Deduccin del comportamiento de componentes electrnicos microprocesadores bsicos Interpretacin de Documentacin Tcnica

El microprocesadorEl microprocesador es un circuito integrado digital que puede programarse con una serie de instrucciones, para realizar funciones especficas con los datos. Cuando un microprocesador se conecta a un dispositivo de memoria y se provee de dispositivos de entrada salida, pasa a ser un sistema microprocesador.

ELEMENTOS BSICOS DE UN SISTEMA MICROPROCESADORExisten tres bloques funcionales bsicos: CPU, memoria y puertos.

Los tres se encuentran conectados mediante buses.

Los dispositivos de entrada y salida se conectan mediante puertos.

Un puerto es una interfaz fsica de una computadora a travs del la cual pasan los datos haca y desde los perifricos.

Los programas son un conjunto de instrucciones que entiende la CPU y que se ejecutan para resolver un problema especfico. El programa se almacena en memoria.

Cada posicin de memoria tiene asignada una direccin exclusiva.

Las instrucciones son ledas por la CPU a travs del bus de datos cuando sta las solicita.

La CPU las interpreta, y las ejecuta secuencialmente. Con frecuencia las instrucciones vienen acompaadas de datos o direcciones, con objeto de modificarlos.

La CPU genera seales de control para coordinar las transacciones.

Cada posicin de memoria tiene asignada una direccin exclusiva.

Las instrucciones son ledas por la CPU a travs del bus de datos cuando sta las solicita.

La CPU las interpreta, y las ejecuta secuencialmente. Con frecuencia las instrucciones vienen acompaadas de datos o direcciones, con objeto de modificarlos.

La CPU genera seales de control para coordinar las transacciones

ELEMENTOS BSICOS DE UN SISTEMA MICROPROCESADOR

Unidad central de proceso (CPU) (I). Unidades funcionalesEs un circuito de gran escala de integracin que contiene la CPU completa de una computadora en un nico circuito integrado. Los microprocesadores contienen diversas unidades funcionales que realizan trabajos especficos. El modo de relacionarse entre ellas establece la arquitectura interna del P, el conjunto deinstrucciones disponibles y el modo de ejecutarse cada una de ellas.

Algunos Microprocesadores.1971: El Intel 4004

1975. Motorola 6800

1976: El Z80

1978: Los Intel 8086 y 8088

1989: El Intel 80486

1995: EL Intel Pentium Pro

1997: El Intel Pentium II

1999: El Intel Pentium III

2006: EL Intel Core Duo

2011: El AMD Fusn

MicrocontroladoresUn microcontrolador es un circuito integrado que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y perifricos de entrada y salida.

CaracteristicasSon diseados para reducir el costo econmico y el consumo de energa de un sistema en particular. Por eso el tamao de la unidad central de procesamiento, la cantidad de memoria y los perifricos incluidos dependern de la aplicacin.

El control de un electrodomstico sencillo como una batidora utilizar un procesador muy pequeo (4 u 8 bits) porque sustituir a un autmata finito. En cambio, un reproductor de msica y/o vdeo digital (mp3 o mp4) requerir de un procesador de 32 bits o de 64 bits y de uno o ms Cdecs de seal digital (audio y/o vdeo). El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se basa normalmente en un microcontrolador de 16 bits, al igual que el sistema de control electrnico del motor en un automvil.

Los microcontroladores representan la inmensa mayora de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50 % son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs ms especializados.

Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propsito general en casa (Ud. est usando uno para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomsticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrnico como automviles, lavadoras, hornos microondas, telfonos, etc

Las principales caractersticas de los C son:Unidad de Procesamiento Central (CPU): Tpicamente de 8 bits, pero tambin las hay de 4, 32 y hasta 64 bits con arquitectura Harvard, con memoria/bus de datos separada de la memoria/bus de instrucciones de programa, o arquitectura de von Neumann,mtambin llamada arquitectura Princeton, con memoria/bus de datos y memoria/bus de programa compartidas.

Memoria de Programa: Es una memoria ROM (Read-Only Memory), EPROM (Electrically Programable ROM), EEPROM (Electrically Erasable/Programable ROM) o Flash que almacena el cdigo del programa que tpicamente puede ser de 1 kilo byte a varios megabytes.

Memoria de Datos: Es una memoria RAM (Random Access Memory) que tpicamente puede ser de 1, 2 4, 8, 16, 32 kilobytes.

Generador del Reloj: Usualmente un cristal de cuarzo de frecuencias que genera una seal oscilatoria de entre 1 a 40 MHz, o tambin resonadores o circuitos RC.

Interfaz de Entrada/Salida: Puertos paralelos, seriales (UARTs, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), I2C (Inter-Integrated Circuit), Interfaces de Perifricos

PIC16F84 El PIC16F84 es un microcontrolador de la familia PIC, fabricada por la empresa Microchip

consta deMemoria Flash de programa (1K x 14).Memoria EEPROM de datos (64 x 8).Memoria RAM (68 registros x 8).Un temporizador/contador (timer de 8 bits).Un divisor de frecuencia.Varios puertos de entrada-salida (13 pines en dos puertos, 5 pines el puerto A y 8 pines el puerto B).

