Microcontroladores frente a microprocesadores: ¿cuál es la diferencia?

Las unidades de microcontrolador (MCU) y las unidades de microprocesador (MPU) son dos tipos de circuitos integrados que, si bien son similares en ciertos aspectos, son muy diferentes en muchos otros. Al reemplazar las anticuadas unidades centrales de procesamiento (CPU) de múltiples componentes por unidades lógicas separadas, estos procesadores de un solo chip son extremadamente valiosos para el desarrollo continuo de la tecnología informática. Sin embargo, los microcontroladores y microprocesadores difieren significativamente en la estructura de los componentes, la arquitectura del chip, las capacidades de rendimiento y la aplicación.

La diferencia clave entre estas dos unidades es que los microcontroladores combinan todos los elementos necesarios de un sistema de microcomputadoras en una sola pieza de hardware. Los microcontroladores no requieren periféricos adicionales ni sistemas operativos complejos para funcionar, mientras que los microprocesadores sí. Ambos circuitos contienen CPU; sin embargo, los microcontroladores también integran memoria, componentes de entrada/salida (E/S) y otros periféricos variados.

Los microcontroladores rentables, de tamaño pequeño y bajo consumo están optimizados para la funcionalidad integral. Como resultado, estas unidades se emplean mejor para aplicaciones específicas, como sistemas de infoentretenimiento automotriz y dispositivos de Internet de las cosas (IoT).

Por el contrario, los microprocesadores de uso general suelen ser más poderosos y están diseñados para ser compatibles con hardware especializado para aumentar el rendimiento en aplicaciones exigentes como la informática personal y el procesamiento de gráficos.

A nivel de hardware, los microprocesadores se basan en la arquitectura "tradicional" de von Neumann. Consiste en una CPU con una unidad aritmética lógica (ALU) y registros de procesador (pequeñas cantidades de almacenamiento de memoria rápida para acceso rápido a datos), una unidad de control, memoria para datos e instrucciones, memoria externa para almacenamiento masivo y E/S. mecanismos. Esta metodología emplea el mismo conjunto de cables de interconexión (conocidos como bus) para transmitir instrucciones y realizar operaciones. Los microprocesadores no pueden realizar estas acciones simultáneamente, pero los dispositivos modernos emplean varias técnicas de mitigación para evitar cuellos de botella de datos.

Por otro lado, los microcontroladores emplean la arquitectura Harvard más compleja, que tiene un conjunto dedicado de buses de datos y buses de direcciones para leer y escribir datos en la memoria, y otro conjunto para obtener instrucciones para realizar operaciones. Dado que la CPU puede leer una instrucción y acceder a la memoria de datos al mismo tiempo, la arquitectura Harvard puede realizar operaciones básicas más rápido.

La arquitectura Harvard destaca en tareas informáticas de alta velocidad y en tiempo real. Sin embargo, el espacio de memoria unificado de datos e instrucciones de la arquitectura von Neumann simplificada da como resultado una confiabilidad y escalabilidad mejoradas. Por esta razón, los microprocesadores basados en von Neumann son los preferidos para tareas más exigentes, como la computación de alto rendimiento (HPC) y los juegos, mientras que los microcontroladores se emplean normalmente para manejar el procesamiento rápido de señales.

Esencialmente, un microcontrolador es una pequeña computadora en un solo chip, que contiene un núcleo (o núcleos) de procesador, memoria operativa (RAM) y memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM) para la memoria de programa. Optimizadas para funcionar como unidades independientes, las integraciones de microcontroladores mejoran el procesamiento de señales en tiempo real y hacen que estas unidades compactas sean ideales para controlar tareas o tareas específicas dentro de sistemas integrados.

Componentes clave de un microcontrolador

• Unidad central de procesamiento (CPU): coloquialmente conocida como el "cerebro" de la computadora, la CPU es responsable de ejecutar instrucciones y controlar operaciones.
• Memoria: los microcontroladores contienen tanto memoria volátil (RAM), que almacena datos temporales que pueden perder si el sistema pierde alimentación, como memoria flash no volátil (ROM) para almacenar el código de programación del microcontrolador.
• Periféricos: Dependiendo de la aplicación prevista, un microcontrolador puede contener varios componentes periféricos, como interfaces de E/S, temporizadores, contadores, convertidores de analógico a digital (ADC) y protocolos de comunicación (UART, SPI, I2C).

