Microcontroladores: Entendiendo los AVR de ATMEL

Saber Electrónica 1
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Qué son, para qué sirven, cómo se usan
Microcontroladores AVR de Atmel
Arquitectura, Programadores, Tarjetas de Desarrollo
ARTÍCULO DE PORTADA
Debido a la gran cantidad de consultas recibidas durante los primeros días de publicación de la edición
anterior de Saber Electrónica, en referencia al Artículo de Portada: “Interfase Gráfica de Video”, que sirve
para la construcción de distintos tipos de instrumentos y que se basa en el uso de un microcontrolador
de la empresa Atmel, programamos la edición del presente artículo. En el mismo pretendemos dar a co-
nocer a nuestros lectores las principales características de estos chips; brindando, además, algunos cir-
cuitos que pueden ser de interés tanto para la programación de estos dispositivos como para comenzar
a realizar sus primeras prácticas.
Los AVR son una familia de microcontroladores RISC (que manejan un set reducido de instrucciones) de
la empresa Atmel. El diseño estructural de estos circuitos integrados fue realizado por dos estudiantes
en el Norwegian Institute of Technology, y posteriormente refinada y desarrollada en Atmel.
Estos microcontroladores poseen una unidad central de proceso (CPU) con arquitectura Harvard y tiene
32 registros de 8 bits. Los 32 registros, los registros de entrada/salida y la memoria de datos se encuen-
tran en un espacio de memoria unificado, en el cual también se encuentra el stack (a diferencia de lo que
ocurre en los PICS, viejos conocidos de los lectores de Saber Electrónica).
Este es el primero de una serie de artículos destinados a familiarizar a nuestros lectores con los AVR cuyo
objeto es la realización de varios proyectos que serán publicados en próximas ediciones.
Artículo preparado por Horacio D. Vallejo, en base a información de los Manuales de Datos de los AVR
traducidos por el Ing. Mario Lisofsky y el aporte de autores varios que se mencionan en la nota.

Luego de preguntar a diferentes fuentes sobre el ori-
gen del nombre AVR, propuesto por Atmel para estos mi-
crocontroladores, desconozco la verdadera etimología
de estas siglas, sin embargo podrían deberse a lo si-
guiente:
1) Audio, Video, Radio: Microcontroladores pensados
para aplicaciones en audio, video y radio.
2) Advanced Virtual Risc.
3) Corresponde a las iniciales de sus inventores: Alf
Egil Bogen and Vegard Wollan (AlfVegardRisc).
El AVR fue diseñado para la ejecución de programas
escritos en código C compilado. Por lo tanto, algunas ins-
trucciones no están; por ejemplo, no existe la instrucción
'suma inmediata' ('add immediate'), ya que la instrucción
'resta inmediata' ('substract immediate') con el comple-
mento a dos puede ser usada como alternativa.
La familia de microcontroladores AVR es bastante ex-
tensa y todas comparten el mismo núcleo AVR, pero tie-
nen distintos periféricos y cantidades de RAM y ROM:
desde el microcontrolador de la familia Tiny AVR ATtiny11
con 1kB de memoria flash y sin RAM (sólo los 32 regis-
tros), con un encapsulado de 8 pines, hasta el microcon-
trolador de la famila Mega AVRATmega2560 con 256kB
de memoria flash, 8kB de memoria RAM, 4kB de memo-
ria EEPROM, conversor análogo digital de 10 bits y 16
canales, temporizadores, comparador analógico, etc.
Cada componente de la familia se ha diseñado para
que guarde cierta compatibilidad con el resto. Los micro-
controladores AVR permiten la ejecución de instrucciones
mediante la metodología 'pipeline' con dos etapas (cargar
y ejecutar), que les permite ejecutar la mayoría de las ins-
trucciones en un ciclo de reloj, lo que los hace relativa-
mente rápidos entre los microcontroladores de 8 bits.
Como una primera síntesis, podemos decir que el set
de instrucciones de los AVR es bastante “regular”, tenien-
do en cuenta las siguientes consideraciones:
• Los registros punteros X, Y y Z tienen capacidades
de direccionamiento diferentes entre sí.
• Los registros 0 al 15 tienen diferentes capacidades
de direccionamiento que los registros 16 al 31.
• Las registros de I/O 0 al 31 tienen distintas caracte-
rísticas que las posiciones 32 al 63.
• La instrucción CLR afecta los 'flag', mientras que la
instrucción SER no lo hace, a pesar de que parecen ser
instrucciones complementarias (dejar todos los bits en 1,
y dejar todos los bits en 0 respectivamente).
• Los códigos de operación 0x95C8 y 0x9004 hacen
exactamente lo mismo (LPM).
Así como los PICs poseen un “entorno de desarrollo”
(MPLAB), los AVR también poseen herramientas de de-
sarrollo gratuitas o de bajo costo capaces de descargar el
código al microcontrolador utilizando una versión de las
herramientas de licencia libre GNU.
Ahora bien, como es probable que este artículo esté
siendo leído por estudiantes y/o principiantes, vamos a
dar una breve introducción que explique qué es un micro-
controlador y para qué se lo emplea. Para este propósito
emplearemos definiciones realizadas por Emilio Toboso
en su página www.perso.wanadoo.es/emiliotoboso.
Cabe aclarar que en el libro “PIC para Estudiantes”, de
Editorial Quark, Ud, puede encontrar bibliografía extensa
sobre el tema y que en la página del Sr. Toboso también
podrá encontrar abundante información orientada a los
microcontroladores PICs,
Introducción a los Microcontroladores
Desde la invención de los semiconductores, el desarro-
llo de la tecnología digital ha dado lugar a dispositivos ca-
da vez más complejos y rápidos. Entre ellos los micropro-
cesadores y los microcontroladores. Los microcontrolado-
res se encuentran en nuestro trabajo, en nuestra casa y en
nuestra vida. Controlan el funcionamiento de los teclados
de las computadoras, están en los teléfonos celulares, en
los hornos de microondas y, en general, en todo aparato
electrónico que posea un grado de automatismo.
