Microcontroladores
Es un circuito integrado programable,
capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios
bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un
microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades
funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida.
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Organización de los
Microcontroladores
La
repercusión más importante del empleo de la arquitectura Harvard en los
microcontroladores PIC se manifiesta en la organización de la memoria del
sistema. La memoria de programa es independiente de la de los datos, teniendo
tamaños y longitudes de palabra diferentes.
En
los PIC16C5X el formato de todas las instrucciones es de 12 bits y, en consecuencia,
la longitud de las palabras de la memoria de programa también. Este tamaño
permite codificar en una palabra el código OP de la instrucción junto al
operando o su dirección. Para adaptarse a las necesidades de las aplicaciones
del usuario hay modelos de la gama baja con 512 posiciones para la memoria de
instrucciones y otros que tienen 1 k y 2 k posiciones de 12 bits.
Puesto
que los datos y operandos que manejan las instrucciones son de 8 bits, la
longitud de las palabras de la memoria de datos tiene ese tamaño. La capacidad
de la SRAM varía entre 25 y 73 posiciones, según el modelo. En la Tabla 4-1 se
ofrecen las capacidades y longitudes de las memorias correspondientes a los
microcontroladores PIC de la gama baja.
Microcontroladores
de 8 y 16 bits
Los
microcontroladores de 8 bits dominan el mercado. La razón de esta tendencia es
que los microcontroladores 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
Un
micro de 8 bits puede hacer operaciones lógicas y aritméticas con operandos
(datos) de hasta 8 bits con solo una instrucción, algo análogo sucederá con los
otros
Por
ejemplo: El Motorola MC6800.
En
cambio un micro de 16 bits maneja palabras del doble de capacidad, esto te
permite manejar valores numéricos mas grandes en una sola operación (de 0 a
65535 o FFFFh) haciéndolo un poco mas rápido en ese tipo de operaciones, y uno
de 32 bits maneja valores hasta de 4,294,967,295 (0 a FFFFFFFFh) en una sola
operación
Para
elegir el micro adecuado debes saber que tipo de operaciones vas a realizar...
algunas veces es preferible usar micros de 8 bits para aplicaciones de 32 bits
por que sabes que la aplicación no lo requiere, pero a veces es mejor un micro
de 16 o 32 bits por que además de las mejores capacidades de calculo también
contienen periféricos mas avanzados
Por ejemplo el Motorola 68000.
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Familias
de Microcontroladores Intel
La
familia de microcontroladores Intel de 8-bit MCS® 51 es una de las principales
opciones para control integrado. Esta familia clásica consiste de versiones
CHMOS de todos los microcontroladores originales de 8-bit que introdujo la
familia de microcontroladores MCS 51. Intel ofrece una amplia variedad de
memoria on-board en EPROM, ROM y OTP, así como microcontroladores
CPU-only. La tecnología CHMOS de Intel
suministra bajo consumo de potencia,
alta integración y alto desempeño.
Características | Beneficios |
CPU de 8-bit optimizada para control de
eventos | Eficiencia.
en
el diseño de control de eventos |
Procesamiento booleano | Facilidad.
simple
manipulación de bit |
Memoria on-chip (32K) |
Soluciones.
Hace
posible diseños en una sola pastilla |
Periféricos on-chip (timer/contador, puerto
serial, PCA, etc.) | Alta
integración.
Hace
posible diseños de bajo costo con puertos de I/O |
MICROCONTROLADORES
MCS 251
Apreciación
global de los 8xC251SA/SB/SP/SQ
Los
8xC251SA/SB/SP/SQ mejoran la arquitectura y características de periféricos de
los MCS-51, introducen la avanzada register base CPU architecture., la
arquitectura de los microcontroladores MCS 251. El register based CPU soporta
archivos de registros de 40-byte. además, los microcontroladores
8xC251SA/SB/SP/SQ tienen 256-Kbyte de
expansión de memoria externa para codigo/datos y 64-Kbyte de espacio en la
pila. El nuevo controlador esta especialmente diseñado para ejecutar código C
eficientemente. También importante, los 8xC251SA/SB/SP/SQ mantienen la
compatibilidad de código binario con los microcontroladores MCS 51 pero al
mismo tiempo permiten el uso del poderoso set de instrucciones del
microcontrolador MCS 251, con muchas instrucciones nuevas disponibles para 8,
16 y 32 bit. Los 8xC251SA/SB/SP/SQ tienen opciones de 512 bytes o 1 Kbyte de
RAM de datos y están disponibles en opciones de 16 Kbytes y 8 Kbytes de
ROM/OTPROM o ROMless.
FAMILIA
DE MICROCONTROLADORES MCS(R) 51
EL
8051 es el miembro original de la familia MCS(R) 51, y es el núcleo e todos los
dispositivos MCS 51. Las características del núcleo 8051 son:
CPU de 8-bit CPU optimizada para
aplicaciones de control
Capacidades de procesamiento booleano
extensivas (lógica Single-bit)
64K de espacio para direccionamiento de
memoria de programa
64K de espacio para direccionamiento de
memoria de datos
4K bytes de memoria de programa
128 bytes de RAM de datos
32 líneas de I/O bidirreccionales y
direccionables individualmente
2 timer/counters de 16-bit
Full
duplex UART
6-fuentes/5-vectores
de interrupción con dos niveles de prioridad
Reloj oscilador
MICROCONTROLADORES
MCS 96
La
familia de microcontroladores Intel® MCS 96 son microcontroladores populares
para 16-bit. Los productos 8XC196 son buscados en una variedad de aplicaciones
integradas. La arquitectura de alto desempeño registro a registro es demandada
para complejas aplicaciones de control en tiempo real tales como drives de disco duro, módems, impresoras,
reconocimiento de patrones y control de motores. El extenso portafolio de
microcontroladores 8XC196 ha sido diseñado para reunir los variables
requerimientos en periféricos, tamaño de memoria, direccionabilidad y
desempeño.