Ligeros, pequeños y que requieren una potencia comparativamente baja, los microcontroladores son ideales para dispositivos electrónicos que funcionan con baterías como teléfonos inteligentes, relojes inteligentes y otros wearables. También son un favorito entre los aficionados. Los microcontroladores programables de nivel de consumo, como los fabricados por Arduino o la Raspberry Pi, se pueden configurar fácilmente en lenguajes de programación como C, C ++ y Python, comúnmente utilizados en los sistemas operativos Windows, Linux y macOS. Si bien son accesibles incluso para desarrolladores principiantes, los microcontroladores también se aplican con frecuencia en una amplia gama de casos de uso profesional e industrial, incluida la automatización industrial, los sistemas de seguridad en el transporte y la creación de prototipos.

Tipos de microcontroladores y casos de uso 

Respondiendo a una solicitud de chip personalizado de un fabricante japonés de calculadoras, a los ingenieros de Texas Instruments Gary Boone y Michael Cochran se les atribuye la creación del primer microcontrolador en 1971. Un gran avance en la tecnología de circuitos, los años siguientes han producido innumerables mejoras e iteraciones de fabricantes como Intel, NXP y Arm.

Los siguientes son algunos de los tipos más comunes de microcontroladores:

• Microcontroladores de 8 bits: el tipo más básico de microcontrolador presenta procesamiento y memoria limitados y generalmente se usa en pequeños electrodomésticos, como juguetes y controles remotos.
• Microcontroladores de 16 bits: Con el doble de capacidad que los modelos de 8 bits, los microcontroladores de 16 bits se emplean para aplicaciones más complejas, como dispositivos médicos, sistemas de automoción y sistemas de control industrial.
• Microcontroladores de 32 bits: es el tipo de microcontroladores más poderoso y rico en funciones, y se emplea para aplicaciones exigentes, como consolas de juegos, dispositivos de entretenimiento y automatización industrial de alta gama.
• Microcontroladores de computadora de conjunto de instrucciones reducido (RISC): Los microcontroladores RISC incorporan una arquitectura de diseño que simplifica y mejora las operaciones al ejecutar menos instrucciones de cálculo más rápido que otras metodologías, como la arquitectura de computadora de conjunto de instrucciones complejas (CISC).
• Controladores ARM: Anteriormente un acrónimo de Advanced RISC Machines, estos tipos de microcontroladores incorporan la arquitectura ARM, incluido el moderno subconjunto Arm Cortex, que refuerzan el rendimiento y la confiabilidad. Los microcontroladores Arm se emplean ampliamente en dispositivos móviles, sistemas automotrices y sistemas de control industrial.
• Microcontroladores PIC: desarrollado por Microchip Technology, el microcontrolador PIC es el microcontrolador más pequeño del mundo, y se encuentra con frecuencia en robótica, automatización doméstica e industrial y sistemas de energía renovable.
• Microcontroladores basados en FPGA: comúnmente empleados en aplicaciones que requieren procesamiento de señales digitales, procesamiento de video y redes de alta velocidad, estos microcontroladores emplean chips personalizables llamados matrices de puertas programables en campo (FPGA), que se pueden configurar y reconfigurar a nivel de hardware para crear soluciones de hardware para requisitos de procesamiento exigentes.

Los microprocesadores son el tipo predominante de procesador de computadora, integrando todos los componentes necesarios de una CPU en un solo circuito. Las MPU combinan las unidades aritméticas, lógicas y de control de los sistemas informáticos de CPU anticuados en una única pieza de hardware multipropósito, controlada por reloj y basada en registros. Este diseño integrado mejora la confiabilidad al reducir los posibles puntos de falla. Si bien los microprocesadores no contienen memoria de programa en chip, están optimizados para un uso general exigente y diseñados para admitir periféricos informáticos especializados.

Componentes clave de un microprocesador

Los microprocesadores modernos combinan millones de pequeños transistores, resistencias y diodos ensamblados en un material semiconductor para crear los componentes clave de una CPU. 

