Sistemas de Codificación Numérica

Binario

Codificación numérica posicional que representa números enteros positivos. El Complemento a 2 se utiliza para representar números enteros con signo.

BCD (Decimal Codificado en Binario)

Codificación numérica que representa números enteros positivos o negativos.

ASCII

Código de 7 u 8 bits que representa letras, números y símbolos.

UNICODE

Código de 16 bits que representa letras, números y símbolos.

GRAY

Código consecutivo y cíclico que representa números enteros positivos.

Hexadecimal

Formato compacto de base 16.

Coma Fija

Formato numérico con parte entera y decimal de posiciones fijas.

Componentes del Microprocesador y Arquitectura

Elementos Principales

  • Contador de programa (PC): Marca la dirección de memoria de programa. Se incrementa en cada instrucción. Almacena la dirección de la próxima instrucción a ejecutar.
  • Unidad Aritmética y Lógica (ALU): Realiza operaciones aritméticas y lógicas.
  • Decodificador de instrucciones: Interpreta las instrucciones y establece la secuencia para la ejecución de una instrucción.
  • Registro de instrucciones: Almacena temporalmente la instrucción y el operando.
  • Acumulador: Guarda el resultado de una operación lógica o aritmética.
  • Registro de direcciones: Señala la dirección de la memoria de programa o de datos.

Operando de una Instrucción

Información que acompaña a la instrucción propiamente dicha y que suele contener la dirección de memoria de una variable.

Acciones del Microprocesador

Ejemplos de acciones básicas:

  • Suma
  • Resta
  • Mover datos
  • Saltar (cambiar secuencia de ejecución)

Reloj del Microprocesador

Señal que sincroniza los circuitos internos. En cada ciclo de reloj se ejecuta un micropaso para la ejecución de una instrucción.

Tipos de Memoria y Clasificación

Memorias de Acceso Aleatorio (RAM)

  • Características: Memorias de lectura/escritura, capacidad grande, se puede acceder a cualquier dato por su dirección.
  • Clasificación por Volatilidad:
    • Volátil: Pierden los datos cuando no tienen suministro de energía. Ejemplos: SRAM (Static RAM), DRAM (Dynamic RAM).
    • No volátil: Conservan los datos sin suministro de energía. Ejemplos: ROM (Read-Only Memory), PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), EEPROM (Electrically Erasable PROM), FLASH.
  • Uso Típico: La RAM almacena variables y datos temporales. La ROM almacena código y constantes del sistema.

Memorias de Acceso Secuencial

  • Tipos: FIFO (First-In, First-Out) y LIFO (Last-In, First-Out).
  • Características: Memorias de lectura/escritura, pequeña capacidad, el acceso es secuencial (acceder a un dato requiere pasar por los precedentes).

Lógica Digital y Circuitos Secuenciales

Lógica Cableada vs. Lógica Programada

  • Lógica Cableada: Las funciones lógicas se realizan mediante conexión fija de puertas lógicas.
    • Ventajas: Velocidad y seguridad de funcionamiento.
    • Desventajas: Difícil hacer cambios, complejidad y tiempo de diseño elevados.
  • Lógica Programada: La parte física (hardware) no cambia, las funciones lógicas se realizan mediante un programa (software).

Básculas (Flip-Flops)

Se pueden utilizar cualquier tipo de báscula para el almacenamiento de los estados de un circuito secuencial síncrono.

Diferencia entre Básculas Asíncronas y Síncronas
  • Básculas Asíncronas: La salida cambia (o puede cambiar) directamente con los cambios en las entradas.
  • Básculas Síncronas: La salida cambia (o puede cambiar) solo con el flanco activo de la señal de reloj, en función del valor de las entradas en ese instante.
Tipos de Básculas Síncronas y su Comportamiento
  • RS:
    • RS=00: Q no cambia.
    • RS=01: Q=1.
    • RS=10: Q=0.
    • RS=11: Estado sin definir (prohibido).
  • JK:
    • JK=00: Q no cambia.
    • JK=01: Q=0 (Reset).
    • JK=10: Q=1 (Set).
    • JK=11: Q se complementa (Toggle).
  • D: Q sigue a la entrada D (Q=D) en el flanco de reloj.
  • T:
    • T=0: Q no cambia.
    • T=1: Q se complementa (Toggle).
Ejemplo Báscula D Asíncrona (con entradas G y D)
  • GD=00: Q no cambia.
  • GD=01: Q no cambia.
  • GD=10: Q=0.
  • GD=11: Q=1.

Contadores

Contador Reversible

Cuenta en sentido ascendente (arriba) o descendente (abajo).

  • Entradas Típicas: Reloj (Clock), Sentido de la cuenta (Up/Down), Reset o Borrado (Clear).
  • Salidas Típicas: Bits de la cuenta (según el código utilizado, ej. binario).