Se dice que un controlador es un dispositivo que se
emplea para manejar uno o varios procesos. Por ejemplo,
para ver televisión, un controlador evalúa la señal que in-
gresa por la antena y la procesa para que a la pantalla y
el parlante llegue con el mismo nivel promedio, sin impor-
tar el nivel de la señal ingresante, siempre que esté den-
tro de determinados parámetros. Hasta hace unos 35
años, los controladores se construían con componentes
electrónicos de lógica discreta; posteriormente se em-
plearon los microprocesadores, apoyados con chips de
memoria y dispositivos de E/S sobre una tarjeta de circui-
to impreso. Desde comienzos de los 90 todos los elemen-
tos del controlador se han podido incluir en un solo circui-
to integrado, el cual recibe el nombre de microcontrola-
dor. Es decir, un microcontrolador es un chip que posee
en su interior a un microprocesador, memoria de progra-
ma, memoria de datos y puertos para comunicarse con el
exterior.
Un microcontrolador es un circuito integrado de alta
escala de integración que incorpora la mayor parte de los
elementos que configuran un controlador y que contiene
todos los componentes fundamentales de un ordenador,
aunque de limitadas prestaciones y que se suele destinar
a gobernar una sola tarea.
En la memoria de programa debe residir un conjunto
Artículo de Portada
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2 Saber Electrónica

de sentencias (programa) que controlan el funcionamien-
to de una tarea determinada, sus líneas de entrada/salida
se conectan a los sensores y actuadores del dispositivo a
controlar y, debido a su pequeño tamaño, suele ir integra-
do en el propio dispositivo al que automatiza.
Según lo dicho, un microcontrolador dispone normal-
mente de los siguientes componentes:
• Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso).
• Memoria RAM para contener los datos.
• Memoria para el programa tipo ROM/EPROM/EE-
PROM/Flash.
• Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
También puede poseer otros bloques de apoyo que
flexibilizan aún más su uso, tales como:
• Módulos para el control de periféricos: temporizado-
res, puertos serie y paralelo, CAD: Conversores Analógi-
co/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.
• Generador de impulsos de reloj que sincronizan el
funcionamiento de todo el sistema.
• Sistemas de protección de sobrecorriente o cortocir-
cuito.
Cada fabricante de microcontroladores oferta un ele-
vado número de modelos diferentes, desde los más sen-
cillos hasta los más poderosos. Se puede seleccionar la
capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S,
la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la ve-
locidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto
muy importante del diseño de un sistema microcontrola-
do es la selección del microcontrolador a utilizar. Una
aplicación típica podría emplear varios microcontrolado-
res para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pe-
queños 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. Algunas aplicaciones de los microcontroladores son:
• En sistemas de comunicación: centrales telefónicas,
transmisores, receptores, télefonos fijos, celulares, fax,
etc.
• En electrodomésticos: lavarro-
pas, hornos de microondas, helade-
ras, lavavajillas, televisores, repro-
ductores de DVD, minicomponentes,
controles remotos, etc.
• Industria informática: Se en-
cuentran en casi todos los periféri-
cos; ratones, teclados, impresoras,
escáner, etc.
• Domótica: sistemas de alarma y seguridad, control
de procesos hogareños a distancia, etc.
• Automación: climatización, seguridad, ABS, etc.
• Industria: Autómatas, control de procesos, etc.
• Otros: Instrumentación, electromedicina, ascenso-
res, calefacción, aire acondicionado, sistemas de nave-
gación, etc.
En la figura 1 se puede apreciar la distribución de los
microcontroladores en las áreas de más uso.
Arquitecturas de Proceso
En general, los microcontroladores poseen dos for-
mas de trabajo en cuanto a los datos y direcciones. La ar-
quitectura de Von Neumann (figura 2) se caracteriza por
disponer de una sola memoria principal donde se almace-
nan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha me-
moria se accede a través de un sistema de buses único
(direcciones, datos y control) mientras que la arquitectura
Harvard (figura 3) dispone de dos memorias independien-
3
Figura 1
Figura 2
Figura 3

tes, una que contiene sólo instrucciones y otra sólo datos.
Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses
de acceso y es posible realizar operaciones de acceso
(lectura o escritura) simultáneamente en ambas memo-
rias.
La Unidad Central de Proceso o CPU
Es el elemento más importante del microcontrolador y
determina sus principales características, tanto a nivel de
hardware como de software. Se encarga de direccionar la
memoria de instrucciones, recibir el código OP de la ins-
trucción en curso, su decodificación y la ejecución de la
operación que implica la instrucción, así como la búsque-
da de los operandos y el almacenamiento del resultado.
Existen tres tipos de CPU en cuanto a la forma de
“procesar” las instrucciones:
• CISC: Un gran número de procesadores usados en
los microcontroladores están basados en la filosofía CISC
(Computadores de Juego de Instrucciones Complejo).
Disponen de más de 80 instrucciones de máquina en su
repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y
potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución.
Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al
programador instrucciones complejas que actúan como
macros.
• RISC: Tanto la industria de los computadores comer-
ciales como la de los microcontroladores, están decan-
tándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego
de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el re-
pertorio de instrucciones de máquina es muy reducido y
las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecu-
tan en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones
permiten optimizar el hardware y el software del procesa-
dor.
