Se considera que la electrónica comenzó con el diodo de vacío inventado por John Ambrose Fleming
Created by angysam on Nov 23, 2010
Last updated: 11/23/10 at 08:31 AM
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INTRODUCCIÓN AL MICROCONTROLADOR
¿Qué es un microcontrolador?
Un microcontrolador es un dispositivo electrónico capaz de llevar a cabo procesos lógicos. Estos procesos o acciones son programados en lenguaje ensamblador por el usuario, y son introducidos en este a través de un programador. Esto suena un poco complicado, pero sólo es un resumen de 3 líneas. A lo largo de este curso veremos todos los reglas y trucos de este lenguaje complicado por su sencillez :-p .
Un poco de historia
Inicialmente cuando no existían los microprocesadores las personas se ingeniaban en diseñar sus circuitos electrónicos y los resultados estaban expresados en diseños que implicaban muchos componentes electrónicos y cálculos matemáticos. Un circuito lógico básico requería de muchos elementos electrónicos basados en transistores, resistencias, etc, lo cual desembocaba en circuitos con muchos ajustes y fallos; pero en el año 1971 apareció el primer microprocesador el cual originó un cambio decisivo en las técnicas de diseño de la mayoría de los equipos. Al principio se creía que el manejo de un microprocesador era para aquellas personas con un coeficiente intelectual muy alto; por lo contrario con la aparición de este circuito integrado todo sería mucho más fácil de entender y los diseños electrónicos serian mucho más pequeños y simplificados. Entre los microprocesadores mas conocidos tenemos el popular Z-80 y el 8085. Los diseñadores de equipos electrónicos ahora tenían equipos que podían realizar mayor cantidad de tareas en menos tiempo y su tamaño se redujo considerablemente; sin embargo, después de cierto tiempo aparece una nueva tecnología llamada microcontrolador que simplifica aun mas el diseño electrónico.
Diferencias entre microprocesador y microcontrolador
Si has tenido la oportunidad de realizar un diseño con un microprocesador pudiste observar que dependiendo del circuito se requerían algunos circuitos integrados adicionales además del microprocesador como por ejemplo: memorias RAM para almacenar los datos temporalmente y memorias ROM para almacenar el programa que se encargaría del proceso del equipo, un circuito integrado para los puertos de entrada y salida y finalmente un decodificador de direcciones.
Figura 1. Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicación.
Un microcontrolador es un solo circuito integrado que contiene todos los elementos electrónicos que se utilizaban para hacer funcionar un sistema basado con un microprocesador; es decir contiene en un solo integrado la Unidad de Proceso, la memoria RAM, memoria ROM, puertos de entrada, salidas y otros periféricos, con la consiguiente reducción de espacio J.
El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded controller).
Figura 2. El microcontrolador es un sistema cerrado. Todas las partes del procesador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos.
Ventajas de un microcontrolador frente a un microprocesador
Estas ventajas son reconocidas inmediatamente para aquellas personas que han trabajado con los microprocesadores y después pasaron a trabajar con los microcontroladores. Estas son las diferencias más importantes:
Por ejemplo la configuración mínima básica de un microprocesador estaba 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; pero un microcontrolador incluye todo estos elementos 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, el costo para un sistema basado en microcontrolador es mucho menor y, lo mejor de todo, el tiempo de desarrollo de su proyecto electrónico se disminuye considerablemente.
Los microcontroladores hoy día
Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la invasión acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI será testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabricaremos y usamos los humanos.
Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo.
Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes.
Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.
Tipos de arquitecturas de microcontroladores
- Arquitectura Von Neumann
La arquitectura tradicional de computadoras y microprocesadores está basada en la arquitectura Von Neumann, en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una memoria única donde se guardan las instrucciones del programa y los datos.
El tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus que comunica la memoria con la CPU. Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. Si tiene que acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria.
Y el tener un único bus hace que el microprocesador sea más lento en su respuesta, ya que no puede buscar en memoria una nueva instrucción mientras no finalicen las transferencias de datos de la instrucción anterior.
Resumiendo todo lo anterior, las principales limitaciones que nos encontramos con la arquitectura Von Neumann son :
1º. La limitación de la longitud de las instrucciones por el bus de datos, que hace que el microprocesador tenga que realizar varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas.
