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Conceptos básicos de los microcontroladores: historia, estructura, aplicaciones

Bienvenido al mundo de los microcontroladores, un dispositivo diminuto (pero muy poderoso) que cambió la faz de los sistemas integrados. En este tutorial / artículo, aprenderá sobre el auge de los microcontroladores, algunos conceptos básicos de los microcontroladores, la estructura del microcontrolador y también algunas diferencias entre el microprocesador y el microcontrolador.

Antes de entrar en los detalles de los conceptos básicos de los microcontroladores, necesita saber qué es un microcontrolador. Los microcontroladores son similares a los microprocesadores, pero tienen pocos componentes adicionales en el mismo chip.

¿Qué es un microcontrolador?

Un microcontrolador es un circuito integrado (IC) VLSI (integración a gran escala) que contiene una unidad informática electrónica y una unidad lógica (conocida en conjunto como CPU), memoria (memoria de programa y memoria de datos), puertos de E / S (puertos de entrada / salida) y algunos otros componentes integrados en un solo chip.

Conceptos básicos de los microcontroladores Imagen 2

A veces, un microcontrolador también se denomina computadora en un chip o computadora de un solo chip. Dado que el microcontrolador y sus circuitos de soporte a menudo están integrados en el dispositivo que controla, un microcontrolador también se denomina controlador integrado.

Los microcontroladores son omnipresentes. Si un dispositivo o una aplicación implica medir, almacenar, calcular, controlar o mostrar información, entonces el dispositivo contiene un microcontrolador. Veamos algunas de las áreas donde se utilizan microcontroladores.

El mayor usuario de microcontroladores es probablemente la industria del automóvil. Casi todos los automóviles que salen de la fábrica de ensamblaje contienen al menos un microcontrolador para el control del motor. Puede encontrar muchos más microcontroladores para controlar sistemas adicionales.

La electrónica de consumo es otra área que está cargada de microcontroladores. Los microcontroladores forman parte de cámaras digitales, videocámaras, reproductores de CD y DVD, lavadoras, hornos, etc.

Los microcontroladores también se utilizan en equipos de prueba y medición como multímetros, osciloscopios, generadores de funciones, etc. También puede encontrar microcontroladores cerca de su computadora de escritorio como impresoras, enrutadores, módems, teclados, etc.

Las definiciones anteriores del microcontrolador pueden parecer complicadas o confusas para los principiantes en electrónica o sistemas integrados, pero el concepto se aclarará a medida que avancemos.

Primero, veremos el surgimiento de los microcontroladores, donde puede encontrar cómo se llevó a cabo el desarrollo del microcontrolador.

Auge de los microcontroladores

Microprocesador, el invento que arrasó en el campo de la computación. Un microprocesador es un circuito integrado (IC) que contiene la unidad central de procesamiento (CPU). Los primeros microprocesadores conocidos son el 4004 de Intel y el TMS1000 de Texas Instruments.

Desde entonces, la potencia computacional, la complejidad y el consumo de energía siguieron aumentando para proporcionar el máximo rendimiento (el consumo de energía debe discutirse por separado debido a desarrollos como Low Power VLSI, etc.).

Para que un microprocesador funcione, necesita un montón de hardware de soporte que se puede encontrar en una placa base. El hardware incluye memoria, circuitos integrados para dispositivos periféricos, etc.

Al principio, se realiza la capacidad de los microprocesadores para controlar otros equipos electrónicos como fotocopiadoras. El énfasis aquí no está en la potencia computacional del microprocesador, sino más bien en un mecanismo de control con hardware menos complejo y mayor confiabilidad.

Este requisito allanó el camino para integrar el hardware mínimo requerido para el funcionamiento completo de un procesador en un solo chip, es decir, el mismo chip que el procesador, para ser precisos.

Este es el surgimiento de los microcontroladores, un circuito integrado, que contiene todas las funciones y hardware para hacer un sistema informático completo. Aquí, la potencia computacional del dispositivo es de menor importancia que la integración de todos los componentes, incluida la memoria.

Leer también: INTRODUCCIÓN Y FUNDAMENTOS DEL MICROCONTROLADOR 8051

Conceptos básicos de los microcontroladores

Básicamente, un microcontrolador consta de los siguientes componentes.

  • Unidad Central de Procesamiento (CPU)
  • Memoria de programa (ROM – Memoria de solo lectura)
  • Memoria de datos (RAM – Memoria de acceso aleatorio)
  • Temporizadores y contadores
  • Puertos de E / S (E / S – Entrada / Salida)
  • Interfaz de comunicación serial
  • Circuito de reloj (circuito del oscilador)
  • Mecanismo de interrupción

La mayoría de los microcontroladores modernos pueden contener incluso más periféricos como SPI (Interfaz periférica en serie), I2C (Circuito inter integrado), ADC (Convertidor analógico a digital), DAC (Convertidor digital a analógico), CAN (Red de área controlada), USB (Serie universal Bus) y muchos más.

La CPU (Unidad Central de Procesamiento) en un Microcontrolador realiza la función aritmética, lógica, matemática y orientada a datos, similar a la CPU en el Microprocesador. La diferencia entre un microprocesador y un microcontrolador es que un microprocesador necesita ser una interfaz con una memoria externa y otras interfaces de E / S para funcionar como una computadora, mientras que un microcontrolador tiene todos los periféricos necesarios en el mismo chip que la CPU.

La integración de funciones como ADC, DAC, etc. en el mismo chip que la CPU lo hace más eficiente y económico que usar un chip ADC separado.

El desarrollo de un sistema controlado por computadora implica el diseño del hardware y también la redacción de un programa de software eficiente. Dado que un microcontrolador tiene todo el hardware necesario para hacer un sistema controlado por computadora en un solo chip, el uso de un microcontrolador reducirá drásticamente los esfuerzos y el tiempo dedicado al diseño y cableado del hardware.

