Familias de microcontroladores y cómo elegir

01 · Punto de partida

Mismas ideas, distintos compromisos

En el tema anterior vimos que un microcontrolador integra CPU, memoria, reloj y periféricos. Existen cientos de modelos de decenas de fabricantes. Todos comparten esa estructura, pero se diferencian en cuánto de cada recurso ofrecen: velocidad, memoria, cantidad de pines, tipos de periféricos, consumo, tensión de trabajo y precio.

Si ya programaste, la situación te resultará familiar: hay lenguajes y plataformas para cada tarea y casi nunca la mejor opción lo es para todo. Elegir un microcontrolador se parece a elegir una base de datos: se parte de los requisitos y después se compara.

Vas a necesitar lo visto en el tema 1: los bloques internos de un microcontrolador y el ATmega328P como referencia. Lo que sigue es el mapa del territorio donde ese chip es solo un punto.

02 · Ancho de datos

Qué significa que una CPU sea de 8, 16 o 32 bits

El «ancho» de una CPU indica con cuántos bits trabaja de una sola vez su unidad aritmética y sus registros de trabajo. Una CPU de 8 bits suma dos números de 8 bits en una instrucción; una de 32 bits, dos números de 32 bits.

Eso no limita los valores que podés manejar, pero sí el costo de hacerlo. Si necesitás sumar dos enteros de 32 bits en una CPU de 8 bits, el programa debe repetir la operación byte por byte, arrastrando el acarreo de cada paso a la siguiente. Es el algoritmo de suma en columnas, aplicado con «dígitos» de 8 bits.

def sumar(a, b, ancho, bits_dato=32):
    """Suma dos enteros usando 'trozos' del ancho de la CPU."""
    mascara = (1 << ancho) - 1
    resultado, acarreo, pasos = 0, 0, 0
    for i in range(0, bits_dato, ancho):
        x = (a >> i) & mascara          # trozo de a
        y = (b >> i) & mascara          # trozo de b
        s = x + y + acarreo
        resultado |= (s & mascara) << i
        acarreo = s >> ancho            # sobra para el trozo siguiente
        pasos += 1
    return resultado, pasos


a, b = 100_000, 3_000_000
for ancho in (8, 16, 32):
    r, pasos = sumar(a, b, ancho)
    print(f"CPU de {ancho:2d} bits: {r} en {pasos} suma(s)")

Resultado: la misma cuenta, 3 100 000, requiere 4 sumas con 8 bits, 2 con 16 bits y 1 con 32 bits. Probá con números pequeños, como 100 y 200, y con bits_dato=16.

El ancho también influye en los registros de los periféricos, en la cantidad de memoria que se puede direccionar con facilidad y en el tamaño del código. Pero no es el único factor de rendimiento: la frecuencia del reloj, las instrucciones por ciclo y el hardware auxiliar (multiplicadores, unidad de punto flotante) pesan igual o más.

03 · El corazón del chip

Núcleos y arquitecturas

El núcleo (core) es el diseño de la CPU: define su conjunto de instrucciones, sus registros y su forma de ejecutar el código. Algunos fabricantes diseñan su propio núcleo; otros licencian uno y construyen alrededor sus memorias y periféricos.

Dentro de ARM Cortex-M hay escalones: el Cortex-M0/M0+ prioriza bajo costo y consumo; el M3 es un punto medio muy extendido; el M4 agrega instrucciones para procesamiento de señales y, opcionalmente, unidad de punto flotante; el M7 apunta al alto rendimiento. Aprender a programar uno de ellos facilita pasar a los demás, porque comparten el mismo modelo de programación.

Más adelante, en el tema 3, veremos cómo se organiza internamente una CPU y en qué se diferencian las arquitecturas Harvard y von Neumann.

04 · El panorama

Las familias principales

Una misma familia puede tener varios fabricantes. Por ejemplo, un núcleo Cortex-M4 aparece en chips de STMicroelectronics, NXP, Nordic y otros, cada uno con sus propios periféricos. Lo que se comparte es la CPU; lo que cambia, y suele pesar más, es el resto del chip.

05 · Con números

Cinco chips para comparar

Estos cinco modelos cubren desde el microcontrolador más pequeño hasta uno conectado a Internet. Los valores corresponden a las hojas de datos de cada fabricante; son máximos o valores típicos del chip, y las placas comerciales pueden variar.

La tabla deja tres lecciones. Primero, la escala: entre el ATtiny85 y el ESP32 hay un factor de más de mil en memoria. Segundo, la tensión: los chips AVR toleran 5 V y los demás trabajan a 3,3 V. Tercero, la memoria de programa no aparece porque varía mucho: en el RP2040 y el ESP32 la Flash suele ser un chip externo, mientras que en AVR y STM32 está dentro del mismo encapsulado.