2º. La limitación de la velocidad de operación a causa del bus único para datos e instrucciones que no deja acceder simultáneamente a unos y otras, lo cual impide superponer ambos tiempos de acceso.
cpumem
Figura3. Arquitectura Von Neumann
La arquitectura Harvard tiene la unidad central de proceso (CPU) conectada a dos memorias (una con las instrucciones y otra con los datos) por medio de dos buses diferentes.
Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos).
Ambos buses son totalmente independientes y pueden ser de distintos anchos. Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido, o RISC (Reduced Instrucción Set Computer), el set de instrucciones y el bus de memoria de programa pueden diseñarse de tal manera que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud.
Además, al ser los buses independientes, la CPU puede acceder a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo leer la siguiente instrucción a ejecutar.
Ventajas de esta arquitectura:
1º. El tamaño de las instrucciones no esta relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.
2º. El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.
Una pequeña desventaja de los procesadores con arquitectura Harvard, es que deben poseer instrucciones especiales para acceder a tablas de valores constantes que pueda ser necesario incluir en los programas, ya que estas tablas se encontraran físicamente en la memoria de programa (por ejemplo en la EPROM de un microprocesador).
Figura4. Arquitectura Harvard
El microcontrolador PIC 16F84 posee arquitectura Harvard, con una memoria de datos de 8 bits, y una memoria de programa de 14 bits.
Figura 5. Diagrama de bloques del microcontrolador PIC16F84
En la figura anterior vemos (aunque no nos enteremos de nada) la arquitectura interna organizada en bloques interconectados, en donde se incluye la memoria RAM, la memoria EEPROM, los puertos de entrada y salida (I/O), etc.
http://www.metacafe.com/watch/2373117/familias_de_microcontroladores/
El Microprocesador
Para saber qué son los microprocesadores o procesadores debemos remontarnos un poco en la historia y conocer a su antecesor, El Microcontrolador.
Un Microcontrolador es un circuito integrado que contiene toda la estructura de una microcomputadora, osea:
CPU (Unidad de Proceso Central).
Memoria RAM. (Memoria de Acceso Aleatorio).
Memoria ROM (Memoria solo de Lectura).
Circuitos de entrada y salida (I/O).
Etc.
Su nombre nos indica sus principales características:Micro por su tamaño, ya que es un dispositivo pequeño, y Controlador por que se utiliza principalmente para controlar otros circuitos o dispositivos electricos, mecánicos, etc.
Un poco de Historia sobre los Microprocesadores
A partir de 1970, el panorama de la electrónica cambió radicalmente cuando apareció en el mercado un nuevo supercomponente:El Microprocesador. Esto introdujo un concepto novedoso que en la actualidad se conserva y refuerza cada vez más, el de la lógica programada. Antes de los microprocesadores, los circuitos electrónicos se diseñaban para una función específica la cual no podía modificarse sin cambiar físicamente las conexiones, osea, el número y la cantidad de los diferentes elementos que los formaban a lo cual se les llamó la lógica cableada.
Consolidadas las técnicas digitales de los años 60, se creó entonces la necesidad de profundizar en el estudio y desarrollo de las aplicaciones para los microprocesadores y la programación en lenguaje de máquina o assembler. Fué la época de oro del 8080, el 8086, el Z-80, el 6809, el 6502, el 68000 y otros microprocesadores, utilizados como circuitos centrales en las aplicaciones de control.
En 1980, aproximadamente, los fabricantes de integrados iniciaron la difusión de un nuevo circuito con aplicaciones para control, medición, e instrumentación, al que llamaron "microcomputador de un solo chip" o, de manera más exacta y concisa: microcontrolador.
Evolución histórica de los Microprocesadores
Dentro de los anales de la electrónica esta el año de 1970 como la fecha de invención del microprocesador. Con el microprocesador se inició una nueva era de desarrollo de la industria de las computadoras y de la electrónica, la cual hasta el presente ha ido evolucionando con una velocidad que aún sorprende incluso a los visionarios más futuristas. Nadie en esa época se imaginaba el impacto tan grande que causaría este desarrollo en la vida del hombre moderno.