• SISC: En los microcontroladores destinados a aplica-
ciones muy concretas, el juego de instrucciones, además
de ser reducido, es "específico"; o sea, las instrucciones se
adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta
filosofía se ha bautizado con el nombre de SISC (Compu-
tadores de Juego de Instrucciones Específico).
La Memoria
La memoria de programa y datos está integrada en el
propio circuito integrado. Una parte debe ser no volátil, ti-
po ROM, y se destina a contener el programa de instruc-
ciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria
será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables
y los datos.
La memoria de datos (RAM) en estos dispositivos es
de poca capacidad pues sólo debe contener las variables
y los cambios de información que se produzcan en el
transcurso del programa. Por otra parte, como sólo exis-
te un programa activo, no se requiere guardar una copia
del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente des-
de la memoria de programa (ROM).
El usuario de PC está habituado a manejar Megaby-
tes de memoria, pero los diseñadores con microcontrola-
dores trabajan con capacidades de memoria de programa
de 512 bytes, 1kB, 2kB y hasta unos 128kB y de RAM de
32 bytes, 68 bytes, 512 bytes (hasta unos 4kB).
Existen distintos tipos de memorias y en un microcon-
trolador se puede encontrar cualquiera de ellas:
• ROM con máscara: Es una memoria no volátil de
sólo lectura, cuyo contenido se graba durante la fabrica-
ción del chip. El término máscara viene de la forma como
se fabrican los circuitos integrados. Estos se fabrican en
obleas que contienen varias decenas de chips. Estas
obleas se obtienen a partir de procesos fotoquímicos,
donde se impregnan capas de silicio y óxido de silicio, y
según convenga, se erosionan al exponerlos a la luz. Co-
mo no todos los puntos han de ser erosionados, se sitúa
entre la luz y la oblea una máscara con agujeros, de ma-
nera que donde deba incidir la luz, ésta pasará. Con va-
rios procesos similares, pero más complicados, se consi-
gue fabricar los transistores y diodos que componen un
circuito integrado. El alto precio del diseño de la máscara
sólo hace aconsejable el empleo de los microcontrolado-
res, con este tipo de memoria, cuando se precisan canti-
dades superiores a varios miles de unidades.
• OTP: Es una memoria no volátil de sólo lectura "pro-
gramable una sola vez" por el usuario. OTP (One Time
Programmable). Es el usuario quien puede escribir el pro-
grama en el chip mediante un sencillo grabador controla-
do por un programa desde una PC. La versión OTP es re-
comendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del
producto, o bien, en la construcción de prototipos y series
muy pequeñas.
• EPROM: Erasable Programmable Read OnIy Me-
mory, pueden borrarse y grabarse muchas veces. La gra-
bación se realiza, como en el caso de los OTP, con un
grabador gobernado desde una PC. Si, posteriormente,
se desea borrar el contenido, disponen de una ventana
de cristal en su superficie, por la que se somete a la
EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las
cápsulas son de material cerámico y son más caros que
los microcontroladores con memoria OTP, que están he-
chos con material plástico. Hoy día se utilizan poco, sien-
do sustituidas por memorias EEPROM o Flash.
• EEPROM: Electrical Erasable Programmable Read
OnIy Memory, son memorias de sólo lectura, programa-
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bles y borrables eléctricamente EEPROM a través de la
aplicación de una tensión de predisposición Vpp. Tanto la
programación como el borrado se realizan eléctricamen-
te desde el propio grabador y bajo el control programado
de una PC. Es muy cómoda y rápida la operación de gra-
bado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal
en la superficie. Los microcontroladores dotados de me-
moria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden
grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser reti-
rados de dicho circuito. Para ello se usan "grabadores en
circuito" que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la
hora de realizar modificaciones en el programa de traba-
jo. El número de veces que puede grabarse y borrarse
una memoria EEPROM es finito, por lo que no es reco-
mendable una reprogramación continua. Hoy día están
siendo sustituidas por memorias de tipo Flash. Se va ex-
tendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una
pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos pro-
gramables, para guardar y modificar cómodamente una
serie de parámetros que adecúan el dispositivo a las con-
diciones del entorno. Este ti-
po de memoria es relativa-
mente lenta.
• FLASH: Se trata de una
memoria no volátil, de bajo
consumo, que se puede es-
cribir y borrar. Funciona como
una ROM y una RAM pero
consume menos y es más pe-
queña. A diferencia de la
ROM, la memoria FLASH es
programable en el circuito. Es
más rápida y de mayor densi-
dad que la EEPROM. La alternativa FLASH está reco-
mendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran
cantidad de memoria de programa no volátil. Es más ve-
loz y tolera más ciclos de escritura/borrado. Son idóneas
para la enseñanza y la Ingeniería de diseño. Las memo-
rias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los
microcontroladores que las incorporan puedan ser repro-
gramados "en circuito", es decir, sin tener que sacar el cir-
cuito integrado de la tarjeta. Así, un dispositivo con este
tipo de memoria incorporado al control del motor de un
automóvil permite que pueda modificarse el programa du-
rante la rutina de mantenimiento periódico, compensando
los desgastes y otros factores tales como la compresión,
la instalación de nuevas piezas, etc.
Puertos de Entrada y Salida
La principal utilidad de las patas que posee el chip
que contiene un microcontrolador es soportar las líneas
de E/S que comunican al computador interno con los pe-
riféricos exteriores y, según los controladores de periféri-
cos que posea cada modelo de microcontrolador, se des-
tinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada,
salida y control. Todos los microcontroladores destinan al-
gunas de sus patillas a soportar líneas de E/S de tipo di-
gital, esto es, todo o nada. Por lo general, estas líneas se
agrupan de ocho en ocho formando Puertos. Las líneas
digitales de los Puertos pueden configurarse como Entra-
da o como Salida, cargando un 1 ó un 0 en el bit corres-
pondiente de un registro destinado a su configuración.
