Trabajo Final

Microcontroladores.

Un futuro al alcance de nuestras Manos.

Escrito por: Juan Pablo Duque Ordoñez

Estudiante del programa de Ingeniería Electrónica

Universidad del Quindío

Duque93@hotmail.es

Armenia, Quindío, 24 de Mayo de 2011

Resumen.

En el siguiente artículo se hablara ampliamente sobre los microcontroladores tanto Atmel como otras marcas que fueron vitales para el surgimiento de dichos circuitos. Además de hacer una reseña histórica analizaremos la influencia de los microcontroladores hoy en día sus aplicaciones, sus mejoras y sobre todo un poco sobre como se lleva a cabo el proceso de la Programación, lo cual es vital tener en cuenta cuando hablamos de microcontrolador.

Abstract

The following article talks extensively about Atmel microcontrollers much as other brands were vital for the emergence of such circuits. In addition to a historical review will analyze the influence of microcontrollers today its applications, improvements and above all a little about how carried out the programming process, which is vital to keep in mind when we talk microcontroller.

Palabras Claves: Microcontroladores, Arquitecturas, Instrucciones, Atmel, Microprocesador.

Los microcontroladores son semiconductores asombrosos, debido a su amplio funcionamiento y campos de empleo en las industrias y en la vida cotidiana. En general hoy en día hay muchas marcas de microcontroladores y de distintos tamaños pero todos absolutamente todos tienen un propósito en general satisfacer las necesidades de las personas o de una fabrica. ATMEL ha sido una de las grandes empresas que distribuye microcontroladores y es uno de los más usados e implementados debido a su gran versatilidad, calidad de trabajo y de operación. Los Microcontroladores son definitivamente la revolución mas grande hasta ahora de la electrónica a pequeña escala debido a que sus funciones son interminables y mucho mas sus aplicaciones, claro que también se esta estudiando sobre los nano robots pero hasta ahora solo son estudios.

ATMEL hoy en día es una gran empresa de semiconductores, pero posee mucha competencia (Microchip, Intel, Motorola, etc.) pero a diferencia de las otras marcas ATMEL se caracteriza porque todos sus micros son creados bajo la misma “regla” Buen Desempeño a Bajos Precios, esta regla o lema se ve reflejado ampliamente en la actualidad, aunque se consiguen micros mas baratos. Los ATMEL por lo general poseen más instrucciones que sus equivalentes en otras marcas lo que lo hace más favorable y más funcional. Un gran ejemplo de estos beneficios que brindan los Micros ATMEL en la Actualidad es en nuestro segundo hogar, la Universidad del Quindío, debido a que justo en esta Universidad todos los laboratorios y programadores son especializados para ATMEL, por sus grandes beneficios y sobre todo por su fácil programación. Hay otro tipo de estudiantes que prefiere trabajar con los Pics (Microchip), debido a su bajo precio porque el ATMEGA8 el micro mas común de ATMEL cuesta entre 8.500 y 9.200 pesos en cambio un PIC18F242 equivalente del Atemega8 cuesta entre 2.000 y 4.000 pesos hay se observa una gran diferencia de precios. Pero sin importar la marca o su precio todos los microcontroladores se programan y cumplen una misma función.        

Como bien se sabe la parte mas importante de todo microcontrolador es precisamente la información que tiene almacenada en cualquiera de sus memorias, debido a que es esta información se refiere principalmente al trabajo que va a desempeñar dicho micro. Para poder programar microcontroladores es muy importante estudiar mucho y esforzarse al máximo en este sentido expresa Gates: “Nadie nace sabiendo ni siendo un experto en cualquier tema. Todo lleva un tiempo de aprendizaje, de práctica y de aplicación. Desarrollar programas eficaces y funcionales para microcontroladores no es la excepción de esta regla.” Lo que nos lleva a pensar que la programación no es un campo complicado pero si de mucho cuidado y sobre todo de aplicación.

