Microcontroladores vs. microprocesadores: ¿cuál es la diferencia?

Las unidades de microcontrolador (MCU) y las unidades de microprocesador (MPU) son dos tipos de circuitos integrados que, aunque son similares en ciertos aspectos, son muy diferentes en muchos otros. Al reemplazar las anticuadas unidades centrales de procesamiento (CPU) de múltiples componentes por unidades lógicas separadas, estos procesadores de un solo chip son extremadamente valiosos para el desarrollo continuo de la tecnología informática. Sin embargo, los microcontroladores y los microprocesadores difieren significativamente en la estructura de sus componentes, la arquitectura del chip, sus prestaciones y su aplicación.

La diferencia clave entre estas dos unidades es que los microcontroladores combinan todos los elementos necesarios de un sistema de microordenador en una sola pieza de hardware. Los microcontroladores no requieren periféricos adicionales ni sistemas operativos complejos para funcionar, mientras que los microprocesadores sí. Ambos circuitos contienen CPU, sin embargo, los microcontroladores también integran memoria, componentes de entrada/salida (E/S) y otros periféricos variados.

Los microcontroladores de bajo consumo, rentables y de tamaño reducido, están optimizados para ofrecer funcionalidad todo en uno. Como resultado, estas unidades se utilizan mejor para aplicaciones específicas como sistemas de información y entretenimiento automotrices y dispositivos de Internet de las cosas (IoT).

Por el contrario, los microprocesadores de propósito general suelen ser más potentes y están diseñados para recibir el apoyo de hardware especializado con el fin de aumentar el rendimiento en aplicaciones exigentes como la informática personal y el procesamiento gráfico.

A nivel de hardware, los microprocesadores se basan en la arquitectura "clásica" de von Neumann. Consta de una CPU con unidad aritmética lógica (ALU) y registros de procesador (pequeñas cantidades de memoria rápida para acceder rápidamente a los datos), una unidad de control, memoria para datos e instrucciones, memoria externa para almacenamiento masivo y mecanismos de E/S. Esta metodología utiliza el mismo conjunto de cables de interconexión (conocidos como bus) tanto para transmitir instrucciones como para realizar operaciones. Los microprocesadores no pueden realizar estas acciones simultáneamente, pero los dispositivos modernos utilizan varias técnicas de mitigación para evitar cuellos de botella en los datos.

Por otro lado, los microcontroladores utilizan la arquitectura más compleja de Harvard, que tiene un conjunto dedicado de buses de datos y buses de direcciones para leer y escribir datos en la memoria, y otro conjunto para buscar instrucciones para realizar operaciones. Dado que la CPU puede leer una instrucción y acceder a la memoria de datos al mismo tiempo, la arquitectura Harvard puede realizar operaciones básicas con mayor rapidez.

La arquitectura Harvard destaca en tareas informáticas en tiempo real y de alta velocidad. Sin embargo, el espacio unificado de memoria de datos e instrucciones de la arquitectura simplificada de von Neumann da como resultado una mayor fiabilidad y escalabilidad. Por esta razón, los microprocesadores basados en von Neumann son los preferidos para tareas más exigentes, como la computación de alto rendimiento (HPC) y los juegos, mientras que los microcontroladores se utilizan normalmente para gestionar el procesamiento rápido de señales.

Básicamente, un microcontrolador es un pequeño ordenador en un solo chip, que contiene un núcleo (o núcleos) de procesador, memoria operativa (RAM) y memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM) para la memoria de programa. Optimizadas para funcionar como unidades independientes, las integraciones de microcontroladores mejoran el procesamiento de señales en tiempo real y hacen que estas unidades compactas sean ideales para controlar tareas o tareas específicas dentro de sistemas integrados.

Componentes clave de un microcontrolador

• Unidad central de procesamiento (CPU): coloquialmente conocida como el "cerebro" del ordenador, la CPU es responsable de ejecutar instrucciones y controlar operaciones.
• Memoria: los microcontroladores contienen memoria volátil (RAM), que almacena datos temporales que pueden perderse si el sistema pierde energía, y memoria flash no volátil (ROM) para almacenar el código de programación del microcontrolador.
• Periféricos: en función de la aplicación prevista, un microcontrolador puede contener varios componentes periféricos, como interfaces de E/S, temporizadores, contadores, convertidores analógicos a digitales (ADC) y protocolos de comunicación (UART, SPI, I2C).

