¿Qué es un microcontrolador?

Un microcontrolador es un circuito integrado programable al que se le ha asignado una tarea. Incluye en su interior las tres unidades funcionales principales de los ordenadores, así como dispositivos periféricos de entrada/salida, y puede programarse para funcionar a velocidades de hasta 4 kHz con un bajo consumo de energía (microvatios). Normalmente, tienen la capacidad de mantenerse a la espera de un evento, como cuando se pulsa el botón. Por ello, su consumo de energía en reposo sólo puede alcanzar los nanowatios, lo que los hace perfectos para las baterías de larga duración.

Cuando el microcontrolador se fabrica, no tiene ningún dato en la memoria ROM. Necesita crear o generar y luego grabar algún programa, que puede estar escrito en lenguaje ensamblador o en otros lenguajes de programación; sin embargo, para que ese programa se grabe en su espacio de memoria interna, debe utilizar números hexadecimales que es, en definitiva, el sistema que hace funcionar una amplia gama de dispositivos cuando son alimentados con la tensión adecuada y conectados con sensores analógicos para su funcionamiento.

Historia del microcontrolador

El primer microprocesador fue el 4004 de Intel, lanzado en 1971 y seguido por el 8008. Sin embargo, ambos procesadores requerían circuitos adicionales para implementar un sistema de trabajo y, por tanto, elevaban el coste de los sistemas totales. Según el Instituto Smithsoniano, no fue hasta 1974 cuando los ingenieros de Texas Instruments Gary Boone y Michael Cochran consiguieron crear lo que se conocería como microcontrolador: el TMS 1000; ¡se comercializó en 1974! Combinaba ROM, RAM en el chip con su propia unidad de procesador/reloj y estaba pensado para sistemas integrados.2 En parte debido a este éxito (y otros similares), Intel desarrolló un sistema informático en un chip optimizado que empezó a comercializarse en 1977: su chip 8048 (que puede encontrarse hoy en día dentro de los teclados de los PC de IBM).

El desarrollo de ambos proyectos fue una parte integral que condujo a los ordenadores de hoy en día, que utilizamos sin saber siquiera cómo funcionan.

En aquella época, la mayoría de los microcontroladores tenían una memoria EPROM reprogramable, pero eran más caros que los que tenían una memoria PROM programable una sola vez. Para borrar la EPROM había que exponerla a la luz ultravioleta y abrir su tapa de cuarzo. Los chips que parecían tener una superficie opaca representaban un coste menor durante este periodo. En 1993, se produjo el lanzamiento de la EEPROM en los microcontroladores y Atmel lanzó su primer microcontrolador que utilizaba memoria flash, lo que sustituyó ambos tipos de memorias a la vez, por lo que a partir de entonces sólo vemos memorias flash en los controladores actuales.

Los microcontroladores se han vuelto más baratos y abundantes, con unidades de microcontroladores de 8 bits de bajo coste disponibles por menos de 0,25 dólares en 2009, y precios similares de microcontroladores de 32 bits por debajo de un dólar en la actualidad. A medida que la tecnología mejora, vemos que la MRAM podría utilizarse alternativamente en lugar de las obleas de semiconductores para reducir aún más los costes de producción.

Características de los microcontroladores

Los microcontroladores están diseñados para reducir el coste económico y el consumo de energía de un determinado sistema. De este modo, no se necesita una gran unidad central de procesamiento ni complicados periféricos, ya que sustituye a un autómata de pasos finitos. En cambio, por ejemplo, los reproductores de música digital requieren procesadores de 32 o 64 bits y uno o varios códecs de señal digital (audio). El control del ABS utiliza 16 bits, como el del controlador del motor de un automóvil.

Los microcontroladores representan la gran mayoría de los chips informáticos que se venden. Mientras que usted puede tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa, hay aproximadamente un 50% que son controladores "simples" y el resto son DSP más especializados.

A diferencia de un microcontrolador, que es fácil de convertir en un ordenador funcional porque se le coloca un CI y se le conecta la fuente de alimentación, la memoria y los puertos necesarios. Un microprocesador tradicional requiere chips que suelen añadirse encima. Hay que añadir los módulos de entrada/salida, así como la memoria para el almacenamiento de la información.

Un microcontrolador típico es un pequeño ordenador programable. Dispone de un generador de reloj de bajo consumo, memorias ROM/EPROM/EEPROM/flash (chips de memoria) en las que se pueden almacenar programas y datos, así como otros dispositivos diversos como temporizadores o convertidores de digital a analógico que se utilizan para la entrada y la salida. Estos sistemas informáticos embebidos suelen estar controlados por instrucciones de procesadores más potentes en la placa base del propio dispositivo, como un procesador ARM, para asegurarse de que funcionan de forma eficiente con un menor consumo de energía. Los microcontroladores modernos incluyen lenguajes de programación como BASIC, que son fáciles de usar para realizar pruebas rápidas durante las etapas de desarrollo, lo que ayuda a acelerar los tiempos de construcción de las aplicaciones de manera significativa.

Arquitectura Von Neumann

La arquitectura Von Neumann, que se utiliza en los ordenadores porque ahorra una buena cantidad de líneas de E/S, asigna segmentos de memoria al código (programa), los datos y la pila. Además, esta organización puede ahorrar a los diseñadores de placas base problemas con estos sistemas.

La diferencia entre la memoria de datos y la memoria de programa es que se puede acceder a ellas de forma diferente. El microcontrolador tiene dos tipos de memorias, cada una con su propia forma de acceder a ellas. La organización es ligeramente diferente a la de otras arquitecturas porque hay circuitos separados para cada tipo de memoria, pero el bus en el que se conectan estas memorias no depende de lo que requieran las instrucciones del procesador. Sin embargo, en la realidad, los sistemas integrados tienen una arquitectura Von Neumann en lugar de segregada desde el punto de vista informático: los dos buses que salen del procesador se refieren a un conjunto u otro en su lugar!.

Arquitectura Harvard

A diferencia de la arquitectura Von Neumann, la arquitectura Harvard utiliza buses: uno para cada tipo de memoria y un bus para el procesador. Esto permite adaptarla a diferentes tipos de memoria y aumentar considerablemente la velocidad de procesamiento; sin embargo, los procesadores no pueden acceder a todas las memorias simultáneamente debido, en parte, a los límites físicos impuestos por un chip individual. Es más común en los superordenadores porque tienen su propio sistema en chip integrado que tiene sus propias líneas de E/S necesarias para este tipo de diseño.