Reloj (Clock)
Todos los microcontroladores disponen de un circuito
oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuen-
cia, que configura los impulsos de reloj usados en la sin-
cronización de todas las operaciones del sistema. El cir-
cuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y
sólo se necesitan unos po-
cos componentes exteriores
para seleccionar y estabili-
zar la frecuencia de trabajo.
Dichos componentes suelen
consistir en un cristal de
cuarzo junto a elementos
pasivos o bien un resonador
cerámico o una red R-C. Au-
mentar la frecuencia de reloj
supone disminuir el tiempo
en que se ejecutan las ins-
trucciones, pero lleva apare-
jado un incremento del consumo de energía y de calor
generado.
Recursos Especiales del Microcontrolador
Cada fabricante posee numerosas versiones de una
arquitectura básica de microcontrolador. En algunas fami-
lias se amplía las capacidades de las memorias, en otras
se incorporan nuevos recursos, en otras se reduce las
prestaciones al mínimo para aplicaciones muy simples,
etc. El trabajo del diseñador es encontrar el modelo míni-
mo que satisfaga todos los requerimientos de su aplica-
ción. Así, minimizará el costo, el hardware y el software.
Veamos algunos recursos:
Temporizadores y Contadores
Los temporizadores se emplean para controlar perío-
dos de tiempo y los contadores para llevar la cuenta de
acontecimientos que suceden en el exterior. Para la me-
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dida de tiempos se carga un registro con el valor adecua-
do y a continuación dicho valor se va incrementando o
decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o algún
múltiplo hasta que se desborde y llegue a 0, momento en
el que se produce un aviso a través del cambio de infor-
mación en una variable o registro (registro de código de
condiciones, por ejemplo).
Cuando se desean contar acontecimientos que se
materializan por cambios de nivel o flancos en alguna de
las patillas del microcontrolador, el mencionado registro
se va incrementando o decrementando al ritmo de dichos
impulsos.
Perro Guardián o "Watchdog"
Normalmente, cuando un ordenador personal se blo-
quea por un fallo del software u otra causa, se pulsa el
botón del reset y se reinicia el sistema. Un microcontrola-
dor suele funcionar sin el control de un supervisor y de
forma continuada las 24 ho-
ras del día. El Perro Guar-
dián consiste en un tempori-
zador que, cuando se des-
borda y pasa por 0, provoca
un reset automáticamente
en el sistema y generalmen-
te se usa para “detectar” fa-
llas de programas que oca-
sionarían que el micro se
quede trabajando dentro de
un loop indefinidamente. Se
debe diseñar el programa de
trabajo que controla la tarea
de forma que refresque o ini-
cialice al Perro Guardián an-
tes de que provoque el re-
set. Si falla el programa o se bloquea, el programa no re-
frescará al Perro Guardián y, al completar su temporiza-
ción, provocará el reset del sistema.
Sleep, Estado de Reposo ó de Bajo Consumo
En muchas situaciones de trabajo en que el microcon-
trolador debe esperar, sin hacer nada, a que se produzca
algún acontecimiento externo que le ponga de nuevo en
funcionamiento, es preciso ahorrar pilas; como en el ca-
so de los controles remotos, donde el sistema está a la
espera de que el usuario oprima una tecla. Para ahorrar
energía, los microcontroladores disponen de una instruc-
ción especial (SLEEP en algunos micros), que les pasa al
estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los re-
querimientos de potencia son mínimos. En dicho estado
se detiene el reloj principal y se "congelan" sus circuitos
asociados, quedando el microcontrolador sumido en un
profundo "sueño". Al activarse una interrupción ocasiona-
da por el acontecimiento esperado, el microcontrolador
se despierta y reanuda su trabajo. Para hacernos una
idea, esta función es parecida a la opción de Suspender
en el menú para apagar el equipo (en aquellas PCs con
administración avanzada de energía).
Procesamiento de Señales Analógicas
Los microcontroladores que incorporan un Conversor
A/D (Analógico/Digital) pueden procesar señales analógi-
cas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer
de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del
CAD diversas señales analógicas desde las patillas del
circuito integrado.
Por otra parte un CDA o conversor D/A transforma los
datos digitales obtenidos del procesamiento de la compu-
tador en su correspondiente señal analógica que saca al
exterior por una de las patillas de la cápsula. Existen mu-
chos dispositivos de salida que trabajan con señales ana-
lógicas.
Algunos modelos de micro-
controladores disponen inter-
namente de un Amplificador
Operacional, que actúa como
comparador entre una señal
fija de referencia y otra varia-
ble que se aplica por una de
las patillas de la cápsula. La
salida del comparador pro-
porciona un nivel lógico 1 ó 0
según una señal sea mayor o
menor que la otra.
También hay modelos de mi-
crocontroladores con un mó-
dulo de tensión de referencia
que proporciona diversas
tensiones de referencia que se pueden aplicar en los
comparadores.
Protección "Brownout"
Esta protección la realiza un circuito que resetea al
microcontrolador cuando la tensión de alimentación
(VDD) es inferior a un mínimo ("brownout"). Mientras la
tensión de alimentación sea inferior al de brownout, el
dispositivo se mantiene reseteado, comenzando a funcio-
nar normalmente cuando sobrepasa dicho valor. Esto es
muy útil para evitar datos erróneos por transiciones y rui-
dos en la línea de alimentación.
Modulador de Ancho de Pulsos o PWM
Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos
de anchura variable, que se ofrecen al exterior a través
de las patillas del encapsulado. Es útil para sistemas de
control de potencia, como por ejemplo motores.