Una de las tantas reglas que se deben seguir al momento de programar es ser ordenado y ante todo ser muy sutil al momento de programar porque, Hay que hacer las cosas tan simples como sean posibles pero no demasiado sencillas, (Einstein), porque entre mas sencillo y sutil se programen las líneas, el microcontrolador va a “entender” mucho mejor y va a realizar un optimo desempeño. 

El surgimiento de ATMEL como Empresa y marca fue de alguna forma u otra Estudiantil, debido a que la base de la arquitectura AVR de ATMEL se desarrollo en el Instituto de la Tecnología Noruego (NTH), por Alf-Ajen Bogen y Vegard Wollan. Esta unión entre los fundadores de Atmel y estos Universitarios se debió principalmente a que estos empresarios preferían trabajar con estudiantes. Anteriormente el nombre de la arquitectura de ATMEL era  μRISC (RISC micro), cuando esta arquitectura inicio en AMTEL fue desarrollada mas a fondo  por Alf y Vegard por eso se dice que las siglas de AVR hacen referencia a sus desarrolladores Alf y VegaRd. Cabe aclarar que la arquitectura AVR presenta similitudes con la arquitectura Harvard. La arquitectura Harvard hace referencia a dos sistemas físicos de Almacenamiento separados. 

En la vida de los microcontroladores hasta ahora solo se han presentado dos Arquitecturas la de Neuman y la de Harvard las cuales son diferentes unas de otras. Cuando surgieron los primeros microcontroladores fueron creados en base a una arquitectura muy primitiva y obsoleta analizada desde hoy en día, pero para ese entonces fue una gran revolución y fue la arquitectura de Neuman, denominada así por su desarrollador el matemático John Vonn Neuman, esta arquitectura consistía en que en un mismo dispositivo físico se tuvieran los dos tipos de memoria, la memoria de Datos y la memoria de Programa, esto para ese entonces era muy bueno porque los microcontroladores no exigían mucho manejo de bus ni tampoco gran almacenamiento de instrucciones, pero poco a poco esta arquitectura fue presentando grandes problemas como por ejemplo la velocidad de buses, debido a que como los dispositivos de almacenamiento estaban en una misma “unidad” esto generaba que el ancho de bus fuera directamente dependiente del tamaño de la memoria, ósea que el bus funcionaba a cierta velocidad a medida que la memoria del microcontrolador no estuviera tan copada; este problema la única solución que arrojo fue incrementar el tamaño de memoria del micro. Pero esto no era una solución concreta, entonces un gran físico y electromecánico llamado Howard Harvard Aiken, en base a un computador que desarrollo dio solución al problema planteado por los microcontroladores, la solución de Harvard fue implementar la base de operación de su maquina la Harvard Mark 1(Ver imagen 1) en los micros, debido a que esta operaba con dos unidades de almacenamiento separadas lo que generaba mayor velocidad y una total independencia de una memoria con otra o mejor aun independencia del tamaño de la memoria con el ancho del bus. Aquí surge la hasta ahora usada arquitectura de Harvard o también llamada la arquitectura de los Computadores, debido a que en base a esta arquitectura se genero el funcionamiento de los computadores de hoy en día, por su fiabilidad, su rapidez y sobre todo la gran idea de ubicar unidades de almacenamiento en dispositivos diferentes.

Tabla 1.

	Microcontrolador	Microprocesador
Diferencias	·         Posee menor patillaje (Numero de Patas). ·         Su costo es muy favorable. ·         Se basan en la arquitectura Harvard. ·         Se usa en circuitos. ·         Fácil programación. ·         Es un sistema Autónomo e Independiente.	·         Se basan principalmente en la arquitectura de Neuman. ·         Se usa básicamente en computadores. ·         Se le pueden instalar periféricos. ·         Su programación es un poco difícil. ·         Es una parte de todo Microcontrolador.

