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Que es un microcontrolador y como funciona

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Con los grandes avances de la tecnología, los dispositivos eléctricos y electrónicos cada vez son más complejos y también tienen muchas más funcionalidades. Por lo que los circuitos electrónicos, también se van haciendo más complejos y son propensos a utilizar más componentes como, resistencias, capacitores, circuitos integrados, sensores, etc. Dependiendo de la complejidad del circuito se pueden utilizar circuitos donde solo se necesita de pura electricidad, como lo son las compuertas lógicas, flipflops, temporizadores, etc. O también existen circuitos donde se utilizan componentes más avanzados en los cuales se necesita programar la lógica que tendrá el circuito, como es el ejemplo del microcontrolador. En este articulo te explicaremos que es, como funciona, sus partes, algunas de sus aplicaciones entre otras cosas más.


¿Qué es un microcontrolador?

Un microcontrolador es un componente electrónico que a simple vista parece un circuito integrado como cualquier otro, pero en realidad este tiene algunas características especiales que lo hacen ser diferente. En términos generales, los microcontroladores fueron diseñados para poder programar su interior y poder cambiar su funcionamiento dependiendo de la tarea que va a desempeñar. Es decir que, son circuitos integrados programables.

Microcontrolador
Ilustración de un microcontrolador

Partes de un microcontrolador

Los microcontroladores son componentes complejos, ya que están llenos de un sin fin de circuitos internos que trabajan en conjunto para lograr el tipo de funcionamiento para el que fue programado. Todos estos circuitos se agrupan en módulos diferentes que sirven para un causa en común. Dentro de los módulos más comunes que encontramos en un microcontrolador nos encontramos con:



Procesador

Es el elemento más importante y el que determina las características del microcontrolador, ya que se encarga de ejecutar las instrucciones del programa, hacer cálculos para ejecutar las operaciones y controlar los dispositivos conectados a las salidas del microcontrolador.

Memorias

En los microcontroladores se utilizan dos tipos de memorias, pero es importante mencionar que, estas están incorporadas en el mismo circuito. Una es una memoria no volátil de tipo ROM, es decir que mantiene la información aun cuando se queda sin alimentación, generalmente se utiliza para guardar y ejecutar las instrucciones que se programaron. La otra memoria es volátil de tipo RAM y se utiliza para guardar información temporal como; el valor de las variables, resultados de algunos cálculos y la mayoría de los datos que pueden cambiar durante la ejecución del programa.

Módulos de entradas y salidas

Los módulos de salida y entrada son los que le permiten la interacción con el mundo exterior al microcontrolador, aun que es importante mencionar que cada modulo esta definido para diferentes operaciones. Es decir, los módulos de entrada sirven para obtener la información a través de sensores, interruptores, botones, etc. para poder procesarla con las instrucciones que se programaron, mientras que el modulo de salida, sirve para mandar señales de funcionamiento o paro a los actuadores como lo son, cualquier tipo de motores, leds, lamparás, relevadores, etc.

Reloj principal

Todos los microcontroladores necesitan de una señal de referencia para poder ejecutar el programa y tener en cuenta la contabilización de los tiempos y contadores. Para generar dicha señal, normalmente se utiliza un circuito oscilador que produce una onda cuadrada de alta frecuencia que sirve como referencia. Es importante mencionar que esta señal es la que dicta la velocidad de procesamiento del microcontrolador, ya que no puede procesar señales más rápidas de las que se generan en el reloj principal.

Módulos especiales

Cada fabricante y cada modelo de microcontrolador esta pensando para diferentes aplicaciones, algunos se diseñan para las más sencillas y otros para tareas más complicadas. Dependiendo de los módulos que se integren se pueden mejorar las funciones pero también los costos, es por eso que existen diferentes tipos de microcontroladores con más o menos recursos. Dentro de los módulos más conocidos que podemos encontrar tenemos:

  • Temporizadores
  • Watchdog o perro guardián
  • Brownout
  • Sleep mode
  • Convertidores analógico-digital y digital-analogico
  • Comparadores analógicos
  • PWM’s
  • Puertos de entradas y salidas

Como funciona un microcontrolador

A grandes rasgos el funcionamiento de un microcontrolador es el de ejecutar las instrucciones que se le programaron. Pero para hacer esta tarea, existen diferentes formas de lograrlo. A estas formas también se les conoce como arquitecturas, donde las más comunes que podemos encontrar son la arquitectura Von Neumann y la Harvard.