Sistemas de Control

Características de un Sistema de Control Automático

  • Rapidez: Tiempo que tarda la variable controlada en alcanzar un valor dentro de los límites propuestos.
  • Precisión: Diferencia entre el valor esperado y el valor real en estado estacionario.
  • Robustez: Sensibilidad de la variable controlada a perturbaciones externas.
  • Estabilidad: Ausencia de oscilaciones inadmisibles o divergentes en la variable controlada.

Controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo)

Proporciona una actuación en función de un error (diferencia entre el valor deseado y el valor medido).

Ventajas y Desventajas de las Acciones PID
  • Aumentar Ganancia Proporcional (Kp):
    • Efecto: Disminuye el error en estado estacionario, aumenta la velocidad de respuesta.
    • Inconveniente: Puede aumentar la inestabilidad y el sobreimpulso.
  • Incluir Control Integral (Aumentar Ki):
    • Efecto: Elimina el error en estado estacionario (Error = 0).
    • Inconveniente: Puede introducir lentitud y aumentar la inestabilidad y el sobreimpulso.
  • Incluir Control Derivativo (Aumentar Kd):
    • Efecto: Aumenta la velocidad de respuesta, mejora la estabilidad (amortigua oscilaciones), anticipa cambios.
    • Inconveniente: Es muy sensible al ruido en la señal de medida.

Conversión Analógico-Digital (ADC) y Digital-Analógico (DAC)

Características Principales (ADC/DAC)

  • Velocidad: Número de conversiones por segundo.
  • Resolución: Número de bits o intervalos discretos en los que se divide la escala completa. Determina el cambio más pequeño detectable.
  • Polaridad: Rango de tensión analógica (unipolar: solo positiva o solo negativa; bipolar: positiva y negativa).
  • Rango: Intervalo de valores entre la tensión de entrada (ADC) o salida (DAC) mínima y máxima.

Tipos de Convertidores A/D: Ventajas y Desventajas

  • Conversión Directa (Flash):
    • Ventaja: Alta velocidad de conversión.
    • Desventaja: Baja resolución para un coste razonable, complejo (requiere muchos comparadores).
  • Rampa (Simple o Doble):
    • Ventaja: Alta resolución, simple.
    • Desventaja: Muy baja velocidad de conversión.
  • Aproximaciones Sucesivas (SAR):
    • Ventaja: Buena combinación de velocidad y resolución (intermedia en ambos aspectos). Es el más común.

Fundamentos de Semiconductores

Tipos de Semiconductores Dopados

  • Tipo N: Semiconductor intrínseco (ej. Silicio, Si) dopado con un elemento químico que tiene un electrón más en la capa de valencia (ej. Fósforo, P). Los portadores mayoritarios son electrones.
  • Tipo P: Semiconductor intrínseco (ej. Silicio, Si) dopado con un elemento químico que tiene un electrón menos en la capa de valencia (ej. Boro, B). Los portadores mayoritarios son huecos.

Diodo Real

Curva característica I-V:

  • Ua (o Vf): Tensión de arranque o umbral (forward voltage). Tensión a partir de la cual conduce significativamente en polarización directa.
  • Ur (o Vbr): Tensión de ruptura (breakdown voltage). Tensión inversa a partir de la cual conduce abruptamente.
  • If (o Ir): Corriente inversa de fuga (reverse leakage current). Pequeña corriente que circula en polarización inversa antes de la ruptura.

Transistor Bipolar (BJT)

Curvas características de salida: Representan la corriente de colector (Ic) en función de la tensión colector-emisor (Vce) para diferentes valores de corriente de base (Ib).

Rectificación con Puente de Diodos y Filtrado

La forma de onda de corriente en la entrada de alterna de un puente de diodos con condensador de filtrado a la salida no es senoidal pura:

  • Se debe al condensador de filtrado.
  • En los intervalos en los que la tensión instantánea de la alterna (rectificada) es superior a la tensión del condensador, este se carga desde la red (generando picos de corriente).
  • En el resto del periodo, la tensión rectificada es inferior a la del condensador, los diodos no conducen y el condensador se descarga lentamente hacia la carga (la corriente de entrada de alterna es cero o muy baja).

Buses del Sistema

  • Bus de datos: Es bidireccional. Mueve la información (datos e instrucciones) desde y hacia el microprocesador y la memoria/periféricos.
  • Bus de direcciones: Es unidireccional. Sale del microprocesador y señala una dirección específica en la memoria o en un periférico.
  • Bus de control: Es heterogéneo. Contiene distintas señales de control que gestionan el flujo de información y la operación del sistema (ej: habilitar lectura, habilitar escritura, señales de interrupción, reloj).