Microcontrolador

Microcontrolador

Un microcontrolador es un sistema mínimo dentro de un solo chip, fueron diseñados principalmente, como su nombre lo indica, para controlar. Hoy en día, existe una gran gama de microcontroladores.

Una forma de clasificarlos es en los que son reprogramables y los que simplemente se pueden programar una sola vez.  En el caso de los que son reprogramables, su matrícula está indicada por la siguiente nomenclatura: 16FXXX. En cambio, los que solamente se programan una vez su tipo de matrícula es 16CXXX. Los reprogramables suelen tener un precio mayor que los programables, sin embargo, hay que recordar que solo los podemos programar una vez y si se comete un error es imposible repararlo, lo único que se puede hacer es reemplazar el microcontrolador, y tal vez después de varios intentos resulte ser más costoso.

Existen 3 diferentes versiones de microcontroladores, las cuales son:

1. Versión chaparra: 8 pines.
2. Versión media: 28/40/44 pines.
3. Versión alta: 28/40/64 pines.

Es necesario conocer las especificaciones de cada uno de ellos ya que de esta forma podemos seleccionar el microcontrolador que más nos convenga usar según el sistema que vayamos a realizar.

[pic 1]

Arquitectura

Este tipo de dispositivos los podemos encontrar con dos diferentes arquitecturas:

1. Arquitectura Von Neumann
2. Arquitectura Harvard

Haciendo referencia a la primera arquitectura mencionada, esta está conformada por una unidad de control la cual contiene registros de instrucciones y además un contador, una unidad de procesamiento que incluye registros de procesador y una unidad aritmético-lógica (ALU), una memoria para datos e instrucciones, un almacenamiento masivo y externo y finalmente unidades de entrada y salida. Esta arquitectura es la siguiente:

[pic 2]

En la segunda arquitectura, una diferencia muy notable es que en esta se cuenta con una memoria de datos y otra para las instrucciones, pero también incluye una unidad aritmético-lógica, una unidad de control y unidades de entrada y salida. En esta arquitectura, el almacenamiento está conjunto, no externo.

[pic 3]

Ciclo de trabajo

La frecuencia mínima que requiere para funcionar es de 20MHz.

La velocidad máxima requerida por ciclo de instrucción es de 200 ns (es decir, esta es la velocidad a la realizar una instrucción).

Es necesario que el voltaje de programación sea de 5V.

El rango de voltaje que usa es de 2V a 5V.

RISC y CISC

Existen dos clasificaciones de instrucciones:

• RISC
• CISC

RISC (Reduced Instruction Set Computer, Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducido), este tipo de instrucciones son simples y concretas. Su característica más importante es que sus instrucciones tienen un tamaño fijo, además normalmente tienen un número pequeño de instrucciones y un número muy grande de registros con un propósito general. Es importante destacar que no todas las instrucciones acceden a la memoria de datos, sólo acceden las instrucciones de carga y las de almacenamiento.

CISC (Complex Instruction Set Computing, Computadora de Conjunto de Instrucciones Complejo), A diferencia de las instrucciones tipo RISC, este conjunto de instrucciones resulta ser más amplio y un poco más complejo. Esta tecnología lo que hace es que nos permite realizar operaciones complejas entre operandos que se encuentran al interior de la memoria o los registros internos. Por la complejidad de estas instrucciones, su uso es difícil de manejar al mismo tiempo por lo que es necesario sustituir las instrucciones complejas de este tipo de instrucciones por instrucciones más simples tipo RISC.

Es más común que se utilicen las instrucciones tipo CISC traducidas al tipo RISC para realizar una mezcla de ambas y así aprovechar y obtener beneficios de ambas.

Sistema Mínimo

Los microcontroladores PIC utilizan las instrucciones de tipo RISC, en nuestro caso (para el uso que le damos) es un dispositivo que puede ser programado en varias ocasiones y que cuenta con la capacidad de ejecutar microinstrucciones previamente almacenadas en su memoria, esta memoria es llamada “Memoria de programa” (Flash – 8k x 14 word), es de suma importancia ya que en ella se almacenan los datos permanentemente, también es usada para almacenar variables con un valor específico.

La siguiente parte de nuestro sistema mínimo es la “Memoria de datos” (SRAM – 368 x 8 bytes, EEPROM – 256 x 8 bytes), en ella se almacenan las constantes que entran desde el bus de datos.

Tanto la memoria de programa como la memoria de datos son controladas por un circuito combinacional y este a su vez por un microprocesador, el cual también se encarga de controlar en qué momento debe escribir o leer la memoria de datos.

Debe existir cierta conexión entre ambas memorias para que la de programa manipule la información que contiene la de datos y así se consiga cambiarlo de dirección o que el dato de una dirección cambie.

Existen dos buses que conectan las memorias con el microprocesador, estos son:

• Bus de direcciones: Se encarga de buscar una localidad en la memoria y obtener o introducir información.
• Bus de datos: Lleva a cabo la comunicación entre el microprocesador y la memoria de datos, dando como resultado una transferencia de una constante.

Existe otro bus además de los ya mencionados, este es el bus de control que es la conexión entre el microprocesador y el circuito combinacional, lo que hace este bus es que dirige todas las señales de control.

Específicamente el microcontrolador PIC16F877A es óptimo para ejecutar 35 instrucciones lo cual nos representa la programación de 35 actividades por hacer.

Información almacenada

• Máscara ROM, aquí lo que pasa es que el programa no se graba en la memoria, sino que dentro del microcontrolador fabricado ya viene incluido el programa. El costo inicial de la producción de este circuito es bastante alto porque el proceso de producción y diseño de la máscara es muy costoso, sin embargo, si lo que queremos es producir millares de microcontroladores para una aplicación en específico, el costo se distribuye entre todos los circuitos producidos en la serie y finalmente el costo se reducirá de forma exponencial.
• Memoria PROM, (Programmable Read-Only Memory) o ROM u OTP (One Time Programmable), los microcontroladores que incluyen este tipo de memoria se pueden programar una sola vez, con un programador determinado. Su aplicación se basa en sistemas donde el programa no requiera actualizaciones en ningún momento y en sistemas que requieren los datos de forma seriada, almacenados como constantes en la memoria de programa.
• Memoria EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), si un microcontrolador incluye esta memoria lo podemos identificar muy fácilmente ya que su encapsulado es de cerámica y en la parte superior contienen una pequeña ventana de vidrio donde se ve la oblea de silicio que incluye. Hay que recordar que esta memoria es reprogramable y para borrar la información se expone directamente a luz ultravioleta (LUV). El proceso para grabar en estas memorias es muy similar al que se usa para las memorias OTP.

Actualmente conocemos tecnologías menos costosas con la misma o mayor eficacia, como lo son las EEPROM y las FLASH por lo que las otras memorias ya no se usan tanto.

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