PDF de programación - 1.- Introducción a los Microcontroladores

Departamento de Electrónica,

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA

1.- Introducción a los Microcontroladores.

1.1.- Introducción.

El microcontrolador nace cuando las técnicas de integración han progresado lo
bastante para permitir su fabricación; pero también porque, muy a menudo, tanto en las
aplicaciones domésticas como industriales, se tiene la necesidad de sistemas “inteligentes” o,
al menos programables. Un ejemplo muy simple es el programador de una lavadora, el cual
debe controlar una cierta cantidad de elementos con ciclos y cadencias perfectamente
definidas, pero variables en función del programa seleccionado. Otras aplicaciones más
técnicas tienen, igualmente, necesidad de sistemas programables. Por ejemplo, una
fotocopiadora debe controlar permanentemente un gran número de elementos y de funciones.
Gracias a la llegada de los microcontroladores, tarjetas que contenían varias decenas de
circuitos lógicos clásicos se han visto reducidas a dos o tres microcontroladores.

Antes de ver qué es un microcontrolador y de analizar sus puntos fuertes y sus
defectos, será útil hacer un repaso relativo a la estructura de cualquier sistema programable,
que pueda hacer uso de un microcontrolador.

Unidad
Central

M em oria

ROM

M em oria

RAM

Buses del Sistem a

Circuitos
de interfaz

Exterior

Figura 1.

La figura 1 presenta el esquema tipo de cualquier sistema programable. Veamos que

elementos son indispensables para su funcionamiento:

La unidad central
La memoria ROM
La memoria RAM
Los circuitos de interfaz
Un bus de interconexión

La presencia de estos elementos básicos es indispensable y aun cuando no siempre se
presenten tan claramente como en nuestro esquema siempre existen. Obsérvese, que son los
mismos que los de un sistema informático clásico, pero dentro del marco de una aplicación
que pueda ser tratada por un microcontrolador.

La unidad central, generalmente constituida por un microprocesador más o menos
evolucionado, ejecuta el programa que da vida a la aplicación. Los programas pueden ser muy
diversos, puesto que, como es evidente, el que asegura la gestión de un termostato inteligente
no tiene nada que ver con el que controla el correcto funcionamiento de una fotocopiadora.
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Sin embargo, estos programas tienen en común el hecho de que muy raramente necesitan
cálculos complejos y, en cambio, sí suelen incluir numerosas manipulaciones de la
información de entrada/salida.

El programa se almacena en un segundo elemento, que es la memoria ROM. Esta
memoria puede constituirse de diferentes formas: UVPROM, EEPROM u OTPROM,
cualquiera que sea la que se utilice es una memoria no volátil desde la que se ejecutará el
programa una vez alimentado el sistema. Para poder trabajar correctamente, nuestro
microprocesador necesita, a menudo, almacenar datos temporales en alguna parte, y aquí es
donde interviene la memoria RAM, que no necesita ser de grandes dimensiones.

El último elemento y que, generalmente, es el más importante en una aplicación
susceptible de utilizar un microcontrolador es todo lo concerniente a los circuitos de interfaz
con el mundo exterior, que relacionará al microprocesador con elementos tan dispares como
un motor paso a paso, un display de cristal líquido o una botonera hexadecimal.

Después de este pequeño análisis nos podemos preguntar por qué se habla de
microcontrolador y, no de un conjunto de elementos que realizan esta función. La respuesta es
que el objetivo de los microcontroladores es integrar, tanto como sea posible, en un único
encapsulado el conjunto de funciones de la figura 1.

1.2.- Contenido típico de un microcontrolador.

De lo descrito anteriormente, es evidente que un microcontrolador debe contener todos
los elementos de la figura 1 en un único encapsulado; aunque no con un diseño tan simple. A
la vista de los análisis de los sistemas realizados antes de la aparición de los
microcontroladores, los fabricantes de circuitos integrados han perfilado la definición de lo
que se debería integrar, para llegar al esquema de la figura 2.

Controlador de
interrupciones

ROM

UVPROM
OTPROM

RAM

EEPROM

Temporizador 1

Temporizador 0

CPU

Osc.

