DIFERENCIAS ENTRE MICROCONTROLADOR Y MICROPROCESADOR

El microprocesador y el microcontrolador

Muchas veces nos ha caído la duda de cuál es la diferencia entre un microprocesador y un microcontrolador, cual es la diferencia entre estos y cual será el mas idóneo para ocupar en algún proyecto. 

El microprocesador (o simplemente procesador) es el circuito integrado central más complejo de un sistema informático; a modo de ilustración, se le suele llamar por analogía el cerebro de un computador.

Es el encargado de ejecutar los programas, desde el sistema operativo hasta las aplicaciones de usuario; sólo ejecuta instrucciones programadas en lenguaje de bajo nivel, realizando operaciones aritméticas y lógicas simples, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir, las lógicas binarias y accesos a memoria.

Esta unidad central de procesamiento (CPU) está constituida, esencialmente, por registros, una unidad de control, una unidad aritmética lógica (ALU) y una unidad de cálculo en coma flotante (conocida antiguamente como coprocesador matemático).

Un microprocesador es un dispositivo electrónico que necesita de todos los periféricos para poder funcionar correctamente, es decir, tener una motherboard como soporte (con todos los buses que necesite el microprocesador: bus de dirección, datos, control, etc.), tener también el banco de memoria tanto RAM como ROM y más.

• RAM (para almacenar datos temporalmente y memorias)
• ROM (para guardar el programa encargado del proceso del equipo) 
• Circuito integrado (para los puertos de entrada y salida)  
• Descodificador de direcciones.

Estructura de un sistema abierto basado en un Microprocesador. La disponibilidad de los buses permite que se configure a la medida de la aplicación:

Este microprocesador puede hacer cualquier función que se le ordene dependiendo del software que lo gobierne.

En cambio un microcontrolador es un sistema cerrado, 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 éste caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado.

Un microcontrolador (abreviado μC, UC o MCU) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida

En donde todas las partes del procesador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos.

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RANKS DE VENTAS DE LOS FABRICANTES

En esta tabla se puede observar como ha sido el incremento de ventas microchip con respecto a los demás fabricantes de microcontroladores:

La siguiente tabla proporciona las ventas y los porcentajes de venta de las compañias. Esta tabla fue realizada en el 2010.

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APLICACIÓN DE LOS MICROCONTROLADORES

APLICACIÓN DE LOS MICROCONTROLADORES

Cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a utilizar.

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, ordenadores, 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.

Los microcontroladores se encuentran por todas partes:

• Sistemas de comunicación: en grandes automatismos como centrales y en teléfonos fijos, móviles, fax, etc.

• Electrodomésticos: lavadoras, hornos, frigoríficos, lavavajillas, batidoras, televisores, vídeos, reproductores DVD, equipos de música, mandos a distancia, consolas, etc. 

• Industria informática: Se encuentran en casi todos los periféricos; ratones, teclados, impresoras, escáner, etc. 

• Automoción: climatización, seguridad, ABS, etc. 

• Industria: Autómatas, control de procesos, etc 

• Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores, calefacción, aire acondicionado, alarmas de incendio, robo, etc. 

• Otros: Instrumentación, electromedicina, tarjetas (smartcard), sistemas de navegación, etc. 

La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente:

• Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los ordenadores y sus periféricos. 

• La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de consumo (electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc.) 

 

• El 16% de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones. 

• Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales. 

• El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las industrias de automoción. 

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FABRICANTES DE MICROCONTROLADORES

Microchip:

Microchip Technology Inc. es una empresa fabricante de microcontroladores, memorias y semiconductores analógicos, situada en Chandler, Arizona, EE. UU.
Su Producto más pupular son los microcontroladores PIC de 8 bits.

Atmel Corporation:

Atmel es una compañía de semiconductores, fundada en 1984. Su línea de productos incluye microcontroladores (incluyendo derivados del 8051, el AT91SAM basados en ARM, y sus arquitecturas propias AVR y AVR32), dispositivos de radiofrecuencia, memorias EEPROM y Flash, ASICs, WiMAX, y muchas otras. También tiene capacidad de ofrecer soluciones del tipo system on chip (SoC).

freescale semiconductor:

Freescale Semiconductor es una compañía global líder en la industria de semiconductores enfocada proveer procesamiento embebido y productos de conectividad.
Actualmente, se enfoca al suministro de productos para la industria automotriz, de redes, comunicaciones inalámbricas, control industrial e industrias de consumo electrónico. Con se oferta de procesadores embebidos y de productos complementarios, proporciona una solución completa de semiconductores y software.

