado de la tarjeta. Así, un dispositivo con
    este tipo de memoria incorporado al control del motor de un
    automóvil permite que pueda modificarse el programa
    durante la rutina de mantenimiento
    periódico, compensando los desgastes y
    otros factores tales como la compresión, la
    instalación de nuevas piezas, etc. La
    reprogramación del microcontrolador puede convertirse en
    una labor rutinaria dentro de la puesta a punto.

    1.6.4 Puertas de
    Entrada y Salida

    La principal utilidad de las
    patitas que posee la cápsula que contiene un
    microcontrolador es soportar las líneas de E/S que
    comunican al computador interno con los periféricos
    exteriores.

    Según los controladores de periféricos que
    posea cada modelo de microcontrolador, las líneas de E/S
    se destinan a proporcionar el soporte a las señales de
    entrada, salida y control.

    1.6.5 Reloj
    principal

    Todos los microcontroladores disponen de un circuito
    oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que
    configura los impulsos de reloj usados en la
    sincronización de todas las operaciones del
    sistema.

    Generalmente, el circuito de reloj está
    incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan
    unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar
    la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en
    un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un
    resonador cerámico o una red R-C.

    Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el
    tiempo en que se ejecutan las instrucciones pero lleva aparejado
    un incremento del consumo de energía.

    1.7 RECURSOS ESPECIALES

    Cada fabricante oferta numerosas versiones de una
    arquitectura básica de microcontrolador. En algunas
    amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora
    nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al
    mínimo para aplicaciones muy simples, etc. La labor del
    diseñador es encontrar el modelo mínimo que
    satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De
    esta forma, minimizará el coste, el hardware y el
    software.

    Los principales recursos específicos que
    incorporan los microcontroladores son:

    • Temporizadores o "Timers".

    • Perro guardián o "Watchdog".

    • Protección ante fallo de alimentación o
    "Brownout".

    • Estado de reposo o de bajo consumo.

    • Conversor A/D.

    • Conversor D/A.

    • Comparador analógico.

    • Modulador de anchura de impulsos o
    PWM.

    • Puertas de E/S digitales.

    • Puertas de comunicación.

    1.7.1
    Temporizadores o "Timers"

    Se emplean para controlar periodos de tiempo
    (temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que
    suceden en el exterior (contadores).

    Para la medida de tiempos se carga un registro con el
    valor adecuado y a continuación dicho valor se va
    incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o
    algún múltiplo hasta que se desborde y llegue a 0,
    momento en el que se produce un aviso.

    Cuando se desean contar acontecimientos que se
    materializan por cambios de nivel o flancos en alguna de las
    patitas del microcontrolador, el mencionado registro se va
    incrementando o decrementando al ritmo de dichos
    impulsos.

    1.7.2 Perro
    guardián o "Watchdog"

    Cuando el computador personal se
    bloquea por un fallo del software u otra causa, se pulsa el
    botón del reset y se reinicializa el sistema. Pero un
    microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de
    forma continuada las 24 horas del día. El Perro
    guardián consiste en un temporizador que, cuando se
    desborda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en
    el sistema.

    Se debe diseñar el programa de trabajo que
    controla la tarea de forma que refresque o inicialice al Perro
    guardián antes de que provoque el reset. Si falla el
    programa o se bloquea, no se refrescará al Perro
    guardián y, al completar su temporización,
    "ladrará y ladrará" hasta provocar el
    reset. 

    1.7.3
    Protección ante fallo de alimentación o
    "Brownout"

    Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador
    cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un
    voltaje mínimo ("brownout"). Mientras el voltaje de
    alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se
    mantiene reseteado, comenzando a funcionar normalmente cuando
    sobrepasa dicho valor.

    1.7.4 Estado de
    reposo ó de bajo consumo

    Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que
    el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se
    produzca algún acontecimiento externo que le ponga de
    nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor
    clave en los aparatos portátiles), los microcontroladores
    disponen de una instrucción especial (SLEEP en los PIC),
    que les pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual
    los requerimientos de potencia son mínimos. En dicho
    estado se detiene el reloj principal y se "congelan" sus
    circuitos asociados, quedando sumido en un profundo
    "sueño" el microcontrolador. Al activarse una
    interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el
    microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo.

    1.7.5 Conversor
    A/D (CAD)

    Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D
    (Analógico/Digital) pueden procesar señales
    analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen
    disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del
    CAD diversas señales analógicas desde las patitas
    del circuito integrado.

    1.7.6 Conversor
    D/A (CDA)

    Transforma los datos digitales obtenidos del
    procesamiento del computador en su correspondiente señal
    analógica que saca al exterior por una de las patitas de
    la cápsula. Existen muchos efectores que trabajan con
    señales analógicas.

