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Unidad 1 de la Introducción a microcontroladores

1. MICROCONTROLADORES UNIDAD 1: Introducción a los microcontroladores

2. Objetivo Comprender los fundamentos de los microcontroladores.

3. Contenido Definición. Características. Diferencias.

4. Definición Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S , Es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado.

5. Características 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).

6. Características 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 más Códec de señal digital (audio y/o vídeo). Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples“.

7. Características Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, entre otros. Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo.

8. Características La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no te permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada/salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información.

9. Características Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito.

10. Diferencias La configuración mínima básica de un Microprocesador está constituida por un Micro de 40 Pines, Una memoria RAM de 28 Pines, una memoria ROM de 28 Pines y un decodificador de direcciones de 18 Pines. Microcontrolador incluye todos estos elementos del Microprocesador en un solo Circuito Integrado por lo que implica una gran ventaja en varios factores: En el circuito impreso por su amplia simplificación de circuitería.

11. Diferencias El costo para un sistema basado en Microcontrolador es mucho menor, mientras que para del Microprocesador, es muy alto en la actualidad. Los Microprocesadores tradicionales se basan en la arquitectura de Von Newmann , mientras que los microcontroladores trabajan con arquitectura de harvard . El tiempo de desarrollo de un proyecto electrónico es menor para los Microcontroladores En los microcontroladores PIC, la salida de la ALU va al registro W y también a la memoria de datos, por lo tanto, el resultado puede guardarse en cualquiera de los dos destinos.

12. Diferencias En los microcontroladores tradicionales todas las operaciones se realizan sobre el acumulador. La salida del acumulador está conectada a una de las entradas de la Unidad Aritmética y Lógica (ALU), y por lo tanto este es siempre uno de los dos operandos de cualquier instrucción, las instrucciones de simple operando (borrar, incrementar, decrementar, complementar), actúan sobre el acumulador.

13. Diferencias La gran ventaja de esta arquitectura (Microcontroladores) es que permite un gran ahorro de instrucciones ya que el resultado de cualquier instrucción que opere con la memoria ya sea de simple o doble operando, puede dejarse en la misma posición de memoria o en el registro W, según se seleccione con un bit de la misma instrucción . Las operaciones con constantes provenientes de la memoria de programa (literales) se realizan solo sobre el registro W.

14. Esquema Esquema de diseño de Un Microprocesador Esquema de diseño de Un Microcontrolador Se puede observar en las gráficas que la principal diferencia entre ambos radica en la ubicación del registro de trabajo, que para los PIC’s se denomina W ( Working Register ), y para los tradicionales es el Acumulador (A).

15. Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador

16. Tarea 1 Investigar y responder las siguientes preguntas: ¿Qué es la arquitectura Harvard? ¿Qué es la arquitectura Von Neumann? ¿Qué es la arquitectura RISC y CISC? ¿Cuál es la diferencia entre estas dos? Entregar con portada, citas y referencias bibliográficas en formato PDF.

17. ¿Qué es un Microcontrolador? Es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de un computador, aunque de limitadas prestaciones y se destina a gobernar una sola tarea.

18. ¿Dónde se emplean? Televisores, lavadoras, aparatos musicales, equipos de vigilancia, telefonía, área automotriz, mecatrónica.

19. Diferencia entre microprocesador y microcontrolador Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse una computadora con características que se desee. uP Memoria Controladores Bus de datos Bus de dirección Perifericos

20. Diferencia entre microprocesador y microcontrolador Un microcontrolador es un sistema cerrado que contiene un computador completo y de prestaciones que no se puede modificar.

21. Ejemplo Un microondas que se gobierna con un microcontrolador de 382 instrucciones, cada una de las cuales ocupa una palabra de la memoria del código. Para soportar el teclado y la pantalla LCD se necesita 12 líneas de E/S. ¿Cuál elegiríamos?

22. Arquitectura del microcontrolador Las partes principales de un microcontrolador son: Procesador. Memoria no volátil para contener el programa. Memoria de escritura y lectura para guardar los datos. Líneas de E/S para controlar los periféricos (puertos).

23. Arquitectura del microcontrolador Puertos : Son los pines que se comunica con algún componente externo. Pueden manejar información en paralelo.

24. Arquitectura del microcontrolador Memoria del programa : El microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Sin la posibilidad de extender la memoria. ¿Cuántas memorias existen? Memoria ROM ( Read Only Memory ). Memoria PROM (Programmable Read Only Memory). Memoria EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory). Memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). Memoria FLASH. Memoria RAM ( Random Access Memory ).

25. Arquitectura del microcontrolador Memoria ROM ( Read Only Memory ). Memoria de sólo lectura este tipo de memoria el programa se graba en el chip durante el proceso de fabricación (memoria no volátil).

26. Arquitectura del microcontrolador Memoria PROM (Programmable Read Only Memory). Memoria programable de sólo lectura Dichas memorias consisten en chips que comprimen miles de fusibles (o diodos) capaces de "quemarse" mediante un dispositivo denominado "programador ROM", aplicando un alto voltaje (12V) a las cajas de memoria a marcar. Los fusibles quemados corresponden a 0 y los demás a 1.

