Publicado: 4 de junio de 2024
Colaboradores: Josh Schneider, Ian Smalley
Una unidad microcontroladora (MCU) es esencialmente un pequeño ordenador en un solo chip. Está diseñado para gestionar tareas específicas dentro de un sistema integrado sin necesidad de un sistema operativo complejo.
Estos circuitos integrados (CI) compactos contienen un núcleo (o núcleos) de procesador, una memoria de acceso aleatorio (RAM) y una memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM) para almacenar los programas personalizados que se ejecutan en el microcontrolador, incluso cuando la unidad está desconectada de una fuente de alimentación.
A diferencia de los microprocesadores de propósito general, los microcontroladores integran procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida (E/S), incluidos temporizadores, contadores y convertidores analógico-digitales (ADC), en una unidad autónoma eficiente y rentable. Al combinar varios componentes en un solo sistema, los microcontroladores son adecuados para aplicaciones que requieren procesamiento de señales en tiempo real, como controlar motores y servos e interactuar con varios tipos de sensores y comunicaciones.
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Los siguientes son componentes clave de un microcontrolador:
- Unidad central de procesamiento (CPU): coloquialmente conocida como el "cerebro" del ordenador, la CPU sirve como el componente central responsable de ejecutar instrucciones y controlar las operaciones.
- Memoria: los microcontroladores contienen memoria volátil (RAM), que, a diferencia de la memoria de programa, almacena datos temporales que pueden perderse si el sistema pierde energía, y memoria flash no volátil para almacenar el conjunto de instrucciones de programación del microcontrolador (firmware).
- Periféricos: dependiendo de la aplicación prevista, un microcontrolador puede contener varios componentes auxiliares, como interfaces de entrada/salida (E/S), incluidos temporizadores, contadores, convertidores de señal (ADC) de analógico a digital (ADC) y de digital a analógico (DAC), y protocolos de comunicación (UART, SPI, I2C). Los auxiliares también pueden incluir componentes como pantallas LCD, puertos de conectividad Ethernet o interfaces para este tipo de módulos.
Los microcontroladores son ideales para la electrónica de consumo a pilas, como teléfonos inteligentes, relojes inteligentes y otros dispositivos portátiles, porque son ligeros, pequeños y requieren comparativamente poca energía.
Los microcontroladores de bajo coste y las placas de desarrollo de microcontroladores, como los de Arduino y Adafruit, son los favoritos de los aficionados al código abierto y pueden configurarse fácilmente en un entorno de desarrollo integrado (IDE) con lenguajes de programación comunes como C, C++ y Python. Aunque son fácilmente accesibles incluso para los desarrolladores principiantes, los microcontroladores también se utilizan con frecuencia para controlar sistemas en una amplia gama de aplicaciones profesionales, como la creación de prototipos, la robótica, los sistemas de automoción, la automatización industrial y las aplicaciones del Internet de las cosas (IoT).
Los microcontroladores y los microprocesadores comparten muchas similitudes. Ambos pueden describirse como procesadores de un solo chip capaces de ejecutar lógica computacional, y ambos son muy valiosos en el desarrollo y la proliferación de la tecnología informática general. Sin embargo, los dos componentes difieren tanto en la arquitectura de hardware como en la aplicación.
La característica definitoria de un microcontrolador es la combinación de todos los elementos informáticos necesarios en un solo chip: los microcontroladores no requieren ningún circuito externo adicional para funcionar. Por el contrario, los microprocesadores constan de una CPU y varios chips de apoyo que proporcionan memoria, interfaz serie, E/S y otras funciones necesarias.
Aunque los términos microprocesador y CPU se utilizan a veces indistintamente, es más exacto describir los semiconductores microprocesadores como circuitos integrados individuales que contienen una CPU y pueden conectarse a otros auxiliares externos, como dispositivos de entrada/salida.
La principal diferencia entre estos dos tipos de microchips es que los microcontroladores son autónomos, mientras que los microprocesadores están diseñados para interactuar con auxiliares externos.
Como resultado, las tareas generalizadas y exigentes que podrían requerir hardware especializado con mayor potencia de procesamiento son más adecuadas para los microprocesadores. Las tareas específicas dentro de los sistemas integrados, como el control de sensores o motores, son buenos ejemplos de aplicaciones de microcontroladores adecuadas.
Al comparar microcontroladores y microprocesadores, es útil tener en cuenta cuatro características clave:
- Integraciones:
- Los microcontroladores integran la CPU, la memoria y los auxiliares de E/S en un solo chip.
- Los microprocesadores requieren memoria externa y auxiliares adicionales.