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Puertos de Comunicación
Para que el micro se pueda comunicar con otros dis-
positivos, otros buses de microprocesadores, buses de
sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros
elementos bajo otras normas y protocolos es preciso
agregarle unidades o puertos de comunicación. Algunos
modelos disponen de recursos que permiten directamen-
te esta tarea, entre los que destacan:
• UART, adaptador de comunicación serie asincróni-
ca.
• USART, adaptador de comunicación serie sincróni-
ca y asincrónica.
• Puerto paralelo esclavo para poder conectarse con
los buses de otros microprocesadores.
• USB (Universal Serial Bus).
• Bus I2C, que es una interfaz serie de dos hilos de-
sarrollado por Philips.
• Interface SPI, un puerto serie sincrónico.
• CAN (Controller Area Network), para permitir la
adaptación con redes de conexionado multiplexado desa-
rrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cablea-
do de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el
J185O.
• TCP/IP, ya existen microcontroladores con un adap-
tador de comunicación para este protocolo.
Tanto el I2C en televisores, como el Bus CAN en au-
tomóviles, fueron diseñados para simplificar el circuito
que supone un bus paralelo de 8 líneas dentro de un te-
levisor, así como para librar de la carga que supone una
cantidad ingente de cables en un vehículo.
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LOS MICROCONTROLADORES AVR
La empresa Atmel ha desarrollado una gran cantidad
de microcontroladores en diferentes gamas, de forma si-
milar a lo que ha hecho la empresa Microchip con nues-
tros viejos amigos: “los PICs”.
Quizá, el más popular es el ATMEL AT90S1200, que
es algo así como el 16F84 de Microchip (en cuanto a po-
pularidad se refiere). A continuación se realiza algunos
datos comparativos entre el AT90S1200 y el PIC16F84:
Nº de instrucciones: AVR - 89, PIC - 35
Registros RAM: AVR - 32, PIC - 68
Velocidad: AVR - 12MHz, PIC: 20MHz
Memoria de Programa: AVR - 1kByte FLASH (512 lí-
neas de programa, 16bits por inst.), PIC:1kx14 (1024 lí-
neas de programa de 14 bit cada una).
Memoria EEPROM libre: AVR - 64Bytes, PIC - 64By-
tes
Salidas: AVR - 15, PIC - 13
TIMER: AVR - 1 de 8bit (con prescaler desde CK has-
ta CK/1024), PIC - 1 de 8 bit (con prescaler desde 1:2
hasta 1:256)
Comparador Analógico (NO ADC): AVR - 1 PIC - NO
POSEE
Watchdog: Ambos poseen
Oscilador interno: Ambos poseen, en el AVR sólo ha-
bilitable con programación paralela
Niveles de pila (STACK): AVR - 3, PIC - 8
Interrupciones: AVR - reset, interna, externa, timer y
por comparador analógico, PIC - 5 interrupciones
Básicamente, los AVR tienen 3 registros para cada
puerto de salida a saber:
• DDRB - Sirve para decir qué patas son de entrada
o salida, “0” es entrada, “1” es salida (es inverso a los
PIC).
• PINB - Registro que sirve para entradas solamente.
• PORTB - Registro que sirve para salidas solamen-
te.
Esto significa que para leer una entrada se debe usar
el registro PINB mientras que para escribir datos en una
salida se debe emplear el registro PORTB (obviamente si
hacemos referencia a las patas del puerto B).
En el ATMEL AT90S1200 el PortB tiene 8 bits de da-
tos, a diferencia del PORTD que tiene sólo 7. El bit 7 del
PORTD no se emplea; PORTD también consta de 3 re-
gistros: DDRD, PORTD y PIND.
Los Atmel de Uso Automotriz
Por algún micro debemos empezar…
Cuando comenzamos a realizar artículos con micro-
controladores PIC en Saber Electrónica, allá por 1998,
elegimos el 16F84 y nuestro “modelo o mentor” era el vie-
jo y conocido David Tate. Conversando con el Ing. Ismael
Cervantes y en base al trabajo que está realizando el Ing.
Luís Roberto Rodríguez, llegué a la conclusión que debía
recurrir a la fuente y así determiné que lo mejor es reali-
zar la descripción de varios modelos, tarea que iremos
desarrollando en diferentes ediciones de nuestra querida
revista. En esta oportunidad especificaremos algunas ca-
racterísticas y describiremos el funcionamiento de la se-
rie de uso automotor ATtiny 25/45/85. A su vez, para con-
cluir, daremos los circuitos de programadores de algunos
modelos con licencia libre GNU.
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La Serie ATtiny 25/45/85
El ATtiny 25/45/85 es un microcontrolador CMOS de 8
bits de baja potencia basado en la arquitectura RISC me-
jorada del AVR. Mediante la ejecución de poderosas ins-
trucciones en un solo ciclo de reloj, el ATtiny 225/45/85 lo-
gra una producción que alcanza 1MIPS por MHz, permi-
tiéndole al diseñador de sistemas optimizar la relación
consumo de potencia-velocidad de procesamiento.
Las principales características del dispositivo son las
siguientes:
* Alto desempeño, baja potencia.
* Arquitectura RISC avanzada:
-120 instrucciones poderosas, la mayoría con
ejecución de un solo ciclo de reloj.
-32x8 registros de trabajo de propósito general.
-operación totalmente estática.
* Programa y Memoria de Datos no volátiles:
-2/4/8 kbytes de Memoria Flash Programable en el
sistema, con duración: 10000 ciclos de escritura/borrado.
-128/256/512 bytes de EEPROM programable en el
sistema, con duración: 100000 ciclos de escritura/borrado.