Controlador

de bus

Interfaz
específica

Puerto
serie

Puertos de

entrada/salida

.....

Figura 2

Evidentemente, encontramos en él nuestra unidad central pero, salvo casos
particulares, frecuentemente se ha simplificado con respecto a los microprocesadores clásicos.
En contrapartida se le han añadido instrucciones de manejo de bits, muy útiles para las
entradas/salidas. En ciertos circuitos, esta unidad central está dotada de un gran número de
registros internos, que sirven de memoria RAM, por lo que puede parecer que ésta última está
ausente de algunos esquemas.

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A continuación podemos ver la memoria ROM, aunque ésta no siempre aparece. En
determinados encapsulados y hasta hace unos años, esta memoria no podía programarse más
que mediante máscara durante la fabricación del circuito. Esto imponía al potencial usuario
del microcontrolador comprar un número significativo de piezas idénticas, lo cual era
aceptable para una serie grande, pero no para fabricaciones limitadas. Cierto número de
microcontroladores estaban, y todavía están, disponibles sin ROM (versiones ROMless en los
catálogos).

Posteriormente, los fabricantes han introducido en el chip una memoria programable
eléctricamente y borrable mediante rayos ultravioleta (UVPROM) o, más recientemente,
borrable eléctricamente (EEPROM). Como los encapsulados que contenían la memoria
UVPROM eran relativamente caros (por la ventana de cuarzo), han aparecido otro tipo
denominado OTPROM (One Time PROM), la memoria UVPROM existe siempre y se
programa como cualquier circuito, pero debido a la ausencia de ventana, no se puede borrar.
Es una solución interesante para la producción de series pequeñas y están disponibles en
plásticos baratos.

Un último producto para almacenar de forma no volátil son las memorias FLASH, de
bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero
suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. El borrado solo es posible con bloques
completos y no se puede realizar sobre posiciones concretas. Son muy recomendables en
aplicaciones en las que sea necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto,
como consecuencia del desgaste o cambios de piezas, como sucede con los vehículos.

En lo referente a la memoria RAM, suele utilizarse una del tipo SRAM (RAM
estática) de pequeño tamaño, por qué generalmente la unidad central posee suficientes
registros para realizar operaciones intermedias. En algunos casos, esta memoria se completa
con una EEPROM de datos, que memoriza de forma semipermanente datos del usuario que se
manejan como constante en la ejecución del programa y que de vez en cuando (pasados meses
o años) deben ser modificados.

Algo más delicado es hacer un esquema tipo para los circuitos de interfaz, ya que es
un punto donde se distinguen los diferentes microcontroladores, en función de las
aplicaciones que pretenden. No obstante se pueden encontrar los siguientes elementos
básicos:

Líneas de entrada/salida paralelo, en cantidad variable, según la finalidad y el
tamaño del encapsulado (se plantea un problema de número máximo de pines
debido al crecimiento del número de estas líneas).

Al menos una interfaz de entrada/salida serie asíncrona, más o menos evolucionada

según los circuitos.

Uno o varios temporizadores internos cuyas posibilidades pueden ser muy variables
pero que, generalmente, funcionan como contadores ascendentes y descendentes,
generadores de impulsos programables, etc.

Uno o varios convertidores analógicos/digitales, precedidos o no de multiplexores

para ofrecer varias vías.

A veces, pero es raro, un covertidor digital/analógico.

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Por último, aunque no sea una verdadera interfaz de entrada/salida en el sentido en que
nosotros entendemos, ciertos microcontroladores disponen de un acceso a su bus interno. Esto
permite conectar con otros circuitos destinados a cumplir funciones que faltan en el chip, lo
que a veces resulta útil. Precisemos, aunque es evidente, que todos los microcontroladores sin
memoria ROM interna disponen necesariamente de esta interfaz, puesto que es necesario
permitirle acceder a una memoria ROM externa.

1.3.- Las ventajas y defectos de los Microcontroladores.

En primer lugar, un microcontrolador integra en un único encapsulado lo que antes
necesitaba una o varias decenas de elementos distintos. Como resultado de estos, se ha
obtenido una evidente disminución en el volumen del hardware y del circuito impreso. Esta
integración también ha tenido como consecuencia inmediata l