Sin duda la senda la abrió el invento del tubo de vacío por Lee De Forest a comienzos del siglo, basado en el descubrimiento de un fenómeno llamado "Efecto Edison". Este dispositivo hizo posible la radio, la telefónia inalámbrica, etc., e impulsó el desarrollo comercial e industrial de la electrónica. Inclusive las primeras computadoras eran fabricadas con tubos de vacío. Luego vino la revolución del transistor, desarrollado en los laboratorios de Bell Telephone en 1948 y utilizado a partir de 1950 a escala industrial, con su inclusión en la fabricación de todo tipo de aparatos como:
Radio.
Televisión.
Sonido.
Computadoras.
En la industria Militar.
En la Industria espacial.
Etc, entre otras aplicaciones.
De los tres inventores del Transistor - W. Brattain, W. Shockley y J. Bardeen - Shockley fué el único que se dedicó a desarrollar métodos de fabrcación en serie de este revolucionario dispositivo en su empresa, Shockley Semiconductor Laboratories, dando nacimiento a una nueva era de la industria electrónica y a la ubicación de esta tecnología en un sitio de california cercano a San Francisco que más tarde se llamó Silicon Valley o "Valle del Silicio". en esta compañía se iniciaron los principales científicos e ingenieros que más tarde formarían sus propias empresas y desarrollarían los circuitos integrados y los microprocesadores.
El microprocesador es: El máxino exponente de la etapa siguiente al transistor; la tecnología de los Circuitos Integrados.
El concepto de circuito integrado, empezó a rondar por los cerebros y mentes prodigiosas de quienes trabajaban en el diseño y fabricación de transistores. El planteamiento fue más o menos el siguiente: si se fabrican transistores en forma individual y luego se tenían que unir siempre de la misma forma entre sí con alambres y con otros componentes ¿Por qué no fabricar de una vez todo el conjunto de material semiconductor y aislante, interconectado internamente para que cumpliera la misma función del sistema total?
Este planteamiento fue desarrollado en la práctica simultáneamente, pero en forma independiente, por dos empresas muy importantes en la historia de la electrónica.
Fairchild semicondutor.
Texas Instruments.
En Fairchild dirigía el equipo de trabajo Robert Noyce y en Texas Jack Kilby. La explosión de los circuitos integrados desde el año 1960 hasta la fecha, ha permitido el desarrollo de la electrónica en una forma sorprendente.
Noyce renunció a la fairchild en 1968 y fundó, en compañía de Gordon Moore y andrew Rock, la empresa Intel en donde se dieron los primeros pasos para el desarrollo del microprocesador. Esta compañía empezó a vislumbrar un gran mercado en el área de las computadoras y su investigación se orientó hacia el reemplazo de los circuitos de memoria magnéticos con núcleo de ferrita, por circuitos de memória basados en semiconductores. La base técnica consistió en el uso de un simple flip-flop como elemento de memoria. Así se creó el primer circuito de memoria tipo RAM llamado el 1103, con una capacidad de 1024 Bits.
El diseño del microprocesador se inició en un grupo de trabajo de Intel dirigido por Ted Hoff, un brillante ingeniero egresado de la Universidad de Stanford. Todo empezó cuando Intel firmo un contrato con una compañía japonesa (Busicom Corporation) fabricante de calculadoras. Esta quería que se le fabricara un conjunto de circuitos integrados que reemplazan la gran cantidad de componentes que tenían las calculadoras de ese entonces.
Después de un largo trabajo, se llegó hasta lograr que todo el circuito fuera reemplazado por tres chips, pero estos resultaron ser de un tamaño mayor de acuerdo a los requerimientos. A Hoff se le ocurrío que debía agrupar toda la parte del proceso aritmético y lógico en un sólo circuito y el resto de la calculadora en los otros dos circuitos. Con la intervención de otro diseñador, Federico Faggin, el proyecto se llevó a cabo con todo éxito. A este circuito, de 2250 elementos integrados en un área dee 3 x 4 milímetros, se le llamó microprocesador. También se le dió el nombre de CPU (Central Processing Unit) o MPU (Micro Processing Unit).