Para hablar sobre una reseña histórica y a su vez una breve evolución  de los Microcontroladores es importante tener en cuenta dos palabras INTEL y MICROPROCESADOR, debido a que el primer termino se refiere a la compañía que por primera vez realizo un circuito integrado con unidad de almacenamiento y el segundo termino, microprocesador hace referencia a que este es la base de los microcontroladores, claro que vale aclarar que un microcontrolador y un microprocesador son totalmente diferentes (Ver Tabla 1).  En 1969 unos japoneses de la empresa BUSICOM, fueron a Estados Unidos con el fin de dar solución a un problema, reemplazar los múltiples circuitos integrados que tienen las calculadoras por uno solo, esta idea se le propuso a la compañía INTEL y Marcían Hoff era el responsable del proyecto,  debido a que Hoff tenia amplio conocimiento de computadores (PDP8), el pensó en una solución la cual era en tan solo un Circuito Integrado almacenar todas las funciones de una calculadora convencional mediante un programa de computadoras, en otras palabras almacenar en el circuito la información de la calculadora. La única desventaja era esta solución exigía mucha memoria de almacenamiento lo cual lo japoneses no querían. Finalmente después de muchos estudios la idea de Hoff fue la vencedora y así surgió el primer Microprocesador (4004)(Ver Imagen 2). Este microprocesador genero grandes ingresos a INTEL tanto así, que INTEL compro la licencia de la compañía BUSICOM. El 4004 era una buena solución para los problemas planteados en aquella época, pero lastimosamente no daba abasto con otras aplicaciones a las que era sometido, por esto se busco aumentar al doble tanto su memoria de 4bits como su velocidad de 6000 operaciones por segundo a un total de 8bits y 300000 operaciones por segundo y es aquí donde surge otro gran micro el 8080 uno de los mas revolucionarios. Poco a poco se fueron perfeccionando estas nuevas cualidades electrónicas que iban adquiriendo los micros,  se aumento su memoria, sus instrucciones su velocidad pero Nunca hasta ahora su tamaño debido a que es importante que conserve su tamaño “Micro”. Un gran avance de los microcontroladores hoy en día son los FPGA (Ver Imagen 3) (Fiel Programmable Gate Array), los cuales son semiconductores de una lógica increíble y sobre todo eficiente en toda área de la electrónica a la que sea sometido. 

Comercialmente hablando Atmel ha sido uno de los grandes impulsores del comercio de celulares debido a que grandes marcas como Nokia, Motorola entre otras usan estos micros en sus equipos. Los denominados ARM son unos micros especializados para los celulares de hoy en día, aquellos celulares que aparte de cumplir unas funciones básicas van mas allá para brindarle una gran ayuda al Usuario. ARM es una generación de microcontroladores que va siendo mejorada poco a poco últimamente se uso mucho el ARM9 el cual se uso mas que todo en celulares de tipo Lg Cookie, Nokia N series, Sony Ericsson W series entre otros celulares que estaban revolucionando al mundo por la “Inteligencia” que poseían, la cual se debía al ARM9. Este tipo de micros ARM9 sufrieron una mejora con respecto a modelos anteriores como lo fue: Disminución del calor, reloj de mayor frecuencia, Cargas mas rápidas y optimización del compilador, todas estas mejoras ayudaron mucho a que los celulares que poseían este ARM9, funcionaran óptimamente y con mayores funciones. Finalmente se creo o se desarrollo el ARM11micro que hoy en día se ve en casi todos los celulares Touch, y con funciones de computador; marcas como: Nokia, Motorola, Lg, Samsung, Apple entre otras adoptaron esta tecnología para sus Smathphones, debido a que presentaba muchas mayores ventajas sobre su antecesor el ARM9.