Ligeros, pequeños y con un consumo de energía relativamente bajo, los microcontroladores son ideales para dispositivos electrónicos que funcionan con baterías, como smartphones, smartwatches y otros wearables. También son los favoritos entre los aficionados. Los microcontroladores programables de nivel de consumidor, como los fabricados por Arduino o Raspberry Pi, se pueden configurar fácilmente en lenguajes de programación como C, C++ y Python, comúnmente utilizados en los sistemas operativos Windows, Linux y MacOS. Aunque son accesibles incluso para desarrolladores principiantes, los microcontroladores también se aplican con frecuencia en una amplia gama de casos de uso profesionales e industriales, incluida la automatización industrial, los sistemas de seguridad del transporte y la creación de prototipos.

Tipos de microcontroladores y casos de uso 

En respuesta a una petición de un fabricante japonés de calculadoras, los ingenieros de Texas Instruments Gary Boone y Michael Cochran crearon el primer microcontrolador en 1971. Un gran avance en la tecnología de circuitos, los años siguientes han producido innumerables mejoras e iteraciones de fabricantes como Intel, NXP y Arm.

Estos son algunos de los tipos más comunes de microcontroladores:

• Microcontroladores de ocho bits: el tipo más básico de microcontrolador cuenta con un procesamiento y una memoria limitados y, por lo general, se usa en electrodomésticos pequeños, como juguetes y mandos a distancia.
• Microcontroladores de 16 bits: con el doble de capacidad que los modelos de ocho bits, los microcontroladores de 16 bits se utilizan para aplicaciones más complejas, como dispositivos médicos, sistemas de automoción y sistemas de control industrial.
• Microcontroladores de 32 bits: el tipo de microcontroladores más potente y con más funciones, se utilizan para aplicaciones exigentes, como consolas de juegos, dispositivos de entretenimiento y automatización industrial de gama alta.
• Microcontroladores RISC (Reduced instruction set computer): los microcontroladores RISC incorporan una arquitectura de diseño que simplifica y mejora las operaciones al ejecutar menos instrucciones de cómputo más rápido que otras metodologías, como la arquitectura de complex instruction set computer (CISC).
• Microcontroladores ARM: anteriormente acrónimo de Advanced RISC Machines (máquinas RISC avanzadas), este tipo de microcontroladores incorpora la arquitectura ARM, incluido el moderno subconjunto Arm Cortex, que refuerza el rendimiento y la fiabilidad. Los microcontroladores Arm se utilizan ampliamente en dispositivos móviles, sistemas de automoción y sistemas de control industrial.
• Microcontroladores PIC: desarrollado por Microchip Technology, el microcontrolador PIC es el microcontrolador más pequeño del mundo y se encuentra con frecuencia en robótica, automatización doméstica e industrial y sistemas de energía renovable.
• Microcontroladores basados en FPGA: comúnmente utilizados en aplicaciones que requieren procesamiento de señales digitales, procesamiento de video y redes de alta velocidad, estos microcontroladores utilizan chips personalizables llamados matrices de puertas programables en campo (FPGA), que se pueden configurar y reconfigurar a nivel de hardware para crear soluciones de hardware para requisitos de procesamiento exigentes.

Los microprocesadores son el tipo predominante de procesador informático, ya que integran todos los componentes necesarios de una CPU en un único circuito. Las MPU combinan las unidades aritméticas, lógicas y de control de los anticuados sistemas informáticos de CPU en una única pieza de hardware multipropósito, controlada por reloj y basada en registros. Este diseño integrado mejora la fiabilidad al reducir los posibles puntos de fallo. Aunque los microprocesadores no contienen memoria de programa en chip, están optimizados para un uso general exigente y diseñados para admitir y ser compatibles con periféricos informáticos especializados.

Componentes clave de un microprocesador

Los microprocesadores modernos combinan millones de pequeños transistores, resistencias y diodos ensamblados en un material semiconductor para crear los componentes clave de una CPU. 