• Unidad lógica aritmética (ALU): La unidad lógica principal de la CPU, este componente ejecuta operaciones lógicas incluyendo cálculos matemáticos y comparaciones de datos. 
• Unidad de control (CU): el circuito CU interpreta las instrucciones e inicia su ejecución, dirigiendo las operaciones básicas del procesador. 
• Registros: Almacenamiento de memoria pequeño y rápido empleado por una CPU para almacenar temporalmente datos e instrucciones durante los procesos computacionales. 
• Memoria caché: los microprocesadores y las CPU emplean memoria caché, una forma de memoria de alta velocidad ubicada cerca de la CPU, para almacenar datos a los que se accede con frecuencia para acelerar el rendimiento. 
• Núcleos del procesador: Las unidades de procesamiento individuales dentro de los microprocesadores se conocen como núcleos. Los procesadores modernos frecuentemente incorporan múltiples núcleos (doble núcleo, cuádruple núcleo), lo que permite el procesamiento paralelo al posibilitar la realización de múltiples tareas simultáneamente.   
• Módulos de E/S: los componentes de E/S de un microprocesador son críticos para gestionar el flujo de datos hacia y desde la CPU, incluyendo cualquier periférico informático adicional, incluidos los periféricos de red como puertos ethernet o unidades WiFi.

Tipos de microprocesadores y casos de uso 

Los microprocesadores versátiles se pueden encontrar en una amplia variedad de aplicaciones, mientras que las unidades especializadas se emplean comúnmente para tareas específicas que requieren procesamiento de alta potencia. Los siguientes son algunos de los principales tipos de microprocesadores, que varían en potencia, rendimiento, tamaño, consumo de energía y muchos otros aspectos:

• Microprocesadores de uso general: estos microprocesadores versátiles se encuentran en una amplia gama de aplicaciones y dispositivos comunes, como computadoras portátiles y servidores.
• Procesadores de señales digitales (DSP): los DSP están especializados para cálculos numéricos de alta velocidad y, a menudo, se emplean para tareas exigentes como procesamiento de audio, telecomunicaciones y procesamiento de imágenes. Pueden encontrarse también en aplicaciones que requieren la interpretación de señales analógicas a digitales, como los sensores meteorológicos. Los DSP se emplean habitualmente en aplicaciones militares como drones de vigilancia y otras aeronaves autónomas.
• Circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC): los microprocesadores ASIC están diseñados para tareas específicas y se personalizan para satisfacer las demandas específicas de diversas aplicaciones. Algunos ejemplos de microprocesadores ASIC incluyen chips personalizados para consolas de juegos o minería de criptomonedas. Los DSP, las GPU y otros tipos de microprocesadores especializados también son técnicamente ASIC, asimismo.
• Unidades de procesamiento de gráficos (GPU): los microprocesadoresGPU están especialmente diseñados para la exigente tarea de renderizar video digital y gráficos que requieren un rendimiento de alta potencia y procesamiento paralelo. De vital importancia para los juegos de alto nivel, los potentes microprocesadores GPU también se utilizan con frecuencia en la minería de criptomonedas y son conocidos por su alto consumo de energía.
• Procesadores de red: Un tipo de microprocesador ASIC específicamente optimizado para procesar paquetes de datos de red empleados con mayor frecuencia en conmutadores de telecomunicaciones, enrutadores y dispositivos de seguridad de red.
• Coprocesadores: Los coprocesadores, como las unidades de punto flotante (FPU), están diseñados para proporcionar soporte auxiliar a la CPU principal de un sistema para aumentar el rendimiento durante ciertas tareas exigentes, como realizar cálculos científicos avanzados o fórmulas matemáticas complicadas.

Los microcontroladores y microprocesadores son capaces de realizar algunas de las mismas tareas. Sin embargo, dependiendo de los requisitos de la aplicación, cada uno tiene sus propias fortalezas y debilidades. Las características integradas de un microcontrolador, incluidos los modos de ahorro de energía para un bajo consumo de energía, lo hacen ideal para la mayoría de los sistemas integrados.

Sin embargo, en circunstancias que requieren cálculos complejos o una mayor potencia de procesamiento, los microprocesadores son una mejor opción, pero el rendimiento y la flexibilidad adicionales se producen a costa de un mayor consumo de energía y un precio más alto. Estas características hacen que los microprocesadores sean una opción para las computadoras personales y las supercomputadoras industriales.

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