La competencia es un fenómeno que se ve en  casi todas las industrias, los microcontroladores no se salvaron de poseer este fenómeno. Atmel y Microchip son eternos rivales en lo que a semiconductores se refieren y esta competencia se ha venido presentando desde que surgieron ambas empresas, pero que ocurre que dicha competencia es de alguna forma u otra desequilibrada porque como sabemos Microchip y Atmel venden semiconductores pero que ocurren que Microchip se enfoca en un publico totalmente diferente al de Atmel y es allí donde se ve el desequilibrio. Microchip es una empresa de semiconductores Estadounidense la cual se enfoca principalmente a todo lo relacionado con los Computadores (Memorias, Circuitos, Micros, Periféricos, etc.). Atmel en cambio es una empresa de origen Alemán la cual al igual que Microchip desarrolla todo tipo de semiconductores pero a distintas aplicaciones como son: comunicaciones, computadores, redes, electrónica industrial, equipos médicos, automotriz, aeroespacial y militar. Como podemos ver ambos se desenvuelven en marcados diferentes lo que No nos permite afirmar cual es mejor que otro porque mientras uno es bueno en celulares (Atmel) el otro es bueno en computadores (Microchip)                  

Para tener una clara muestra de la competencia y sobre todo de la variedad de microcontroladores que se presentan en el mundo, a continuación en la siguiente pagina al final, se podra en ontrar una tabla en la cual se expresan unas caracteristicas de microcontroladores con respecto a Marcas que en sus micros posean dichas Caracteristicas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador#Familias_de_microcontroladores

ATMEL y las empresas de microcontroladores están desde ya empezando a trabajar en lo que revolucionaria el futuro de la medicina, las empresas, las Industrias, entre otras áreas en las cuales se usen microcontroladores. Los Nano robots los cuales serian cuerpos de tamaños nano que entrarían en nuestro cuerpo y ellos mismos mediante un microcontrolador mucho pero mucho mas pequeño que los de hoy en día se pudiera controlar y extirpar células cancerígenas y demás agente malignos en nuestro cuerpo. Pero primero que todo es importante reducir el tamaño de los microcontroladores. Los Nanos robots son un futuro un poco lejano debido a que lograr el tamaño nano en un microcontrolador exigiría mucho trabajo y sobre todo mucho dinero debido a que como este nano robot entra en nuestro cuerpo los micros deben reemplazar el material Silicio por otro menos contaminante. La medicina es una de las Ciencias que más se vería beneficiada con más innovaciones en los microcontroladores.

Un gran avance tecnológico palpable en los microcontroladores ha sido la aparición del sorprendente FPGA (Fiel Programmable Gate Array). Es un micro muy avanzado en  cuanto a bloques de lógica se refiere y a programación debido a que emplea un lenguaje un poco avanzado. Su historia se remonta hacia 1984 año en el que Ross Freeman y Bernard Vonderschmitt, deciden evolucionar o mejorar el CPLD debido a que se buscaba un circuito integrado capaz de “manejar” dos tecnologías diferentes las cuales eran los dispositivos lógicos programables PLD (Programmable Logic Devices) y los circuitos integrados de aplicación especifica ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Las características que presentan los FPGAs son inmensas a la hora  de reutilización del micro debido a que se puede reprogramar las veces que se desee y esto es comparado con el uso diario de la Protoboard, además puede establecer conexión con otros periféricos como microprocesadores. La aplicación de los FPGAs, se ven principalmente enfocados a usuarios con amplio dominio de lógica, como ejemplo en el procesamiento de señales digitales, Radio definido por Software, sistemas de imágenes para Medicina, reconocimiento de voz entre otras.      

Una recomendación muy importante se ve al momento de programar los microcontroladores ATMEL, debido a que estos poseen un Quemador especial al igual que otras marcas de micros, esta diría yo que es una de las grandes desventajas de ATMEL debido a que el quemador mas caro en el mercado es el AVRips Mk2 (de ATMEL) que cuesta en Colombia 150.000 pesos aproximadamente; esto es una falencia debido a que el ATMEL es implementado en la Universidad del Quindío y lastimosamente debido a su alto precio no es muy accesible a los estudiantes; claro que la Universidad presta estos quemadores en el Laboratorio.

Los microcontroladores son el presente de la tecnología mas avanzada hasta ahora, seria muy interesante que se explorara muchos mas a fondo las funcionalidades del microcontrolador y así poder subir un escalón mas a nivel de tecnología para que la tecnología no sea tan contamínante y se mejore la calidad de vida de los seres humanos, pero para esto es importante que se combine la Tecnologia con el Cuidado de nuestro planeta.