  • Arquitectura Von Neumann: En esta arquitectura se utiliza una memoria donde se guardan todos los datos, por lo que solo tiene un bus de comunicación para leer los datos y las instrucciones. Debido a que solo existe una linea de comunicación el procesador solo puede acceder a los datos de manera secuencial, es decir, primero busca una instrucción y luego accede a los datos. Este tipo de arquitectura es más simple, pero también es más lenta.
  • Arquitectura Harvard: Este tipo tiene dos memorias diferentes, una donde se guardan las instrucciones y otra donde se guardan los datos. Por lo que tiene dos buses de comunicación y el procesador puede acceder a ellos de forma simultanea. Es decir, se puede buscar una instrucción mientras se esta ejecutando otra.

También es importante mencionar que, los procesadores que utilizan los microcontroladores basan su funcionamiento en diferentes tipos de arquitecturas. Estas también definen el funcionamiento de los microcontroladores, donde la CISC y la RISC son las más populares.

  • Arquitectura CISC (complex instruction set computer): Este tipo se caracteriza por que las instrucciones que necesitan son más básicas, pero sus circuitos más complejos y más grandes. Por lo que se consume más energía y se genera más calor.
  • Arquitectura RISC (reduced instruction set computer): En esta se necesitan instrucciones más detallas, pero a comparación sus circuitos son más pequeños. Por lo que consumen una menor cantidad de energía, se calientan menos y son más baratos.
Arquitecturas tecnológicas
Esta solo es una conceptualización de como funcionan las diferentes arquitecturas

¿Qué tipos de microcontroladores existen?

Debido a que hoy en día todos los componentes electrónicos y los sistemas son más complicados, se puede decir que casi en cualquier componente moderno podemos encontrar un microcontrolador. Es por eso que existe una gran variedad de tipos diferentes que podemos clasificar por categorías. Ya sea por su fabricante, gama, arquitectura, familia, numero de bits etc.

Microcontroladores por fabricantes

En esta clasificación vamos a mencionar algunos de los fabricantes más conocidos como Microchip, Texas instruments, STMicroelectronics, NPX, etc.

Microcontroladores por su gama

Cuando hablamos de la gama de un microcontrolador nos referimos al rendimiento en general que tiene un microcontrolador para ejecutar las tareas y las aplicaciones. Normalmente se utiliza gama «baja», «media» y «alta», para diferenciarlos por sus características, ya sea en costos, memoria, capacidad de procesamiento, módulos especiales, etc. Esta categoría nos ayuda para encontrar más fácilmente el microcontrolador más adecuado según nuestras necesidades de aplicación.

Microcontroladores por su arquitectura

Como ya se mencionó antes, los microcontroladores pueden funcionar bajo diferentes tipos de arquitecturas. Cada una de ellas cambia la estructura de la forma en que se basa su funcionamiento. Dentro que las más utilizadas por los microcontroladores nos encontramos con la Harvard y la Von Neumann. Y en cuanto al procesador encontramos la CISC y la RISC.



Microcontroladores por su familia

Todas los fabricantes clasifican a sus microcontroladores en grupos que comparten una arquitectura del procesador en común y en algunas ocasiones una plataforma de desarrollo para toda la familia. A pesar de que comparten una característica tan importante, también es importante mencionar que, pueden variar sus otras cualidades como el rendimiento, la memoria, sus módulos, etc. Algunos de los ejemplos más comunes para los diferentes fabricantes son:

  • Microchip: Dentro de esta marca podemos encontrar dos familias: los PIC 8, 16 o 32 bits y los AVR antes conocidos como ATMEL.
  • STMicroelectronics: estos ofrecen microcontroladores de la familia STM32 que se basan en la arquitectura ARM Cortex-M de 32 bits.
  • Texas instruments: Este fabricante se caracteriza por su familia MSP430 y sus microcontroladores de baja potencia.
  • NPX semiconductors: Tienen la familia LCP que basan en la arquitectura ARM Cortex-M.

Microcontroladores por su el numero de bits

Una de las formas más prácticas para agrupar a los diferentes tipos de microcontroladores es clasificarla por la capacidad de procesamiento. Es decir por la cantidad de bits que pueden procesar en una sola operación.