La
familia 8XC196 comparte una arquitectura de núcleo común que es register based.
La arquitectura de registro de los microcontroladores MCS 96 elimina el
acumulador de embotellamiento y permite switcheo rápido. Todos los dispositivos
tienen operaciones de bit, byte, palabra y algunas de 32-bit. La tabla de abajo
resume la captura y generación de señales de alta velocidad de los HSIO y EPA.
Familias
de Microcontroladores Motorola
Los
más comunes de 8 bits son:
El
68HC705 .- El microcontrolador 68705 actualmente sigue siendo comercializado,
pero fue declarado obsoleto en el año 2003 y reemplazado por microcontroladores
más modernos, con mayor cantidad de prestaciones y sobre todo mayor capacidad
de memoria para almacenar programas.
El
68HC08 .-es una familia de microcontroladores de Freescale (antes Motorola) de
8 bits y arquitectura de von Neumann, con un solo bloque de memoria. Es
conocida también simplemente por HC08.
Los
HC08 son microcontroladores de propósito general, cada miembro de esta familia
cuenta con diferentes periféricos internos, pero con una CPU común que permite
migrar aplicaciones entre ellos, facilitando con ello el diseño.
La
familia Motorola 68HC11 (abreviado HC11 o 6811) es una familia de
microcontroladores de Motorola, derivada del microprocesador Motorola 6800. Los
microcontroladores 68HC11 son más potentes y costosos que los de la familia
68HC05 y se utilizan en múltiples dispositivos empotrados.
El
mas ocupado de 32 bits es:
El
Freescale ColdFire es un microprocesador de arquitectura de 68k fabricado para
desarrollo de sistemas integrados por Freescale (anteriormente el sector
dedicado a semiconductores de Motorola).
Características y usos de elementos
del microcontrolador
Son diseñados para disminuir el coste económico y el
consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la CPU, la
cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. El
control de un electrodoméstico sencillo como una batidora, utilizará un
procesador muy pequeño (4 u 8 bit) por que sustituirá a un autómata finito. En
cambio un reproductor de música y/o vídeo digital (mp3 o mp4) requerirá de un
procesador de 32 bit o de 64 bit y de uno o mas Códec de señal digital (audio y/o vídeo). El control de un
sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se basa normalmente en
un microcontrolador de 16 bit, al igual que el sistema de control electrónico
del motor en un automóvil.
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. Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y
funcionalidad de los procesadores actuales.
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
guarda r 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.
Puertas
de Entrada y Salida
Las
puertas de Entrada y Salida (E/S) permiten comunicar al procesador con el mundo
exterior, a través de interfaces, o con otros dispositivos. Estas puertas,
también llamadas puertos, son la principal utilidad de las patas o pines de un
microprocesador. 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.
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. Esta señal del reloj es el
motor del sistema y la que hace que el programa y los contadores avancen.
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 y de
calor generado.
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. Vaya, nos hemos metido en términos de
microcontroladores demasiado pronto. Bueno, con el fin de aclarar que es un
registro, anticipamos que es un valor numérico en una posición fija de memoria.
Un ejemplo: esto es igual que el segundero de nuestro reloj digital, este va aumentando
hasta que llega a 60 segundos, pero en la pantalla pone 00, esto quiere decir
que se desborda. Pero cuando cambia da un aviso y se incrementan los minutos.
En este ejemplo, el registro es el segundero; estos son fijos ya que sabemos
que son los de la derecha del todo y no se van a cambiar.
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 patillas del circuito integrado.
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 patillas
del chip. Existen muchos circuitos que trabajan con señales analógicas.
Aplicaciones de los microcontroladores
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.
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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, ordenadores,
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.
Los microcontroladores se encuentran por
todas partes:
* Sistemas de comunicación: en grandes
automatismos como centrales y en teléfonos fijos, móviles, fax, etc.
* Electrodomésticos: lavadoras, hornos,
frigoríficos, lavavajillas, batidoras, televisores, vídeos, reproductores DVD,
equipos de música, mandos a distancia, consolas, etc.
* Industria informática: Se encuentran en
casi todos los periféricos; ratones, teclados, impresoras, escáner, etc.
* Automoción: climatización, seguridad, ABS,
etc.
* Industria: Autómatas, control de procesos,
etc.
* Sistemas de supervisión, vigilancia y
alarma: ascensores, calefacción, aire acondicionado, alarmas de incendio, robo,
etc.
* Otros: Instrumentación, electromedicina,
tarjetas (smartcard), sistemas de navegación, etc.
La distribución de las ventas según su
aplicación es la siguiente:
* Una tercera parte se absorbe en las
aplicaciones relacionadas con los ordenadores 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.
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