Otras caractersticas son:

Manejo de interrupciones (de 4 fuentes).Perro guardin (watchdog).Bajo consumo.Frecuencia de reloj externa mxima 10MHz. (Hasta 20MHz en nuevas versiones). La frecuencia de reloj interna es un cuarto de la externa, lo que significa que con un reloj de 20Mhz, el reloj interno sera de 5Mhz y as pues se ejecutan 5 Millones de Instrucciones por Segundo (5 MIPS)No posee conversores analgicos-digital ni digital-analgicos.Pipe-line de 2 etapas, 1 para bsqueda de instruccin y otra para la ejecucin de la instruccin (los saltos ocupan un ciclo ms).Repertorio de instrucciones reducido (RISC), con tan solo 30 instrucciones distintas.4 tipos distintos de instrucciones, orientadas a byte, orientadas a bit, operacin entre registros, de salto

LOS PLD?

Los PLD son dispositivos digitales que se pueden configurar por el usuario para implementar una amplia variedad de funciones lgicas en sistemas. Estos dispositivos tienen pines de entrada, un arreglo lgico programable y pines de entrada y salida. Muchos PLD's tienen salidas programables que incrementan su flexibilidad hacindolos tiles para una gran variedad de aplicaciones

Clases de PLDsCircuitos integrados a medida Matrices de puertas Clulas normalizadas FPICs

Clases de PLDsCircuitos integrados a medida Matrices de puertas Clulas normalizadas FPICs

Circuitos integrados a medida Los Circuitos Integrados a Medida (Full Custom), se disean a peticin de un cliente para que resuelvan una determinada aplicacin. Conllevan un alto coste de desarrollo y su empleo slo se justifica para volmenes de produccin muy elevados. El tiempo necesario para la construccin de un CI a medida es considerable ya que puede oscilar de unos meses a unos aos

Matrices de puertas Las Matrices de puertas (Gate Arrays) son pequeos trozos de silicio pendientes de algn proceso de metalizacin que defina las conexiones entre un importante nmero de puertas o transistores que poseen en su interior. Las matrices de puertas proporcionan densidades superiores a las 100.000 puertas, con un aprovechamiento del 80 al 90 por 100 para los dispositivos pequeos y del 40 por 100 para los grandes.

Matrices de puertasLos fabricantes de silicio ponen a disposicin de sus potenciales clientes abundante documentacin sobre estos Gate Arrays, con una serie de macros que pueden utilizar de forma inmediata y otras que pueden construirse ellos mismos. Los macros son agrupaciones de un nmero de clulas bsicas que realizan funciones comunes como; sumadores; puertas NOT, AND, NAND, NOR XOR, etc; latches y flip-flops S-R, J-K, D; buffer; osciladores; registros, decodificadores, multiplexores, etc.

Matrices de puertasJunto a esta documentacin, los fabricantes aportan un software que contabiliza el nmero de clulas bsicas utilizadas por todas las macros, sugiere el Gate Array adecuado para la aplicacin, calcula la potencia disipada por el Gate Array que alojar el diseo del cliente, proporciona informacin sobre los tiempos de propagacin de las seales y permite verificar el funcionamiento del circuito.

Matrices de puertasUna vez superadas todas las etapas previas, el cliente enva la documentacin generada al fabricante para que ste ultime los procesos de metalizacin y fabrique un primer prototipo. El diseo con Gate Arrays puede durar semanas o meses. Requiere un volumen alto de circuitos para justificar sus costes

Clulas normalizadas Las clulas normalizadas (Standard Cell) son, en cierta forma, similares a las matrices de puertas. Su principal ventaja sobre ellas es que en lugar de trabajar con simples puertas o transistores, se dispone de colecciones de diferentes partes de circuitos que han sido depurados (puertas lgicas, circuitos MSI, RAM estticas, ficheros de registro, etctera).

Clulas normalizadasEl usuario tiene que ensamblar estos circuitos, verificarlos y finalmente enviar documentacin al fabricante de silicio para el desarrollo del primer prototipo. A pesar del concepto de clula normalizada, los perodos y los costes de desarrollo son superiores a los de las matrices de puertas.

Clulas normalizadasEn las matrices de puertas slo hay que realizar la mscara final que define las conexiones entre las puertas, mientras que en las clulas normalizadas, hay que realizar mscaras para todos los procesos de produccin de los CI. Una vez ms, el volumen de fabricacin deber ser los suficientemente alto como para amortizar la inversin econmica realizada en el desarrollo

FPICs Los FPICs (Field Programmable Integrated Circuits): son chips programables por el usuario mediante programadores comerciales. El trmino FPIC tambin incluye a los CI no destinados a las aplicaciones lgicas. Son las memorias, los microcontroladores, los PLD (Programmable Logic Device), las FPGA (Field Programmable Gate Array) y los ASPLD (Aplication Specific Programmable Logic Devices).