Texas Instruments:

Texas Instruments o TI, es una empresa norteamericana que desarrolla y comercializa semiconductores y tecnología para sistemas de cómputo.
Igualmente, es el mayor productor de procesadores digitales de señal y semiconductores analógicos.TI es el tercer mayor fabricante de semiconductores del mundo tras Intel y Samsung y es el mayor suministrador de circuitos integrados para teléfonos móviles.
Otras áreas de actividad incluyen circuitos integrados para módem de banda ancha, periféricos para ordenadores, dispositivos digitales de consumo y RFID.

ZiLOG Inc:

ZiLOG Inc, es un fabricante de microprocesadores y microcontroladores. Su producto más conocido es el Zilog Z80 de 8 bits.

Motorola:

Motorola Empresa dedicada a fabricar microprocesadores y microcontroladores entre otros productos, su mayor logro en la industria fue poner al Mercado un microprocesador de 8 bits, llamado 6800. Motorola fue la primera compañía en construir otros periféricos como el 6820 y el 6850.

Intel:

Intel empresa dedicada a la fabricación de microcontroladores y microprocesadores, aunque no trabajaba sola obtuvo un logro en abril de 1974 pone en el Mercado el microprocesador bajo el nombre 8080 con capacidad de direccionar 64kb de memoria, con 75 instrucciones y un precio de inicio de $360 dólares.

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EVOLUCION DE LOS MICROCONTROLADORES

Las circunstancias con las que nos encontramos hoy en el campo de los microcontroladores tienen sus raíces en el desarrollo de la tecnología de los circuitos integrados. Este desarrollo ha hecho posible contener cientos de miles de transistores en un solo chip. Ése era uno de los requisitos previos para la producción de los microprocesadores, y las primeras computadoras eran hechas agregando periféricos externos como la memoria, timers etc. lo que aumentaba el volumen de los circuitos integrados. Estos circuitos integrados contenían procesador y periféricos. Así es cómo se desarrollo el primer chip que contenía una microcomputadora, o lo que después se llegaría a conocer como un microcontrolador.

8048 (Intel):

El primer microcontrolador. Antiguo y un poco obsoleto (para los estándares de hoy en día), es aún muy popular debido a su bajo precio, disponibilidad y un enorme rango de herramientas de desarrollo. Tiene arquitectura de Harvard modificada con programa ROM en chip con una memoria RAM de 64 a 256 bytes adicionales en el chip. La entrada salida tiene su propio espacio de memoria.

8051 (Intel y otros):

• Segunda generación de microcontroladores Intel, ha marcado muchas de las características actuales.Tiene un diseño un poco raro, pero es muy potente y sencillo de programar (una vez que se conoce). 
• Su arquitectura es Hardvard Modificada con espacio de direcciones separadas para memoria de programa y memoria de datos.
• El 8051 puede direccionar hasta 64k de memoria de datos externa, y solo puede acceder a ella mediante direccionamiento indirecto. 80c196 (MCS-96)
• La tercera generación de microcontroladores Intel, el 80C196 es un procesador de 16 bits. Originalmente fabricado en tecnología NMOS (8096), ahora está disponible principalmente en CMOS. Intel Corp. Ha introducido recientemente una versión del doble de velocidad (50 MHz) del 80C196. Sus características son:
• Multiplicador y divisor hardware, 6 modos de direccionamiento. Alta velocidad de E/S.
• Conversor A/D.
• Canal de comunicaciones Serie.
• Hasta 40 puertos de E/S.
• 8 Controladores de interrupción programables.

80186,80188 (Intel):

Estos chips son, fundamentalmente, la versión en microcontrolador del 8086 y del 8088 (del famoso IBM PC).

El chip tiene:
2 Canales de DMA (acceso directo a memoria)
2 Contadores/temporizadores.
Controlador de interrupción programable.
Refresco de RAM dinámica.
Una de las mayores ventajas de estos dispositivos es que se pueden utilizar herramientas de desarrollo estándar para PC (Compiladores, ensambladores, etc.). 80386 EX Intel

El 80386 EX:

Es  un 386 vestido de microcontrolador, dentro del chip existen:

• Entrada/Salida serie.
• Manejo de la alimentación del chip.
• DMA (Acceso directo a memoria)
• Contadores/Temporizadores.
• Circuito de refresco para memoria DRAM.
• Una de las mayores ventajas de estos dispositivos es que se pueden utilizar herramientas de desarrollo estándar para PC (Compiladores, ensambladores, etc.).

