Arquitectura del computador y microcontroladores

Introducción a la arquitectura del computador y microcontroladores

En este módulo exploraremos conceptos clave de la arquitectura de los procesadores Intel 8086 y de los microcontroladores Arduino Uno. Aprenderás a calcular direcciones físicas, conocerás los registros esenciales del 8086, descubrirás cuántos pines PWM dispone el Arduino y comprenderás los pasos críticos en la fabricación de PCB y en el control de motores mediante un puente H.

Cálculo de direcciones físicas en el 8086

Segmento y offset

El procesador 8086 utiliza un modelo de segmentación para direccionar hasta 1 MB de memoria. Cada dirección lógica se compone de dos partes:

• Segmento: un registro de 16 bits que indica el inicio de un bloque de 64 KB.
• Offset: un desplazamiento de 16 bits dentro de ese bloque.

Para obtener la dirección física se aplica la fórmula:

Dirección física = (segmento << 4) + offset

Esto equivale a multiplicar el valor del segmento por 16 (desplazamiento de 4 bits) y sumar el offset.

Ejemplo práctico

Si el registro DS (Data Segment) contiene 2000h y el registro SI (Source Index) contiene 1500h, la dirección física se calcula así:

1. Convertir a decimal: 2000h = 8192 y 1500h = 5376.
2. Multiplicar el segmento por 16: 8192 × 16 = 131072 (equivalente a 20000h).
3. Sumar el offset: 131072 + 5376 = 136448 (21500h).

Por lo tanto, la dirección física resultante es 21500h.

Registros esenciales del 8086

Registro de puntero de instrucción (IP)

El registro IP (Instruction Pointer) indica la posición actual del puntero de instrucción dentro del segmento de código (CS). Cada vez que el procesador ejecuta una instrucción, IP se actualiza para apuntar a la siguiente instrucción. Otros registros importantes incluyen:

• SP (Stack Pointer): gestiona la pila.
• BP (Base Pointer): referencia bases de datos en la pila.
• DI (Destination Index): usado en operaciones de cadena.

Conocer la función de cada registro es fundamental para escribir código ensamblador eficiente y depurar programas.

Arquitectura del Arduino Uno

Pines digitales con capacidad PWM

El Arduino Uno está basado en el microcontrolador ATmega328P, que dispone de 6 pines digitales capaces de generar señal PWM (Pulse Width Modulation). Estos pines son:

• 3, 5, 6, 9, 10 y 11.

El PWM permite simular una salida analógica variando el ciclo de trabajo de una señal digital, lo que es útil para controlar la velocidad de motores DC, la intensidad de LEDs y otras aplicaciones.

Resolución del convertidor analógico‑digital (ADC)

El ATmega328P incorpora un convertidor analógico‑digital de 10 bits. Esto significa que la señal analógica de entrada se cuantiza en 2¹⁰ = 1024 niveles diferentes, proporcionando una precisión suficiente para la mayoría de los sensores de temperatura, luz y posición.

Fabricación de PCB: procesos críticos

Preparación de la placa de cobre virgen

Antes de transferir el diseño mediante transferencia térmica, es esencial limpiar la superficie con alcohol isopropílico. Este paso elimina aceites, polvo y residuos que podrían impedir que el tóner se adhiera correctamente a la lámina de cobre.

El procedimiento típico incluye:

• Retirar la película protectora.
• Frotar la placa con un paño sin pelusa impregnado en alcohol isopropílico.
• Dejar secar al aire antes de colocar el papel fotográfico.

Baño químico (atacado) o proceso de grabado

Durante el baño químico, la lámina de cobre expuesta (aquella que no quedó cubierta por el tóner) se disuelve. El agente grabador más común es el cloruro férrico (FeCl₃) o una solución de percloruro de hierro. El resultado es una pista de cobre que reproduce el trazado del circuito.

Es importante controlar el tiempo de exposición al grabador para evitar:

• Subgrabado (pérdida de anchura de pistas).
• Sobregrabado (daño a áreas protegidas).

Control de motores con puente H

Inversión de dirección

Un puente H permite controlar la dirección y velocidad de un motor DC mediante dos pines de control. Para invertir la dirección del motor, se deben cambiar de estado los dos pines de control del puente H simultáneamente.

En una configuración típica con Arduino, los pines pueden estar conectados de la siguiente manera:

• IN1 y IN2 del puente H a pines digitales del Arduino.
• Al establecer IN1 = HIGH y IN2 = LOW, el motor gira en una dirección; al invertir los valores, la dirección se invierte.

Este método, combinado con PWM en los pines de habilitación, permite regular la velocidad mientras se controla la dirección.

Resumen de conceptos clave

• Dirección física 8086: (segmento << 4) + offset.
• Registro IP: indica la posición actual del puntero de instrucción.
• Pines PWM Arduino Uno: 6 pines (3, 5, 6, 9, 10, 11).
• Resolución ADC Arduino Uno: 10 bits (1024 niveles).
• Preparación de PCB: limpieza con alcohol isopropílico antes de la transferencia térmica.
• Grabado de PCB: disolución del cobre no protegido por tóner.
• Puente H: cambiar ambos pines de control para invertir la dirección del motor.

Preguntas de autoevaluación

1. ¿Cuál es la fórmula correcta para obtener la dirección física a partir de un segmento y un offset en el 8086?

Respuesta correcta: Dirección física = (segmento << 4) + offset

2. Si DS = 2000h y SI = 1500h, ¿cuál es la dirección física resultante?

Respuesta correcta: 21500h

3. ¿Qué registro del 8086 indica la posición actual del puntero de instrucción?

Respuesta correcta: IP

4. En la arquitectura del Arduino Uno, ¿cuántos pines digitales pueden generar señal PWM?

Respuesta correcta: 6 pines

5. Antes de planchar la lámina de tóner en una placa de cobre virgen, ¿qué paso es esencial?

Respuesta correcta: Limpiar la superficie con alcohol isopropílico

6. Durante el baño químico en la fabricación de PCB, ¿qué ocurre principalmente con la lámina de cobre expuesta?

Respuesta correcta: Se disuelve el cobre no protegido por tóner

7. En el puente H controlado por Arduino, ¿qué señal debe cambiar de estado para invertir la dirección del motor?

Respuesta correcta: Los dos pines de control del puente H

8. ¿Cuál es la resolución de los convertidores analógico‑digital del Arduino Uno?

Respuesta correcta: 10 bits

Conclusión

Dominar la segmentación del 8086, comprender los registros críticos y saber aplicar conceptos de microcontroladores como el Arduino Uno son habilidades esenciales para cualquier estudiante de informática o electrónica. Además, conocer los pasos de fabricación de PCB y el manejo de puentes H amplía tu capacidad para diseñar y prototipar proyectos reales. Practica los ejercicios propuestos y experimenta con hardware para consolidar estos conocimientos.