    1.7.7 Comparador
    analógico

    Algunos modelos de microcontroladores disponen
    internamente de un Amplificador Operacional que actúa como
    comparador entre una señal fija de referencia y otra
    variable que se aplica por una de las patitas de la
    cápsula. La salida del comparador proporciona un nivel
    lógico 1 ó 0 según una señal sea
    mayor o menor que la otra.

    También hay modelos de microcontroladores con un
    módulo de tensión de referencia que proporciona
    diversas tensiones de referencia que se pueden aplicar en los
    comparadores.

    1.7.8 Modulador
    de anchura de impulsos o PWM

    Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de
    anchura variable, que se ofrecen al exterior a través de
    las patitas del encapsulado.

    1.7.9 Puertos de
    E/S digitales

    Todos los microcontroladores destinan algunas de sus
    patitas a soportar líneas de E/S digitales. Por lo
    general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando
    Puertos.

    Las líneas digitales de los Puertos pueden
    configurarse como Entrada o como Salida cargando un 1 ó un
    0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su
    configuración.

    1.7.10 Puertos de
    comunicación

    Con objeto de dotar al microcontrolador de la
    posibilidad de comunicarse con otros dispositivos externos, otros
    buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poder
    adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos.
    Algunos modelos disponen de recursos que permiten directamente
    esta tarea, entre los que destacan:

    UART, adaptador de comunicación serie
    asíncrona.

    USART, adaptador de comunicación serie
    síncrona y asíncrona

    Puerta paralela esclava para poder conectarse con los
    buses de otros microprocesadores.

    USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus
    serie para los PC.

    Bus I2C, que es un interfaz serie de dos
    hilos desarrollado por Philips.

    CAN (Controller Area Network), para permitir la
    adaptación con redes de conexionado multiplexado
    desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de
    dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el
    J185O.

    1.8 Herramientas
    para el desarrollo de aplicaciones.

    Uno de los factores que más importancia tiene a
    la hora de seleccionar un microcontrolador entre todos los
    demás es el soporte tanto software como hardware de que
    dispone. Un buen conjunto de herramientas de desarrollo puede ser
    decisivo en la elección, ya que pueden suponer una ayuda
    inestimable en el desarrollo del proyecto.

    Las principales herramientas de ayuda al desarrollo de
    sistemas basados en microcontroladores son:

    Desarrollo del software:

    Ensamblador. La programación en lenguaje
    ensamblador puede resultar un tanto ardua para el
    principiante, pero permite desarrollar programas muy
    eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto
    del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa
    ensamblador de
    forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una
    versión gratuita para los microcontroladores más
    populares.

    Compilador. La programación en un lenguaje de
    alto nivel (como el C ó el Basic) permite disminuir el
    tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se
    programa con cuidado, el código resultante puede ser mucho
    más ineficiente que el programado en ensamblador. Las
    versiones más potentes suelen ser muy caras, aunque para
    los microcontroladores más populares pueden encontrarse
    versiones demo limitadas e incluso compiladores
    gratuitos.

    Depuración: debido a que los microcontroladores
    van a controlar dispositivos físicos, los desarrolladores
    necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen
    funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto
    de circuitos.

    Simulador. Son capaces de ejecutar en un PC programas
    realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten
    tener un control absoluto sobre la ejecución de un
    programa, siendo ideales para la depuración de los mismos.
    Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada
    y salida de datos del microcontrolador. Tampoco cuentan con los
    posibles ruidos en las entradas, pero, al menos, permiten el paso
    físico de la implementación de un modo más
    seguro y menos
    costoso, puesto que ahorraremos en grabaciones de chips para la
    prueba in-situ.

    Placas de evaluación. Se trata de pequeños
    sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen
    conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se
    ejecutan en el microcontrolador. Las placas suelen incluir
    visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a los
    pines de E/S, etc. El sistema operativo
    de la placa recibe el nombre de programa monitor. El
    programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte
    de permitir cargar programas y datos en la memoria del
    microcontrolador, puede permitir en cualquier momento realizar
    ejecución paso a paso, monitorizar el estado del
    microcontrolador o modificar los valores
    almacenados los registros o en la
    memoria.

    Emuladores en circuito. Se trata de un instrumento que
    se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la
    tarjeta de circuito impreso donde se alojará el
    microcontrolador definitivo. El programa es ejecutado desde el
    PC, pero para la tarjeta de aplicación es como si lo
    hiciese el mismo microcontrolador que luego irá en el
    zócalo. Presenta en pantalla toda la información
    tal y como luego sucederá cuando se coloque la
    cápsula.

     

     

    David

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