-128/256/512 bytes de SRAM interna.
-Cerrojo de programación para autoprogramar la
Memoria Flash y Seguridad de Datos de EEPROM.
* Características Periféricas:
-Contador/Temporizador de 8 bits con Prescaler
y dos canales PWM.
-Contador/Temporizador de Alta Velocidad de 8
bits con Prescaler separado:
·Dos Salidas PWM de Alta Frecuencia
con Registros de Comparación de Salida separados.
·Generador Programable de Tiempo
Muerto.
-Interfaz Serie Universal con Detector de Condi-
ción de Comienzo.
-ADC de 10 bits:
·Cuatro Canales de Una Sola Salida.
·Dos Pares de Canales ADC Diferen-
ciales con Ganancia Programable (1x, 20x).
-Temporizador Programable de Vigilancia con
Oscilador separado dentro del integrado.
-Comparador Analógico dentro del integrado.
* Características Especiales del Microcontrolador:
-Sistema de Depuración debugWIRE dentro del
integrado.
-Programable dentro del Sistema a través del
Puerto SPI.
-Fuentes de Interrupción Externas e Internas.
-Modos de Descanso en Baja Potencia, de Re-
ducción de Ruido de ADC, y de Reducción de Potencia.
-Circuito Mejorado de Reinicialización de Encen-
dido.
-Circuito Programable de Detección de Brown-
out (estado en que la tensión es entre un 8 y un 12% in-
ferior al valor típico) .
-Oscilador Calibrado interno.
* Entradas/Salidas y Encapsulados:
-Seis Líneas Programables de Entrada/Salida.
-SOIC de 8 patas.
* Tensión de Funcionamiento:
-2,7 a 5,5V
* Rango de Velocidades:
-ATtiny25/45/85: 0-8 MHz@2,7-5,5V, 0-16MHz
@4,5-5,5V.
* Rango de Temperaturas del Automóvil:
-de -40ºC a +125ºC
* Bajo Consumo de Potencia:
-Modo Activo: 1MHz, 2,7V : 500µA
-Modo de Potencia Reducida: 2µA con 2,7V.
La figura 4 muestra la disposición de terminales de
este microcontrolador.
Diagrama en Bloques
En la figura 4 se puede observar el diagrama en blo-
ques de la serie ATtiny 25/45/85 de ATmel.
El núcleo del AVR combina un conjunto rico de ins-
trucciones con 32 registros de trabajo de propósito gene-
ral. Los 32 registros están directamente conectados a la
Unidad Aritmético-Lógica (ALU), permitiendo que 2 regis-
tros independientes se accedan en una sola instrucción
ejecutada en un ciclo de reloj. La arquitectura resultante
es más eficiente en lo que respecta a código, en tanto
que logra un rendimiento hasta 10 veces superior que los
microcontroladores convencionales CISC.
De las características enunciadas anteriormente, so-
bre el ATtiny 25/45/85 podemos destacar las siguientes:
2/4/8kB de Memoria Flash Programable en el Sistema,
128/256/512 bytes de EEPROM, 128/256/256 bytes de
SRAM, 6 líneas de entrada/salida de propósito general,
32 registros de trabajo de propósito general, un Tempori-
zador/Contador de 8 bits con modos de comparación, un
Temporizador/Contador de alta velocidad de 8 bits, una
8

Interfaz Serie Universal, Interrupciones Internas y Exter-
nas, un ADC de 4 canales de 10 bits, un Temporizador
Programable de Vigilancia con Oscilador Interno y 3 mo-
dos de ahorro de potencia seleccionables por software.
El modo de Descanso detiene la CPU en tanto que
permite que la SRAM, el Temporizador/Contador, el ADC,
el Comparador Analógico, y el sistema de Interrupción si-
gan trabajando. El modo de Reducción de Potencia guar-
9
Figura 4

da el contenido de los regis-
tros, inhabilitando todas las
funciones del integrado has-
ta la siguiente Interrupción o
Reinicialización. El modo de
Reducción de Ruido del
ADC detiene la CPU y todos
los módulos de E/S excepto
el ADC, a fin de minimizar el
ruido de conmutación du-
rante las conversiones del
ADC.
El dispositivo se fabrica
usando la tecnología de me-
moria no-volátil y alta densi-
dad de ATMEL.
El sistema de interfaz
serial que maneja el integra-
do permite que la Memoria
de Programa se reprograme
en el sistema a través de
una interfaz serie (SPI) me-
diante un programador con-
vencional de memorias no-
volátiles o mediante un códi-
go de carga incorporado en
el integrado que se ejecuta
en el núcleo del AVR.
El AVR tiene un soporte
basado en herramientas de desarrollo del sistema y de
programación que incluyen: Compiladores C, Macroen-
sambladores, Depurador/Simuladores de Programa,
Emuladores en el Circuito y Conjuntos de Componentes
de Evaluación.
Este microcontrolador ha sido desarrollado y fabrica-
do de acuerdo con los requerimientos más exigentes de
la norma internacional ISO-TS-16949 que define los gra-
dos de calidad para uso automotriz.
Descripción de los Pines:
Vcc: Tensión de alimentación.
GND: Masa, tierra.
Puerto B (PB5… PB0): El Puerto B es un puerto de
E/S bidireccional de 6 bits con resistores pull-up internos
(seleccionables para cada bit). Los buffers de salida del
puerto B tienen características simétricas de excitación
con alta capacidad, tanto de fuente como de sumidero.
Como entradas, las patas del Puerto B que externamen-
te se ponen en 0 entregarán corriente si se activan los re-
sistores pull-up.Las patas del Puerto B son del tipo tri-sta-
te cuando se activa una condición de reinicialización,
aunque el reloj no esté funcionando.