FPICsLos FPIC ofrecen soluciones de bajo coste, de tiempo de desarrollo corto y con menor riesgo que los circuitos a medida, las matrices de puertas y las clulas normalizadas.Los FPICs pueden ser:PLDs ASPLDs FPGAs

PLDs Los PLDs (Programmable Logic Devices) son pequeas ASICs(Application Specific Integrated Circuit)) configurables por el usuario capaces de realizar una determinada funcin lgica. La mayora de los PLD consisten en una matriz de puertas AND seguida de otra matriz de puertas OR. Mediante esta estructura, puede realizarse cualquier funcin como suma de trminos productos.

PLDsAunque las memorias PROM, EPROM y EEPROM son PLDs, muchas veces se las excluye de esta denominacin debido a que su contenido se define utilizando elementos de desarrollo propios de microprocesadores, tales como; ensambladores, emuladores y lenguajes de programacin de alto nivel. Otras veces, cuando estas memorias se usan para realizar una funcin lgica y no para guardar un programa de un microprocesador, se las incluye dentro del trmino PLD.

MemoriasEn informtica, la memoria (tambin llamada almacenamiento) se refiere a parte de los componentes que forman parte de una computadora. Son dispositivos que retienen datos informticos durante algn intervalo de tiempo. Las memorias de computadora proporcionan una de las principales funciones de la computacin moderna, la retencin o almacenamiento de informacin

Caractersticas de las memoriasTiempo de escritura / lectura.Cadencia de transferencia.Densidad de informacin.Volatilidad.Capacidad

Tiempo de escritura - lecturaEl tiempo de escritura es el que el dispositivo emplea para registrar la informacin desde el momento en que se presenta en su entrada. El tiempo de lectura es el que transcurre desde la aplicacin de la orden de lectura hasta que la informacin aparece en la salida.

CadenciaLa cadencia est relacionada con los tiempos anteriores(lectura Escritura), ya que se define como la velocidad a la cual la memoria emite o recibe informacin de lectura o escritura

Densidad de InformacinLa densidad de informacin est relacionada con la escala de integracin. Es el nmero de datos que puede almacenar por unidad de espacio fsico.

VolatilidadLa volatilidad de una memoria consiste en la prdida de los datos almacenados, bien por las caractersticas de los elementos que la constituyen, bien por la falta de alimentacin elctrica

Capacidadcapacidad total de una memoria: Se llama capacidad total al nmero de bits que una memoria puede almacenar Nmero total de posiciones disponibles (direccionar)

DireccionarTomar una delas n posiciones de memoria14 lineas de direccin significa una memoria de 214 = 16.384 16K12 lneas de direccin significan 212 = 4096 = 4K

RAM esttica o SRAM

El almacenamiento en RAM esttica se basa en circuitos lgicos denominados flip-flop, que retienen la informacin almacenada en ellos mientras haya energa suficiente para hacer funcionar el dispositivo (ya sean segundos, minutos, horas, o an dias).

RAM esttica o SRAMUn chip de RAM esttica puede almacenar tan slo una cuarta parte de la informacin que puede almacenar un chip de RAM dinmica de la misma complejidad, La RAM esttica no requiere ser actualizada y es normalmente mucho ms rpida que la RAM dinmica (el tiempo de ciclo de la SRAM es de 8 a 16 veces ms rpido que las SRAM). Es ms cara, por lo que se reserva generalmente para su uso en la memoria de acceso aleatorio(cach).

PLC'sLos controladores lgicos programables o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en ingls) son dispositivos electrnicos muy usados en automatizacin industrial

PLC'sHoy en da, los PLC's no slo controlan la lgica de funcionamiento de mquinas, plantas y procesos industriales, sino que tambin pueden realizar operaciones aritmticas, manejar seales analgicas para realizar estrategias de control, tales como controladores PID (Proporcional Integral y Derivativo).

UsosComo su mismo nombre lo indica, se ha diseado para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales.

Los PLC sirven para realizar automatismos, se puede ingresar un programa en su disco de almacenamiento, y con un microprocesador integrado, corre el programa, se tiene que saber que hay infinidades de tipos de PLC, los cuales tienen diferentes propiedades, que ayudan a facilitar ciertas tareas para las cuales se los disean.

Funciones

Para que un PLC logre cumplir con su funcin de controlar, es necesario programarlo con cierta informacin acerca de los procesos que se quiere secuenciar. Esta informacin es recibida por captadores, que gracias al programa lgico interno, logran implementarla a travs de los accionadores de la instalacin.

Un PLC es un equipo comnmente utilizado en maquinarias industriales de fabricacin de plstico, en mquinas de embalajes, entre otras; en fin, son posibles de encontrar en todas aquellas maquinarias que necesitan controlar procesos secuenciales, as como tambin, en aquellas que realizan maniobras de instalacin, sealizacin y control.

Dentro de las funciones que un PLC puede cumplir se encuentran operaciones como las de deteccin y de mando, en las que se elaboran y envan datos de accin a los pre-accionadores y accionadores. Adems cumplen la importante funcin de programacin, pudiendo introducir, crear y modificar las aplicaciones del programa

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