- Aplicaciones:
- Los microcontroladores son más adecuados para aplicaciones específicas de baja o ultra baja potencia dentro de sistemas integrados, como electrodomésticos o dispositivos IoT.
- Los microprocesadores son más adecuados para aplicaciones de uso general y de alto rendimiento que requieren más potencia de procesamiento, como los ordenadores personales o los servidores de los centros de datos.
- Rendimiento:
- Los microcontroladores están optimizados para la eficiencia y el procesamiento en tiempo real y funcionan a velocidades de reloj más bajas de hasta 200 MHz.
- Los microprocesadores están diseñados para cálculos más exigentes y complicados y pueden funcionar a velocidades de reloj superiores a 1 GHz.
- Costes operativos:
- El hardware de los microcontroladores es económico y, como no requieren conocimientos especializados de programación, añaden poco a los presupuestos generales del proyecto.
- Los microprocesadores son más caros y complejos. La configuración de un sistema avanzado basado en microprocesadores puede requerir conocimientos especializados.
Los primeros tipos de microcontroladores surgieron de los avances en la fabricación de microprocesadores, cuando los investigadores desarrollaron técnicas para integrar la CPU, la memoria y los componentes periféricos en un solo chip.
A los ingenieros de Texas Instruments, Gary Boone y Michael Cochran, se les atribuye la creación del primer microcontrolador en 1971. Fabricantes como Intel y varios proveedores japoneses de electrónica no tardaron en seguirles.
Hoy en día, docenas de fabricantes de microcontroladores diferentes, como Intel, NXP y Arm, ofrecen cientos de variedades, que van desde opciones de uso general para aficionados y aficionados hasta soluciones altamente especializadas para tecnólogos profesionales y todo tipo de industrias.
Estos son algunos de los tipos más comunes de microcontroladores:
El tipo más básico de microcontrolador, con memoria y procesamiento limitados y utilizado normalmente en pequeños aparatos como juguetes y mandos a distancia.
Con el doble de capacidad que los modelos de 8 bits, los microcontroladores de 16 bits se utilizan para aplicaciones más complejas, como dispositivos médicos, sistemas de automoción y sistemas de control industrial.
Son los microcontroladores más potentes y con más funciones, y se utilizan para aplicaciones exigentes, como consolas de videojuegos, dispositivos de entretenimiento y automatización industrial de gama alta.
Los microcontroladores RISC incorporan una arquitectura de diseño que simplifica y mejora las operaciones ejecutando menos instrucciones de cálculo más rápido que otras metodologías, como la arquitectura de ordenador de conjunto de instrucciones complejas (CISC).
Anteriormente acrónimo de Advanced RISC Machines, este tipo de microcontroladores incorpora la arquitectura ARM, incluido el moderno subconjunto ARM Cortex, que refuerza el rendimiento y la fiabilidad. Los microcontroladores ARM se utilizan ampliamente en dispositivos móviles, sistemas de automoción y sistemas de control industrial.
Desarrollado por Microchip Technology, el microcontrolador PIC es el más pequeño del mundo y se utiliza con frecuencia en robótica, automatización doméstica e industrial y sistemas de energías renovables.
Comúnmente utilizados en aplicaciones que requieren procesamiento de señales digitales, procesamiento de video y redes de alta velocidad, estos microcontroladores utilizan matrices de puertas programables en campo (FPGA), que se pueden configurar y reconfigurar a nivel de hardware, para lograr resultados de procesamiento altamente versátiles y personalizables.
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Una unidad central de procesamiento (CPU) es el componente funcional principal de un ordenador. Es una pieza de circuitos electrónicos que ejecuta el sistema operativo y las aplicaciones de un ordenador y gestiona otras muchas operaciones informáticas.
El almacenamiento de datos se refiere a los soportes magnéticos, ópticos o mecánicos que registran y conservan la información digital para operaciones en curso o futuras.
Una matriz de puertas programables en campo (FPGA) es un tipo versátil de circuito integrado diseñado para ser programable a nivel de hardware y adaptarse a distintos fines, como la informática de alto rendimiento (HPC) y la creación de prototipos.
Las matrices de puertas programables en campo (FPGA) y las unidades de microcontroladores (MCU) son dos tipos de circuitos integrados (CI) comúnmente comparados que suelen utilizarse en sistemas empotrados y diseño digital.
La CPU es el cerebro del ordenador y los diferentes tipos se definen según el procesador o microprocesador que los impulsa.
La supercomputación es una forma de computación de alto rendimiento que determina o calcula utilizando un potente ordenador, un superordenador, lo que reduce el tiempo total hasta la solución.