• Unidad aritmética lógica (ALU): unidad lógica principal de la CPU, este componente ejecuta operaciones lógicas, que incluyen cálculos matemáticos y comparaciones de datos. 
• Unidad de control (CU): el circuito CU interpreta las instrucciones e inicia su ejecución, dirigiendo las operaciones básicas del procesador. 
• Registros: almacenamiento de memoria pequeño y rápido que utiliza una CPU para almacenar temporalmente datos e instrucciones durante los procesos de cálculo. 
• Memoria caché: los microprocesadores y las CPU utilizan memoria caché, una forma de memoria de alta velocidad situada cerca de la CPU, para almacenar datos a los que se accede con frecuencia y acelerar así el rendimiento. 
• Núcleos de procesador: las unidades de procesamiento individuales de los microprocesadores se conocen como núcleos. Los procesadores modernos suelen incorporar varios núcleos (dual-core, quad-core) que permiten el procesamiento en paralelo al posibilitar la realización de varias tareas simultáneamente.   
• Módulos de E/S: los componentes de E/S de un microprocesador son cruciales para gestionar el flujo de datos hacia y desde la CPU, incluyendo cualquier periférico informático adicional, incluidos los periféricos de red como los puertos ethernet o las unidades WiFi.

Tipos de microprocesadores y casos de uso 

Los microprocesadores versátiles se pueden encontrar en una amplia variedad de aplicaciones, mientras que las unidades especializadas se emplean comúnmente para tareas específicas que requieren un procesamiento de alta potencia. Algunos de los principales tipos de microprocesadores varían en cuanto a potencia, rendimiento, tamaño, consumo energético y muchos otros aspectos:

• Microprocesadores de uso general: estos versátiles microprocesadores se encuentran en una amplia gama de aplicaciones y dispositivos comunes, como ordenadores portátiles y servidores.
• Procesadores digitales de señales (DSP): los DSP están especializados en cálculos numéricos de alta velocidad y suelen utilizarse para tareas exigentes como el procesamiento de audio, las telecomunicaciones y el procesamiento de imágenes. Pueden encontrarse asimismo en aplicaciones que requieren la interpretación de señales analógicas a digitales, como los sensores meteorológicos. Los DSP se utilizan habitualmente en aplicaciones militares como drones de vigilancia y otras aeronaves autónomas.
• Circuitos integrados de aplicación específica (ASIC): los microprocesadores ASIC están diseñados para tareas específicas y se personalizan para satisfacer las demandas específicas de diversas aplicaciones. Algunos ejemplos de microprocesadores ASIC son los chips personalizados para videoconsolas o la minería de criptomonedas. Los DSP, las GPU y otros tipos de microprocesadores especializados también son técnicamente ASIC, asimismo.
• Unidades de procesamiento gráfico (GPU): los microprocesadores GPU están especialmente diseñados para la exigente tarea de renderizar vídeo y gráficos digitales que requieren un rendimiento de alta potencia y procesamiento paralelo. Los potentes microprocesadores GPU, de vital importancia para los juegos de gama alta, también se utilizan habitualmente en la minería de criptomonedas y son conocidos por su elevado consumo de energía.
• Procesadores de red: un tipo de microprocesador ASIC optimizado específicamente para procesar los paquetes de datos de red que se utilizan con más frecuencia en conmutadores, enrutadores y dispositivos de seguridad de red de telecomunicaciones.
• Coprocesadores: los coprocesadores, como las unidades de coma flotante (FPU), están diseñados para proporcionar un soporte auxiliar a la CPU principal de un sistema con el fin de aumentar el rendimiento durante determinadas tareas exigentes, como la realización de cálculos científicos avanzados o fórmulas matemáticas complicadas.

Los microcontroladores y los microprocesadores son capaces de realizar algunas de las mismas tareas. Sin embargo, en función de los requisitos de la aplicación, cada uno tiene sus propios puntos fuertes y débiles. Las características integradas de un microcontrolador, incluidos los modos de ahorro de energía para un bajo consumo de energía, lo hacen ideal para la mayoría de los sistemas integrados.

No obstante, en circunstancias que requieren cálculos complejos o mayor potencia de procesamiento, los microprocesadores son una mejor opción, pero el rendimiento y la flexibilidad adicionales tienen el costo de un mayor consumo de energía y un precio más alto. Estas características hacen que los microprocesadores sean una opción para ordenadores personales y superordenadores industriales.

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