Estructura básica de un microcontrolador

Es posible que haya visto la estructura básica de un microcontrolador muchas veces. Si ya ha visto la estructura del microcontrolador y los componentes básicos de un microcontrolador antes, considérelo como una revisión. Si no lo ha visto, entonces es muy importante que se haga una idea de la estructura básica de un Microcontrolador.

La siguiente imagen muestra la estructura básica de un microcontrolador.

Conceptos básicos de los microcontroladores Imagen 1

De la imagen de arriba, puede comprender que los tres componentes importantes (o principales) de un microcontrolador son:

  • La CPU (unidad central de procesamiento)
  • La memoria y
  • Los puertos de E / S

Esto no significa que otros componentes sean de menor importancia. Pero estos pueden considerarse dispositivos de apoyo. Ahora veremos cada uno de los Componentes Básicos de un Microcontrolador mencionados en la estructura anterior.

UPC

La Unidad Central de Procesamiento o CPU es el cerebro del Microcontrolador. Consiste en una Unidad Aritmética Lógica (ALU) y una Unidad de Control (CU). Una CPU lee, decodifica y ejecuta instrucciones para realizar operaciones aritméticas, lógicas y de transferencia de datos.

Memoria

Cualquier sistema computacional requiere dos tipos de memoria: memoria de programa y memoria de datos. Program Memory, como su nombre indica, contiene el programa, es decir, las instrucciones que debe ejecutar la CPU. La memoria de datos, por otro lado, es necesaria para almacenar datos temporales mientras se ejecutan las instrucciones.

Por lo general, la memoria de programa es una memoria de solo lectura o ROM y la memoria de datos es una memoria de acceso aleatorio o RAM. La memoria de datos a veces se denomina memoria de lectura y escritura (R / WM).

Puertos de E / S

La interfaz del microcontrolador al mundo externo la proporcionan los puertos de E / S o los puertos de entrada / salida. Los dispositivos de entrada como interruptores, teclados, etc. proporcionan información del usuario a la CPU en forma de datos binarios.

La CPU, al recibir los datos de los dispositivos de entrada, ejecuta las instrucciones apropiadas y da respuesta a través de los dispositivos de salida como LED, pantallas, impresoras, etc.

Autobús

Otro componente importante de un microcontrolador, pero que rara vez se comenta, es el bus del sistema. Un bus del sistema es un grupo de cables de conexión que conectan la CPU con otros periféricos como la memoria, los puertos de E / S y otros componentes de soporte.

Temporizadores / Contadores

Uno de los componentes importantes de un microcontrolador son los temporizadores y contadores. Proporcionan las operaciones de los retrasos de tiempo y el recuento de eventos externos. Además, los temporizadores y contadores pueden proporcionar generación de funciones, modulación de ancho de pulso, control de reloj, etc.

Puerto serial

Uno de los requisitos importantes de un microcontrolador es comunicarse con otros dispositivos y periféricos (externos). Serial Port prueba dicha interfaz a través de la comunicación en serie. La comunicación serial más común implementada en microcontroladores es UART.

Interrupciones

Una característica muy importante de un microcontrolador son las interrupciones y su mecanismo de manejo de interrupciones. Las interrupciones pueden ser externas, internas, relacionadas con el hardware o relacionadas con el software.

ADC (convertidor analógico a digital)

El convertidor analógico a digital o ADC es un circuito que convierte señales analógicas en señales digitales. El circuito ADC forma la interfaz entre los dispositivos de entrada analógica externos y la CPU del microcontrolador. Casi todos los sensores son dispositivos analógicos y los datos analógicos de estos sensores deben convertirse en datos digitales para que la CPU los comprenda.

DAC (convertidor de digital a analógico)

El convertidor de digital a analógico o DAC es un circuito que funciona en contraste con un ADC, es decir, convierte las señales digitales en señales analógicas. DAC forma el puente entre la CPU del microcontrolador y los dispositivos analógicos externos.

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Ventajas de los microcontroladores

  • Un microcontrolador es un verdadero dispositivo que se ajusta a la idea de computadora en un chip.
  • No se necesita ninguna interfaz externa de componentes básicos como memoria, puertos de E / S, etc.
  • Los microcontroladores no requieren sistemas operativos complejos ya que todas las instrucciones deben estar escritas y almacenadas en la memoria. (RTOS es una excepción).
  • Todos los puertos de entrada / salida son programables.
  • La integración de todos los componentes esenciales reduce el costo, el tiempo de diseño y el área del producto (o aplicación).

Desventajas de los microcontroladores

  • Los microcontroladores no son conocidos por su potencia de cálculo.
  • La cantidad de memoria limita las instrucciones que puede ejecutar un microcontrolador.
  • No hay sistema operativo y, por lo tanto, todas las instrucciones deben estar escritas.

Aplicaciones de microcontroladores

Hay una gran cantidad de aplicaciones de microcontroladores. De hecho, toda la industria de los sistemas integrados depende de los microcontroladores. Las siguientes son algunas aplicaciones de los microcontroladores.

  • Controles del panel frontal en dispositivos como horno, lavadora, etc.
  • Generadores de funciones
  • Alarmas de humo y fuego
  • Sistemas de automatización del hogar
  • Encendido automático de faros en automóviles
  • Sistema de bloqueo de puertas con sensor de velocidad

En este tutorial / artículo, hemos visto los conceptos básicos de los microcontroladores, estructura básica de un microcontrolador, diferentes componentes de un microcontrolador, ventajas, desventajas y aplicaciones de los microcontroladores.

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