RESET: Entrada de Reinicialización. Un 0 en esta pa-
ta, durante más de un pulso mínimo, generará una reini-
cialización aunque el reloj no esté funcionando.
La CPU del AVR
Trataremos la arquitectura del núcleo del AVR en ge-
neral. La función principal del núcleo de la CPU es ase-
gurar una correcta ejecución del programa. La CPU, por
lo tanto, debe acceder a memorias, realizar cálculos, con-
trolar periféricos, y manejar interrupciones.
En la figura 5 se puede observar la arquitectura de la
CPU. A fin de maximizar el desempeño y el paralelismo,
el AVR usa una arquitectura Harvard, con memorias y bu-
ses separados para el programa y los datos. Las instruc-
ciones que están en la memoria de Programa se ejecu-
tan con un solo nivel de transmisión por conductos. Mien-
tras que se ejecuta una instrucción, se extrae la siguien-
1
10
Figura 5

te instrucción de la memoria de Programa. Este concep-
to permite que las instrucciones se ejecuten en cada ciclo
de reloj. La memoria de programa es la memoria flash re-
programable en el Sistema.
El Archivo de Registros de acceso rápido contiene 32
registros de trabajo de propósito general de 8 bits con un
tiempo de acceso de un solo ciclo de reloj. Esto permite
la operación de la Unidad Aritmético Lógica (ALU) en un
sólo ciclo. En una típica operación de la ALU, se toman 2
operandos del Archivo de Registros, se ejecuta la opera-
ción, y el resultado se almacena nuevamente en el Archi-
vo de Registros en un ciclo de reloj.
Seis de los 32 registros se pueden usar como 3 regis-
tros apuntadores de direccionamiento indirecto de 16 bits
para el direccionamiento en el Espacio de Datos, permi-
tiendo eficientes cálculos de direcciones. Uno de estos
apuntadores de direcciones también se puede usar como
apuntador de direcciones para tablas de consulta en la
memoria Flash de Programa. Estos registros funcionales
agregados son los registros X, Y y Z de 16 bits.
La ALU soporta operaciones aritméticas y lógicas en-
tre registros o entre una constante y un registro. Las ope-
raciones de un solo registro también se pueden ejecutar
en la ALU. Luego de una operación aritmética, el Regis-
tro de Estado se actualiza para reflejar la información so-
bre el resultado de la operación.
El Programa tiene instrucciones de salto condicional e
incondicional e instrucciones de llamada, capaces de di-
reccionar en forma directa todo el espacio de direcciones.
La mayoría de las instrucciones del AVR tienen un solo
formato de palabra de 16 bits. Cada dirección de memo-
ria de Programa contiene una instrucción de 16 o de 32
bits.
Durante las interrupciones y las llamadas a subrutina,
el Contador de Programa de dirección de retorno (PC) se
almacena en la Pila. La Pila se ubica en la SRAM de da-
tos generales, y en consecuencia el tamaño de la Pila só-
lo está limitado por el tamaño total de la SRAM y su uso.
Todos los programas del usuario deben inicializar el SP
en la rutina de reinicialización (antes que se ejecuten las
subrutinas o las interrupciones). El Puntero de Pila (SP)
se puede leer /escribir en el espacio de E/S. La SRAM de
datos se puede acceder fácilmente mediante 5 modos di-
ferentes de direccionamiento soportados en la arquitectu-
ra del AVR.
Los espacios de memoria en la arquitectura del AVR
son todos lineales y regulares.
Un módulo de interrupción flexible tiene sus registros
de control en el espacio de E/S con un bit adicional de
Habilitación de Interrupción Global en el Registro de Es-
tado. Todas las interrupciones tienen un Vector de Inte-
rrupción separado en la tabla de Vectores de Interrupción.
Las interrupciones tienen una prioridad de acuerdo con
su posición en la tabla. Cuanto más baja es la dirección
del Vector de Interrupciones, más alta es la prioridad.
El espacio de memoria de E/S contiene 64 direccio-
nes para funciones periféricas de la CPU como Registros
de Control, SPI, y otras funciones de E/S. La memoria de
E/S se puede acceder directamente, o como las posicio-
nes del Espacio de Datos que están a continuación de las
del Archivo de Registros, 0x20-0x5F.
La Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
La ALU del AVR de alto desempeño trabaja en cone-
xión directa con todos los 32 registros de trabajo de pro-
pósito general. Dentro de un solo ciclo de reloj se ejecu-
tan las operaciones aritméticas entre registros de propó-
sito general o entre un registro y uno inmediato. Las ope-
raciones de la ALU se dividen en 3 categorías principales:
aritméticas, lógicas, y funciones con bits. Algunas imple-
mentaciones de la arquitectura también proveen un pode-
roso multiplicador que soporta la multiplicación con signo,
sin signo y el formato fraccional.
El Registro de Estado
El Registro de Estado contiene información sobre el
resultado de la instrucción más recientemente ejecutada.
Esta información se puede usar para alterar el flujo del
programa a fin de ejecutar operaciones condicionales.
Notemos que el Registro de Estado se actualiza después
de todas las operaciones de la ALU. Esto, en muchos ca-
sos, evita la necesidad de usar instrucciones de compa-
ración especiales, resultando un código más compacto y
más rápido.
El Registro de Estado no se almacena automática-
mente cuando se ingresa a una rutina de interrupción y se
vuelve a almacenar cuando se regresa de una interrup-
ción. Esto se maneja mediante el software.
El Registro de Estado del AVR (SREG) posee una es-
tructura como la mostrada en la figura 6.
11
1
Figura 6

Bit 7-I: Habilitación Global de Interrupción.
