El microcontrolador (MCU) ha sido la columna vertebral de los sistemas integrados más tiempo del que cualquiera tenga memoria. Los MCU son el procesador preferido para muchas aplicaciones en un sinfín de mercados. Los productos industriales y de consumo dependen de los microcontroladores. El pequeño tamaño del MCU, el bajo consumo de energía y las memorias compactas son la opción ideal para muchas aplicaciones. Los periféricos integrados y la memoria junto con los bajos precios son propuestas muy atractivas para los desarrolladores de sistemas.
La arquitectura AVR® es una de las arquitecturas líderes de 8 bits. Se ha convertido en sinónimo de facilidad de uso desde sus comienzos a mediados de la década de los 90 por Alf-Egil Bogen y Vegard Wollan, dos estudiantes de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Noruega. El AVR es el dispositivo más atractivos para que los estudiantes y aficionados conozcan más acerca de las arquitecturas informáticas y la programación integrada. El núcleo del procesador AVR fue uno de los primeros MCU en usar memoria Flash en chip para el almacenamiento de memoria de los programas. Además, la arquitectura AVR permite la reprogramación en el sistema. Durante los últimos 15 años, la facilidad de uso del núcleo AVR lo ha convertido en el motor de procesamiento preferido para una gran variedad de aplicaciones. También se usa en un sinfín de proyectos integrados en universidades en todo el mundo. La opción de utilizar AVR en la conocida plataforma de desarrollo de fuente abierta Arduino es una prueba del éxito de la arquitectura.
Motor RISC de ciclo único de AVR
El núcleo de CPU de AVR es un motor RISC (computadora de conjunto de instrucciones reducido). RISC no significa una cantidad reducida de instrucciones, sino más bien, una complejidad reducida de instrucciones. Una CPU RISC normalmente tiene más instrucciones que una CPU CISC. Este conjunto de instrucciones enriquecido tiene ventajas para un compilador porque puede encontrar la instrucción de ciclo único óptima para su necesidad. El código de máquina resultante aumenta la velocidad y disminuye el uso de memoria en SRAM y Flash. La arquitectura AVR combina este conjunto de instrucciones enriquecido con 32 registros de trabajo de propósito general de 8 bits directamente conectados a la ALU (unidad aritmética lógica). AVR usa la arquitectura Harvard, que separa memorias y buses para programas y datos (Figura 1). Tiene una segmentación de nivel único de dos etapas. Aunque se ejecute una instrucción, la siguiente instrucción se recuperará previamente de la memoria de programa. Dos registros arbitrarios alimentan la ALU para que realice la operación solicitada y reescriba el resultado. La mayoría de las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo del reloj. Debido a esta ejecución de ciclo único de operaciones aritméticas y lógicas, los MCU basados en AVR entregan cerca de 1 MIPS (millones de instrucciones por segundo) por megahertz de frecuencia de reloj.
Figura 1. La arquitectura Harvard de AVR separa la memoria de programa de la memoria de datos.
Desde el mismo comienzo otro aspecto ha apoyado el éxito de la arquitectura AVR. Es la disponibilidad de software gratuito de diseño y desarrollo, que ahora incluye herramientas como el compilador AVR GCC C/C++ y el IDE (entorno de desarrollo integrado) de Atmel Studio 6. Esta combinación de herramientas de desarrollo de 8 bits de rendimiento y gratuitas líderes de la industria ha significado que AVR mantenga una considerable lealtad entre ingenieros y programadores.
Tres familias
Atmel ha usado la CPU de AVR en tres familias de MCU de 8 bits de alto rendimiento y uso eficiente de la energía: la tinyAVR® de principiantes, la megaAVR® de rango medio, hasta la familia más reciente, la AVR XMEGA®.
Los dispositivos tinyAVR están optimizados para aplicaciones que requieren rendimiento, uso eficiente de la energía y facilidad de uso en un paquete pequeño. Capaces de operar a tan solo 0,7 V, los dispositivos integran un ADC, Flash, EEPROM y un detector de apagones. Además los chips proporcionan depuración de hardware para una solución de problemas rápida, segura y rentable.
El megaAVR de rango medio es más adecuado para aplicaciones que requieren cantidades mayores de código. Ofrece un rendimiento de hasta 20 MIPS, el rango ofrece una amplia selección en términos de memoria, conteos de pines y periféricos (Figura 2). Hay piezas especializadas con USB, controladores LCD, CAN, LIN y controladores de etapa de potencia.
Figura 2. La CPU de megaAVR CPU y las unidades periféricas proporcionan potencia y flexibilidad.