Aunque este circuito tenía ya muchas de las características de una unidad central de proceso integrada, el primer microprocesador en un solo chip, fabricado como tal, fue el 4004 de Intel, diseñado para reemplazar grandes cantidades de circuitos integrados TTL. El 4004 era un chip muy sencillo que manipulaba datos de cuatro bits. Intel desarrolló muy pronto, en 1972, el 8008, el cual podía procesar datos de ocho bits, pero era muy lento.
Para remediar esto, Intel desarrolló un sustituto, el 8080, y posteriormente el 8085 compatible con el primero, con funciones adicionales y menos circuitos de soporte. Un equipo de diseñadores que antes había trabajado para Intel en el 8080 formó la Zilog Inc, y construyó el microprocesador Z-80, el cual incorporaba un conjuntode instrucciones más extensos que el 8080, aunque era compatible con este último. Este microporcesador ha sido uno de los más utilizados en el campo de control.
Por la misma época en que se presentaba al mercado el 8080, otra empresa de semiconductores, Motorola, desarrolló el 6800, un microprocesador de 8 bits con un diseño completamente distinto pero con iguales características. Motorola perfecionó el 6800 hacia el 6809, considerado como uno de los mejores procesadores de 8 bits de todas la épocas.
A pesar de sus excelentes características, el 6809 no tuvo el éxito comercial que se esperaba. Dicho éxito lo obtuvo otro derivado del 6800: el 6502, producido por MOS Technology. Con este microprocesador se fabrincaron las primeras computadoras personales como la PET de Commodorre y la Apple II de Apple Computer Inc.
A partir de ese momento, se estableció una guerra técnica y comercial, que aún subsiste, entre Intel y Motorola, la cual los a llevado a ser los dos grandes líderes indiscutibles del mercado de microprocesadores. Pero el desarrollo del microprocesador no se quedó ahí. A principios de la década de los 80 empezaron a apareceer los microprocesadores de 16 bits, mucho más potentes. El primero en salir al mercado fue el 8086 de Intel en 1978, el cual fue adoptado por la IBM para la fabricación de su famosa IBM PC. Lo siguieron de cerca el 68000, el 68020, el 68030 y el 68040 de Motorola. Con estos microprocesadores se inició en Apple una nueva familia de microcomputadores: la Macintosh. Luego, en un consorcio entre Apple, IBM y Motorola se desarrolló una nueva familia de microprocesadores: Los Power PC, los cuales se utilizan en las computadoras Apple e IBM actuales.
Por los lados de Intel se desarrollaron:
Eel 8088 utilizado en el IBM XT.
El 80286 utilizado para la IBM AT.
El 80386.
El 80486
Y los Pentium
Todos estos microprocesadores de Intel han sido utilizados para la fabricación de microcomputadoras de bajo costo llamadas Clones, lo que ha hecho que esta empresa siga siendo el mayor fabricante de microprocesadores en el mundo.
La siguiente generación fueron los Pentium II, Pentium III y actualmente los Pentium IV con los cuales se han logrado velocidades de procesamiento impresionantes y una enorme capacidad de memoria, lo que los hace apropiados para moverse sin problemas en entornos como la internet, el video, la multimedia, el procesamiento de datos y el trabajo en tiempo real.
http://www.youtube.com/watch?v=_ggfYGF3omI
Jack Kilby (1923-2005) inventó el circuito integrado en 1958, mientras trabajaba para Texas Instruments en EE.UU. Jack, que acababa de incorporarse como empleado, tuvo la idea de conectar varios componentes hechos del mismo material semiconductor en un solo circuito para reducir los costes de producción.
El 12 de septiembre de 1958 hizo la presentación de un prototipo de circuito integrado que generaba un señal sinusoidal; pocos seguramente en este momento se dieron cuenta de la revolución industrial que iba a desencadenar este invento. De hecho, el ser humano estaba a punto de entrar en la era del silicio que tanto iba a cambiar su vida cotidiana.
El éxito del circuito integrado o chip se debe a la miniaturización de los circuitos electrónicos y a la reducción de costes que permitió. Kilby, que obtuvo un premio Nobel de Física en 2000 por este invento y tenía más de 60 patentes cuando murió, es también el coinventor de la primera calculadora electrónica en 1967 que fue quizá el primer producto de gran consumo que utiliza un circuito integrado.
