Componentes de los sistemas de hardware integrados: procesador, memoria (RAM/ROM), dispositivos de E/S, unidades de conversión analógica/digital (A/D, D/A), módulos de comunicación, módulos de alimentación. Este artículo ofrece una introducción detallada a la unidad central de los sistemas de hardware integrados: el procesador.
Tipos de procesadores integrados
Unidad de control microelectrónico (MCU)
Los microcontroladores integrados, también conocidos como microcontroladores de un solo chip, integran todo el sistema informático en un solo chip. Por lo general, tienen un núcleo de microprocesador e integran varios componentes funcionales y periféricos necesarios dentro del chip, como ROM, EPROM, RAM, buses, lógica de bus, temporizadores, contadores, watchdogs, puertos de E/S, puertos serie, salidas de modulación por ancho de pulso, convertidores A/D, convertidores D/A, Flash RAM, EEPROM y más.
Los MCU se utilizan habitualmente en sistemas de control, como el control de vuelo en drones, el control del chasis en aspiradoras robóticas y el ABS en automóviles, principalmente para ejecutar tareas.
Los DSP son chips diseñados para el procesamiento de señales digitales, conocidos por su alta velocidad, flexibilidad y bajo consumo de energía. Emplean una arquitectura Harvard mejorada, que separa el almacenamiento de programas y datos, y a menudo incluyen multiplicadores de hardware. En la era digital, los DSP desempeñan un papel fundamental en los productos de comunicación, informática y electrónica de consumo.
Los procesadores DSP están diseñados específicamente para tareas de procesamiento de señales digitales en tiempo real, y los algoritmos DSP se incorporan cada vez más al ámbito integrado, pasando de implementar funciones DSP utilizando instrucciones regulares en microcontroladores generales a utilizar procesadores DSP integrados.
Unidad de microprocesador (MPU)
La MPU integra tanto la unidad aritmética como el controlador en un solo chip. La unidad aritmética realiza principalmente operaciones aritméticas y lógicas, mientras que el controlador controla la ejecución del programa, incluyendo el control de instrucciones, el control de sincronización y el control de operaciones. Recupera instrucciones de la memoria principal, determina la ubicación de la siguiente instrucción en la memoria, decodifica instrucciones, genera señales de control y gestiona el flujo de datos entre la CPU, la memoria principal y los dispositivos de entrada/salida.
Los microprocesadores integrados emplean microprocesadores de uso general mejorados. Debido a su uso habitual en entornos difíciles, los microprocesadores integrados tienen requisitos más exigentes en cuanto a temperatura de funcionamiento, compatibilidad electromagnética y fiabilidad en comparación con los microprocesadores de uso general estándar.
El SoC puede entenderse como un chip que combina un núcleo de microprocesador genérico con varios bloques de propiedad intelectual (IP) y periféricos, encapsulando diferentes módulos para crear un chip a nivel de sistema. El SoC puede incluir RAM/ROM integradas, junto con las potentes capacidades de una MPU, formando un circuito integrado dedicado y adaptado a fines específicos.
Procesadores integrados ARM
Los procesadores ARM fueron diseñados por la empresa británica Acorn Limited y son conocidos por su arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer, ordenador con conjunto de instrucciones reducido) de bajo consumo y rentable. Los procesadores ARM son diseños intrínsecamente de 32 bits, pero también incluyen un conjunto de instrucciones de 16 bits, lo que suele ofrecer una reducción del tamaño del código de hasta un 35 % en comparación con el código equivalente de 32 bits, al tiempo que conservan todas las ventajas de un sistema de 32 bits.
Los procesadores ARM se clasifican en cinco categorías: procesadores ARM clásicos, procesadores integrados ARM Cortex, procesadores integrados en tiempo real ARM Cortex, procesadores de aplicaciones ARM Cortex y procesadores expertos ARM.
Procesadores ARM Cortex
Serie Cortex-A (A = Aplicación), diseñada para aplicaciones de gama alta con altas frecuencias de reloj, excelente rendimiento y consumo energético razonable. Los modelos A5 a A15 son de 32 bits, mientras que los A53 a A57 son versiones de 64 bits. Se conocen como procesadores de aplicaciones ARM Cortex.
Serie Cortex-R (R = tiempo real), diseñada para aplicaciones de control en tiempo real con tiempos de respuesta rápidos, rendimiento razonable y bajo consumo de energía. Se conocen como procesadores integrados en tiempo real ARM Cortex.
La serie Cortex-M (M = microcontrolador), destinada a aplicaciones de microcontroladores con alta rentabilidad, bajo coste y consumo mínimo de energía. Se conocen como procesadores integrados ARM Cortex.
En términos generales, las series -R y -M se denominan procesadores Cortex integrados. Los procesadores especializados para aplicaciones de tarjetas inteligentes, que hacen hincapié en la seguridad y la fiabilidad, se denominan procesadores expertos en seguridad o procesadores expertos (SecurCore). Estos incluyen tres series: SC000 basado en ARM7TDMI, SC100 basado en Cortex-M0 y SC300 basado en Cortex-M3.