Los MCU AVR XMEGA se componen de diversos bloques fundamentales que incluyen AVR CPU, SRAM, Flash, EEPROM, y una serie de periféricos. El conjunto de instrucciones de AVR XMEGA también admite el acceso de registros de 16 bits y aritmética de 32 bits. Una característica clave de la familia es el uso de periféricos de ahorro de energía, que se logra mediante el muy innovador Event System. Este es un conjunto de características que permite a los periféricos interactuar sin la intervención de la CPU. Permite a los periféricos enviar señales directamente a otros periféricos, lo que asegura un tiempo de respuesta breve y 100% predecible. Cuando se utilizan las capacidades del sistema de eventos, es posible configurar el chip para realizar operaciones complejas con muy poca intervención de la CPU. Esto ahorra valiosa memoria de programa y tiempo de ejecución.
Todos los dispositivos AVR de 8 bits usan la tecnología picoPower®. Esto incluye un equilibrio optimizado de transistores de alto rendimiento y baja dispersión, operación de baja tensión, diversos modos de baja energía y suspensión con una activación rápida y el uso de DMA de hardware. Además de las características de AVR XMEGA el Event System que descarga trabajo de la CPU para ahorrar energía y proporcionar tiempos de reacción de interrupción constante. Las características clave de rendimiento incluyen la operación sobre 1,8 a 5,5 V, consumo de 200 uA por MHz en modo activo, 0,1 uA en modo de baja energía con retención de RAM completa, 0,6 uA en modo de ahorro de energía (con un oscilador de cristal de 32 kHz ejecutándose) y menos de 1 µs de tiempo de inicio.
Aplicaciones e IoT
Los MCU de AVR de 8 bits han conseguido muchas victorias en materia de diseño en prácticamente todos los sectores del mercado. Además de los MCU de propósito general descritas anteriormente, hay una amplia gama de dispositivos basados en AVR específicos de aplicaciones adecuados para iluminación, baterías inteligentes y aplicaciones automotrices e industriales, entre muchas otras. Un ámbito de aplicaciones grande y de rápido crecimiento es la tecnología inalámbrica. De hecho, RF se está convirtiendo rápidamente en un estándar periférico en los MCU de todos los tamaños y anchos de banda. Las oportunidades en la tecnología inalámbrica son claramente muchas, y el mejor ejemplo es el ámbito de la Internet de las cosas (IoT).En todo el mundo los fabricantes de infraestructura inalámbrica han predicho que antes del 2020 habrá 50 000 millones de dispositivos inalámbricos móviles conectados a Internet. Sin embargo, los principales actores de tecnología inalámbrica no dominarán por completo este creciente campo. Jim Tully, director de investigación en Gartner Group de analistas de mercado observa: “Nuestras investigaciones indican que al año 2018, el 50 % de las soluciones de Internet de las cosas será proporcionado por compañías nuevas con menos de tres años de antigüedad. Podemos estimar ahora en lo que se convertirá la Internet de las cosas. Pero sabemos que ni siquiera podemos concebir la mayoría de las cosas que existirán en 2018 porque todavía no se han inventado”.
Aunque hay pocas dudas de que los MCU de bajo consumo de energía de 32 bits ocuparán una cuota del mercado, todavía hay una altamente considerable oportunidad para la demanda de MCU de 8 bits de bajo consumo de energía para la multitud de dispositivos RF integrados que se necesitarán. Un ejemplo claro de un dispositivo basado en AVR que tiene una buena posición para aprovechar estas aplicaciones es el ATmega256RF (Figura 3). Este circuito integrado es una solución inalámbrica de un solo chip compatible con IEEE 802.15.4 adecuada para aplicaciones inalámbricas ZigBee® RF4CE, IPv6/6LoWPAN e ISM (industriales, científicas y médicas).
Figura 3. El ATmega256RF combina la facilidad de uso de AVR con un enlace RF de alto rendimiento.
El dispositivo combina un MCU de AVR y un excelente transceptor RF de alta sensibilidad de 2,4 GHz, que ofrece tasas de transferencia de datos de 250 kbit/s hasta 2 Mbit/s. Ofrece de 64 K a 256 K de memoria Flash y consume hasta un 50 % menos de corriente en algunos modos de operación. Permite la operación a 16 MHz con una tensión de suministro de solo 1,8 V y ofrece un tiempo de inicio rápido a partir del modo de suspensión a los modos activos. Además de lo anterior, implementa diversos modos de apagado rápido, como la característica wake-on-radio (encendido por radio) que mantiene al transceptor RF activo mientras el microcontrolador está en suspensión, lo que aumenta la eficiencia.