Este bit debe ponerse en 1 para que se habiliten las
interrupciones. El control individual de habilitación de in-
terrupción se ejecuta luego en registros de control sepa-
rados. Si se pone en 0, no se habilita ninguna interrup-
ción, independientemente de cómo estén las posiciones
individuales de habilitación de interrupción. El bit I se po-
ne en 0 mediante hardware después que haya ocurrido
una interrupción, y se pone en 1 mediante la instrucción
RETI para permitir interrupciones subsiguientes. El bit I
también se puede poner en 1 y en 0 mediante las instruc-
ciones SEI y CLI.
Bit 6 -T: Almacenamiento de Copia de Bit.
Las instrucciones de copia de bit BLD (Bit LoaD) y
BST (Bit Store) usan el bit T como fuente o destino del bit
operado. Un bit de un registro del Archivo de Registros se
puede copiar en T mediante la instrucción BST, y un bit en
T se puede copiar en un bit de un registro del Archivo de
Registros mediante la instrucción BLD.
Bit 5 - H: Bandera de Semi-acarreo.
Este bit H indica un semi-acarreo en algunas opera-
ciones aritméticas. El semi-acarreo es útil en la aritmética
BCD.
Bit 4 - S: Bit de Signo.
El bit S siempre es una O exclusiva entre la Bandera Ne-
gativa N y la Bandera de Rebalse V con complemento a 2 .
Bit 3 - V: Bandera de Rebalse con complemento a 2.
Este bit soporta una aritmética de complemento a 2.
Bit 2 - N: Bandera Negativa.
Este bit indica un resultado negativo en una operación
aritmética o lógica.
Bit 1 - Z: Bandera Nula.
Este bit indica un resultado nulo en una operación arit-
mética o lógica.
Bit 0 - C: Bandera de Acarreo.
Este bit indica un acarreo en una operación aritmética
o lógica.
Registros de Propósito General
El Archivo de Registros se optimiza para el conjunto
de instrucciones RISC mejorado del AVR. A fin de lograr
el desempeño y la flexibilidad requeridas, el Archivo de
Registros soporta los siguientes esquemas de E/S:
• Un operando de salida de 8 bits y una entrada de re-
sultados de 8 bits.
• Dos operandos de salida de 8 bits y una entrada de
resultados de 8 bits.
• Dos operandos de salida de 8 bits y una entrada de
resultados de 16 bits.
• Un operando de salida de 16 bits y
una entrada de resultados de 16 bits.
La figura 7 muestra la estructura de los
32 registros de trabajo de propósito
general de la CPU.
La mayoría de las instrucciones que
operan en el Archivo de Registros tie-
nen acceso directo a todos los regis-
tros, y la mayoría de ellas son instruc-
ciones de un solo ciclo.
Como se ve en la figura 7, a cada re-
gistro se le asigna una dirección de
memoria de Datos, las cuales se ma-
pean directamente en las primeras 32
posiciones del Espacio de Datos del
usuario. Aunque no se implementan fí-
sicamente como posiciones de memo-
ria de SRAM, esta organización de
memoria proporciona una gran flexibi-
lidad en el acceso de los registros, ya
que los registros apuntadores X, Y y Z
pueden apuntar a cualquier registro
del archivo.
1
12
Figura 7

Los Registros X, Y y Z
Los registros R26..R31 tienen algunas funciones adi-
cionales a su uso de propósito general. Estos son punte-
ros de direcciones de 16 bits para el direccionamiento in-
directo del espacio de datos. Los 3 registros X, Y y Z de
direccionamiento indirecto se definen como se describe
en la figura 8. En los distintos modos de direccionamien-
to estos registros de direcciones tienen funciones tales
como desplazamiento fijo, incremento automático y de-
cremento automático.
Primeras Conclusiones
En esta nota hemos dado una introducción sobre los
microcontroladores Atmel.
En sucesivas ediciones continuaremos explicando el
funcionamiento de los diferentes
bloques componentes del micro,
describiendo también algunos pro-
yectos de mucha utilidad, tal como
lo es la Interfase Gráfica de Video
publicada en la edición anterior.
Un Sencillo Programador
por Puerto Paralelo
Navegando por Internet, en
busca de información que me per-
mita “tomar experiencia” sobre es-
tos temas con el objeto de com-
partirla con Uds, encontré un sen-
cillo programador por puerto para-
lelo en la página: www.cesko-
.host.sk. Dicha página (que está
en inglés), posee muy buena infor-
mación y varios circuitos que le
pueden ser de utilidad. Si bien se propone el cargador pa-
ra el Atmel AT90S2313, descargando la aplicación “Igor-
PlugUSBprogrammer” es posible programar otros micros
de 20 patas. Para bajar la aplicación que permite realizar
la carga del programa, el lector debe registrarse en la pá-
gina del autor. En la figura 9 se puede apreciar el circuito
eléctrico de este
programador y en
la figura 10 una
imagen de la pan-
talla que muestra
la carga del pro-
grama. Les reco-
miendo configurar
en la Bios de su
ordenador que el
puerto paralelo
esté en modo
13
3
Figura 8
Figura 10
Figura 9

ECP para que no haya ningún inconveniente al progra-
mar. Por último, en la figura 11 se puede observar el en-
torno de desarrollo de microcontroladores Atmel de 40
terminales que estamos empleando para el armado de
nuestras prácticas y que emplearemos también para el di-
seño y construcción de prototipos. Esta placa entrenado-
ra es la que usamos para “programar” el Atmel Mega
8515 que sirvió de prototipo para el armado de la Interfa-
se Gráfica de Video de la edición anterior de Saber Elec-
trónica. ✪
1
14
Figura 11

Microcontroladores: Entendiendo los AVR de ATMEL

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