65C02/W65C816S/W65C134S WDC (Western Design Center):

El Western Design Center Inc. es el dueño original y diseñador del microcontrolador 65C02 de 8-bit que se usó en el Apple original.
Para el ordenador Commodore y el Atari WDC desarrollo el microprocesador 65C816 de 16 bits.
El W65C816S es un microcontrolador con un 65C02 dentro.

W65C134S(Motorola):

Está basado en el antiguo 6800, tiene arquitectura Von-Neuman donde las instrucciones, datos, entrada/salida y temporizadores ocupan un mismo espacio de memoria.

El puntero de pila tiene un ancho de palabra de 5 bits, lo que limita la pila a 32 posiciones, algunos modelos incluyen:

• Conversor A/D.
• Sintetizador PLL.
• E/S serie.

68HC11 (Motorola y Toshiba):

El popular 68HC11 es un poderoso microcontrolador de Motorola de 8 bits con las siguientes características:

• Direcciones de 16 bits.
• Juego de instrucciones similar a la familia 68xx. (6801, 6805, 6809)
• Tiene un único espacio de memoria principal donde están las instrucciones, datos, E/S, y temporizadores.

PIC (MicroChip):

Aunque el éxito de los microcontroladores PIC es reciente, su introducción en el mercado se realizó hace 20 años.
Los microcontroladores PIC fueron los primeros microcontroladores RISC, RISC generalmente implica que la simplicidad de diseño permite añadir más características a bajo precio y la línea PIC no es una excepción.
Aunque tiene pocas instrucciones (33 instrucciones el 16C5X mientras que el Intel 8048 tiene más de 90), la línea PIC tiene las características siguientes:

Buses de instrucciones y datos separados (arquitectura Harvard) lo que permite el acceso simultáneo a las instrucciones y a los datos, y el solapamiento de algunas operaciones para incrementar las prestaciones de proceso.
Los microcontroladores PIC están ganando popularidad debido a su bajo costo, pequeño tamaño y a su bajo consumo pueden ser usados en áreas en las que antes se pensaba que eran inapropiados.

COP400 Familia:

La familia C0P400 es un microcontrolador de 4 bit P2CMOS que ofrece desde 512 hasta 2K de ROM y desde 32×4 hasta 160×4 de memoria RAM.
Lejos de la vieja tecnología, los microcontroladores de 4 bits tienen un importante mercado y tienen más aplicaciones que nunca.
Estos dispositivos son muy versátiles, hay más de 60 diferentes.

COP800 Familia (National Semiconductor):

La familia COP800 Basic es un microcontrolador de 8 bits totalmente estático, fabricado usando puertas “double metal silicon” de tecnología microCMOS.

Este microcontrolador de bajo costo contiene:

• Temporizadores. Lógica de Interrupción.
• Memoria ROM. Memoria RAM. Entrada/Salida
• Memoria de E/S mapeada. Entrada/Salida serie Microwire.
• UART Muchos temporizadores/Contadores de 16 bits.
• Interrupciones vectorizadas.Comparador.
• Temporizador WATCHDOG. Monitor de reloj.
• Conversor A/D de 8 canales. Protección Brownout.

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ARQUITECTURA DE LOS MICROCONTROLADORES

Hay dos arquitecturas distintas relacionadas con el uso y distribución de la memoria del microcontrolador: Arquitectura de Von Neumman y Arquitectura Harvard.

Arquitectura Von Neumann

Tradicionalmente los sistemas con microprocesadores se basan en esta arquitectura, en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una memoria principal única (casi siempre sólo RAM) donde se guardan las instrucciones del programa y los datos. A dicha memoria se accede através de un sistema de buses único (control, direcciones y datos).

En un sistema con arquitectura Von Neumann 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.
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.


Las principales limitaciones que nos encontramos con la arquitectura Von Neumann son:

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.
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
La arquitectura Von Neumann realiza o emula los siguientes pasos secuencialmente:

1) Obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.

2) Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente.

3) Descodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada.

4) Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas.

5) Regresa al paso N° 1.

Arquitectura Harvard

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 lo que permite que la CPU pueda acceder de forma
independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones. Como los buses son independientes estos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud.
Tambien la longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general.
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:

• 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.
• El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.

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