  • 8 bits: Es la capacidad más baja, por lo que son los más simples y económicos. Normalmente se utilizan en aplicaciones basicas como el control de electrodomésticos, iluminación, juguetes, etc.
  • 16 bits: Prácticamente pueden manejar el doble de procesamiento que los anteriores, por lo que ofrecen un mayor rendimiento y más módulos. Estos tipos se utilizan en aplicaciones como sistemas de control industrial, sistemas automatices y dispositivos médicos.
  • 32 bits: Los microcontroladores de 32 bits son considerados de alto rendimiento, gracias a su gran capacidad de procesamiento. Por lo que se pueden utilizar en aplicaciones complejas como sistemas embebidos avanzados, sistemas de automatización avanzados y sistemas de precisión.

Como elegir un microcontrolador

Debido a que existen muchos tipos en el mercado, elegir un microcontrolador puede ser una tarea difícil. Pero a continuación te daremos algunos de los puntos más importantes que tienes que tomar en cuenta para escoger el que más adapte a tus necesidades.

  1. Definir los requisitos del proyecto: Comprende cuales son los requisitos de tu proyecto. ¿Qué funciona va a desempeñar el microcontrolador, ¿Qué tareas va a realizar?, ¿Existen limitaciones en cuanto a tamaño, energía o costo?, etc.
  2. Evaluar la complejidad de las tareas: Dependiendo de las tareas que se vayan a realizar debemos elegir si necesitamos utilizar, 8, 16 o 32 bits.
  3. Verificar el rendimiento: Es importante analizar algunas características de funcionamiento del microcontrolador, como por ejemplo la velocidad de respuesta, memoria disponible, capacidad de cálculo, etc.
  4. Analizar los módulos a utilizar: Identifica que utilidades extra vas a utilizar. Debido a que los microcontroladores pueden utilizar diferentes módulos, es importante saber cuales vamos a utilizar. Estas pueden ser convertidores analógico- digital, temporizadores, comparadores, PWM’s, etc.
  5. Analizar el consumo de energía: Es importante saber un consumo aproximado de la energía para saber si el microcontrolador es capaz de proporcionar dicha energía.
  6. Considerar la disponibilidad a largo plazo: Aunque la mayoría de microcontroladores pueden ser remplazados por otros. Es importante verificar si podemos encontrarlos a largo plazo.
  7. Verificar la compatibilidad con otros componentes a utilizar: Es importante tener en cuenta si el microcontrolador es compatible con algunos componentes o dispositivos a utilizar
  8. Tomar en cuenta si el sistema tendrá mejoras a futuro: Es importante verificar si existen posibles mejoras en nuestro sistema. Ya que si es así, siempre es bueno tenerlas en cuenta para elegir un microcontrolador que tenga el rendimiento suficiente para estos incrementos de código y componentes.

Conclusión

Los microcontroladores son componentes electrónicos avanzados que nos pueden presentar algunos desafíos, ya que requieren de conocimientos en electricidad, electrónica y programación. Dado que se necesitan de conocimientos en diferentes ramas, pueden ser muy complicados de utilizar. Pero a cambio nos da la posibilidad de crear un sin fin de proyectos. Ya sea desde algo sencillo, como controlar la iluminación de una casa hasta aplicaciones más complejas como la automatización de un sistema industrial. Tomando en cuenta todos los tipos de aplicaciones que puede desempeñar un microcontrolador, podríamos decir que estos componentes son la base de la electrónica moderna. Porque nos dan la capacidad de innovar y automatizar un sin fin de aplicaciones.

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Preguntas frecuentes

  • ¿Qué es un microcontrolador? Es un circuito integrado que tiene la capacidad de cambiar su comportamiento a través de una programación de su sistema.
  • Cuales son los componentes internos más comunes de los microcontroladores? Algunos de los componentes son: el procesador, memoria (RAM y ROM), puertos de entrada y salida, reloj principal y los módulos especiales.
  • ¿Cuál es la diferencia entre un microcontrolador y un microprocesador? Un microprocesador (CPU) es el que se encarga de procesar los datos, es decir es el cerebro del sistema. Mientras que un microcontrolador es un dispositivo más complejo que integra diferentes componentes como un CPU, memorias, periféricos, etc.

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