27. Arquitectura del microcontrolador Memoria EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory). Memoria programable y borrable de sólo lectura.

28. Arquitectura del microcontrolador Memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). Memoria programable de sólo lectura borrable eléctricamente.

29. Arquitectura del microcontrolador Memoria FLASH. Es similar a la memoria EEPROM pero tiene la capacidad de usar un transistor en vez de dos (EEPROM) para almacenar datos haciendo esto una memoria de mayor capacidad.

30. Arquitectura del microcontrolador Memoria RAM ( Random Access Memory ). Memoria de acceso aleatorio. Este tipo de memoria es volátil, pero es más rápido al acceso a la información.

31. Tarea 2: INVESTIGACIÓN 2 Explique la importancia de los sistemas electrónicos. 2. ¿Qué es un microcontrolador? 3. Exprese las diferencias principales entre un microcontrolador y un microprocesador. 4. Explique a qué tipo de aplicaciones se enfocan los microcontroladores y dé ejemplos de ellas.

32. Arquitectura del microcontrolador Las partes principales de un microcontrolador son: Recursos Auxiliares. Circuito de reloj , encargado de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. Este reloj se lo puede activar al momento de programar y no será necesario utilizar un reloj externo, permitiendo utilizar estas líneas como E/S. Temporizadores orientados a controlar tiempos. Watchdog o Perro Guardián , destinado a provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado.

33. Arquitectura del microcontrolador Conversores AD y DA , para poder recibir y enviar señales analógicas. Comparadores Analógicos , para verificar el valor de una señal analógica. Sistema de protección ante fallas de la alimentación. Estado de Reposo , en el que sistema queda congelado y el consumo de energía se reduce al mínimo.

34. PERIFERICOS (I) Puertos (E/S) Paralelo (controlar pines) Serie (comunicación otro micro) Conversores A/D Timers PWM Etc... Los utilizamos escribiendo y leyendo sus registros (determinadas posiciones de memoria asociados a estos)

35. CONVERSOR A/D Mide la tensión continua a una entrada y la convierte en un valor digital proporcional a este. Típicamente entre 0-5V. 001101010110010101010101011010101011010101011010 A/D

36. TIMERS Son contadores Se fija el valor (periodo) Se puede leer y a veces escribir. Permite medir tiempos, generar señales periódicas, etc...

37. GENERADOR DE PWM (Pulse Wave Modulation ) Señal de una onda de tren de pulsos, periódica de una determinada frecuencia en la que modificamos el ciclo de trabajo. Permite controlar motores en velocidad.

38. ¿Qué es una interrupción? Es un evento que interrumpe el programa que se está ejecutando para ejecutar otro trozo de programa que en ese momento tiene más prioridad. Una vez ejecutado este trozo se continua con el programa pendiente. Externas: Cambio de estado de un pin Percepción puerto serie Internas: Desbordamiento de timer Fin de conversión A/D Interrupción software

39. Arquitectura del microcontrolador Arquitectura Harvard En la arquitectura Harvard, la memoria se divide en dos partes separadas físicamente: una para almacenar datos y otra para almacenar instrucciones. Esto significa que la CPU puede acceder simultáneamente a los datos y a las instrucciones, lo que puede aumentar la velocidad de procesamiento en ciertos casos. Esta arquitectura se usa comúnmente en microcontroladores y sistemas embebidos donde la velocidad es crucial.

40. Arquitectura del microcontrolador Arquitectura Von Neumann Es la más común en las computadoras modernas. En esta arquitectura, la memoria se utiliza tanto para almacenar datos como para almacenar instrucciones. La CPU accede secuencialmente a la memoria para obtener tanto las instrucciones como los datos. Fue propuesta por el matemático y físico John Von Neumann en 1945 y es utilizada en la mayoría de las computadoras personales y servidores.

41. Arquitectura del microcontrolador Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computing) y CISC (Complex Instruction Set Computing) RISC y CISC son dos enfoques diferentes para el diseño de la unidad de procesamiento de una computadora. En la arquitectura RISC, se utilizan instrucciones simples que se ejecutan en un solo ciclo de reloj. Esto tiende a hacer que los procesadores RISC sean más rápidos y eficientes en términos de energía.

42. Arquitectura del microcontrolador Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computing) y CISC (Complex Instruction Set Computing) En cambio, en la arquitectura CISC, las instrucciones pueden ser más complejas y pueden requerir múltiples ciclos de reloj para completarse. Sin embargo, esto puede permitir realizar operaciones más complejas en una sola instrucción. Los procesadores modernos a menudo utilizan una combinación de técnicas RISC y CISC para lograr un equilibrio entre la complejidad de las instrucciones y la eficiencia del procesamiento.

43. E. Thorpe . (2019). Arduino para principiantes: Guía completa para principiantes Aprende la programación Arduino paso a paso. Bibliografía