Un circuito integrado o chip es un componente electrónico que reproduce una o varias funciones electrónicas más o menos complejas en un volumen reducido, lo que permite su integración sencilla en equipos electrónicos. Hay muchos tipos distintos de circuitos integrados, tanto analógicos como numéricos. Se pueden mencionar por ejemplo los amplificadores, los circuitos de tratamiento de una señal, las memorias o los microprocesadores.
La mayoría de los equipos electrónicos de hoy no existirían sin este invento: los ordenadores, los teléfonos móviles, los reproductores de DVD, la cámaras digitales... Pero sin este invento tampoco habríamos empezado a explorar nuestro sistema solar, ni habríamos mejorado los diagnosticos médicos con los escáneres o los ecógrafos. Si bien los primeros circuitos integrados no contenían más de unos cientos de transistores, en 2006, los procesadores o los circuitos de las tarjetas gráficas pueden llegar a tener cientos de millones de transistores.
http://www.rtve.es/mediateca/videos/20091123/silicio-nuevos-materiales/634906.shtml
El transistor, aparecido de la mano de Bardeen y Brattain, de la Bell Telephone, en 1948, cuando se permitió aún una mayor miniaturización de aparatos tales como las radios. El transistor de unión apareció algo más tarde, en 1949. Este es el dispositivo utilizado actualmente para la mayoría de las aplicaciones de la electrónica. Sus ventajas respecto a las válvulas son entre otras: menor tamaño y fragilidad, mayor rendimiento energético, menores tensiones de alimentación, etc. El transistor no funciona en vacío como las válvulas, sino en un estado sólido semiconductor (silicio), razón por la que no necesita centenares de voltios de tensión para funcionar.
A pesar de la expansión de los semiconductores, todavía se siguen utilizando las válvulas en pequeños círculos audiófilos, porque constituyen uno de sus mitos[1] más extendidos.
El transistor tiene tres terminales (el emisor, la base y el colector) y se asemeja a un triodo: la base sería la rejilla de control, el emisor el cátodo, y el colector la placa. Polarizando adecuadamente estos tres terminales se consigue controlar una gran corriente de colector a partir de una pequeña corriente de base.
En 1958 se desarrolló el primer circuito integrado, que alojaba seis transistores en un único chip. En 1970 se desarrolló el primer microprocesador, Intel 4004. En la actualidad, los campos de desarrollo de la electrónica son tan vastos que se ha dividido en varias disciplinas especializadas. La mayor división es la que distingue la electrónica analógica de la electrónica digital.
http://www.youtube.com/watch?v=_E3m8nD-h-0&NR=1
Este dispositivo es básicamente como el diodo de vacío, pero se le añadió una rejilla de control situada entre el cátodo y la placa, con el objeto de modificar la nube electrónica del cátodo, variando así la corriente de placa. Este fue un paso muy importante para la fabricación de los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio, televisores, etc.
Conforme pasaba el tiempo, las válvulas de vacío se fueron perfeccionando y mejorando, apareciendo otros tipos, como los tetrodos (válvulas de cuatro electrodos), los pentodos (cinco electrodos), otras válvulas para aplicaciones de alta potencia, etc. Dentro de los perfeccionamientos de las válvulas se encontraba su miniaturización.
http://www.youtube.com/watch?v=INGZ-9tt9d8&feature=mfu_in_order&list=UL
El funcionamiento de este dispositivo está basado en el efecto Edison. Edison fue el primero que observó en 1883 la emisión termoiónica, al colocar una lámina dentro de una bombilla para evitar el ennegrecimiento que producía en la ampolla de vidrio el filamento de carbón. Cuando se polarizaba positivamente la lámina metálica respecto al filamento, se producía una pequeña corriente entre el filamento y la lámina. Este hecho se producía porque los electrones de los átomos del filamento, al recibir una gran cantidad de energía en forma de calor, escapaban de la atracción del núcleo (emisión termoiónica) y, atravesando el espacio vacío dentro de la bombilla, eran atraídos por la polaridad positiva de la lámina.
http://www.youtube.com/watch?v=b8VdwvtO3rk&feature=related
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