Imagen 1. Harvard Mark 1
 (http://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://2.bp.blogspot.com)

Imagen 3. FPGA
(http://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://quierobits.com)

Imgen 2. Micro 4004
(http://web1.taringa.net/posts/info/4288525/Info-de-hardware-e-informatica--_Actualizado-14_1_10_.html)

Bibliografia

Morton, J (2002). AVR an Introduccion Course. Wildwood Avenue, Woburn.   

Pic Basic (2008). Ucontrol , 1, 32-37, Recuperado en enero del 2008 de http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php?title=Revista_Numero_0001

Microcontroladores. (2007) Recuperado el 15 de abril 2011, de http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador

Aguayo, Paul (2004), Introduccion al microcontrolador, recuperado el 10 de abril de 2011, http://usuarios.lycos.es/sfriswolker

Introducion de Este blog de Microcontroladores ATMEL

Los microcontroladores ATMEL al igual que los otros en general (Microchip, Intel, Motorola, etc...) son dispositivos que maniobran uno o mas procesos, por lo general los micros están basados en la Arquitectura de Harvard, la cual consiste en Dispositivos de Almacenamiento separados (Memoria de programa y Memoria de Datos). El termino de microcontroladores si lo dividimos en dos partes nos quedaría micro – controlador y esa seria su función principal, porque micro se refiere a su pequeño tamaño y controlador a que es capaz de “manejar” o “maniobrar” procesos los cuales son definidos mediante la programación, que es un proceso en el cual mediante un editor de texto se digita una serie de comandos en un leguaje especificado ya sea C++, Bascom, entre otros, cuando se tiene el texto se procede a Compilar, ósea es como una especie de simulación de texto el cual nos informa si el texto esta bien o si presenta errores y cuales son; un software muy bueno para programar es el AVRSTUDIO4, el cual es únicamente especializado para los ATMEGA, Attiny, y otros modelos ATMEL; finalmente el último paso de la programación es precisamente programar mediante un Dispositivo denominado Programador el cual después de haber compilado el texto lo procede a convertir a un formato de HEXADECIMALES y luego lo “instala” en la memoria EPROM, o FLASH eso es dependiendo del micro.  Los microcontroladores a pesar de su pequeño tamaño tiene memoria, una unidad de procesamiento y otros tipos de funcionalidades casi iguales a las de un Computador de mesa, y esto hace que me atrevería a decir que todo absolutamente todo lo que hay electrónico en esta vida esta formado por un Microcontroladores porque si hacemos la comparación de un microcontroladores con el cuerpo humano su semejante seria el cerebro mas no el corazón, por que corazón lo podríamos tomar como una especie de “fuente de alimentación”, en fin aquí lo importante es aclarar la necesidad y el beneficio que presta un microcontroladores en un circuito ya sea tanto para una maquina como para un simple proyecto de la Universidad. Todos los microcontroladores sin importar la marca tienen las mismas características y además son Programables, esto es la principal diferencia entre Microcontroladores y Microprocesador, debido a que un microprocesador No se puede programar o ya vienen programados para unas labores especificas con unos periféricos específicos (Mouse, Teclado, Monitor, etc..) entre otras diferencias mas. Estas “habilidades” adquiridas por  los microcontroladores se generan debido a los materiales con los cuales los elaboran que son radioactivos y altamente peligrosos como lo son el silicio, plomo, y hasta en algunos casos el plutonio, esto en un momento de la vida nos pone a pensar, debido a que no sabemos  si innovar mas el mundo de tecnologías contaminantes aun sabiendo los riesgos que esto conlleva, o simplemente seguir en una especie de época de las cavernas donde no hay mucha tecnología pero si tenemos por seguro algo que si el mundo se llega a acabar no es por nuestra culpa ni mucho menos por la contaminación sino por que ya era la hora.