06 · Decidir con método

Criterios de selección

Ordená los criterios por importancia: algunos son requisitos duros (si no se cumplen, el chip queda descartado, como los 5 V o el Wi-Fi) y otros son preferencias (costo, familiaridad), que sirven para desempatar entre los candidatos que sobreviven.

07 · Un detalle que rompe chips

3,3 V y 5 V: compatibilidad entre dispositivos

Muchos sensores y módulos viejos entregan señales de 5 V, mientras que la mayoría de los microcontroladores de 32 bits trabajan con 3,3 V. Conectar una salida de 5 V a una entrada que soporta como máximo 3,6 V puede dañarla, a veces de forma inmediata y a veces con un deterioro gradual.

Para señales lentas en un sentido (5 V → 3,3 V), un divisor resistivo alcanza. Con R1 = 1 kΩ en serie y R2 = 2 kΩ a masa, la tensión en el punto medio es 5 V × 2 k / (1 k + 2 k) = 3,33 V. Para buses bidireccionales como I2C o para señales rápidas se utiliza un adaptador de niveles.

Otro dato importante es que algunos pines de ciertos microcontroladores de 3,3 V son «tolerantes a 5 V» y otros no, aun dentro del mismo chip. Ese detalle figura en la hoja de datos; no se supone.

08 · Más allá del silicio

Ecosistema: herramientas, bibliotecas y documentación

Un microcontrolador excelente con malas herramientas puede costar más tiempo que uno regular con un ecosistema sólido. Antes de decidir, revisá:

• Compilador y entorno de desarrollo. Para AVR, avr-gcc y Arduino; para STM32, STM32CubeIDE o PlatformIO; para ESP32, ESP-IDF o el soporte de Arduino; para RP2040, el Pico SDK, Arduino o MicroPython.
• Bibliotecas y ejemplos para los sensores y módulos que vas a usar.
• Depuración. Una interfaz de depuración por hardware permite detener el programa y mirar registros; sin ella, solo queda imprimir mensajes.
• Hoja de datos y manual de referencia claros, y una comunidad que responda.
• Ciclo de vida del producto. Si el proyecto es comercial, importa que el fabricante garantice disponibilidad durante años.

Este curso usa el ATmega328P y el lenguaje C porque ofrecen un modelo muy visible del chip. Los conceptos (registros, temporizadores, interrupciones, ADC y buses) se repiten en todas las familias con distinto nombre y, a veces, con una capa de bibliotecas encima.

09 · Exploración interactiva

Requisitos que descartan candidatos

Marcá los requisitos de un proyecto imaginario. El selector descarta los chips que no los cumplen y explica el motivo. No devuelve «el mejor»: muestra los que sobreviven, entre los cuales decidirán otros criterios como costo y experiencia.

El Wi-Fi se considera solo si está dentro del chip. Existen placas, como la Raspberry Pi Pico W, que lo agregan con un componente adicional; para el selector, eso equivale a «sumar hardware».

Recorrido guiado

1. Marcá «Trabajar a 5 V sin adaptadores». Quedan solo los dos AVR.
2. Agregá «Al menos 16 pines»: el ATtiny85 queda descartado por tener solo 6.
3. Limpiá todo y pedí «Wi-Fi integrado». El ESP32 queda como único candidato.
4. Con Wi-Fi todavía marcado, agregá «5 V sin adaptadores»: ningún chip cumple. Es una señal para relajar un requisito o sumar un adaptador de niveles.
5. Pedí «ADC de 12 bits» y «128 KB de SRAM»: sobreviven el RP2040 y el ESP32.

10 · Método de trabajo

Cómo decidir paso a paso

1. Describí el sistema en una frase y listá sus entradas y salidas, con sus tensiones y corrientes.
2. Estimá recursos. Pines, canales analógicos, temporizadores, buses y memoria. Dejá un margen para crecer, por ejemplo un 30 %.
3. Marcá los requisitos duros: tensión, conectividad, consumo máximo, tamaño y encapsulado.
4. Filtrá los candidatos con esos requisitos. Quedan tres o cuatro modelos, no cientos.
5. Desempatá por costo, disponibilidad, herramientas y experiencia previa.
6. Validá con un prototipo. Una placa de desarrollo permite comprobar el riesgo mayor antes de diseñar el circuito final.

En la mesa de trabajo, conviene empezar por la hoja de datos del candidato: la tabla de características eléctricas indica tensiones, corrientes máximas por pin y rangos de funcionamiento. Con el multímetro se verifica la alimentación de la placa antes de conectar sensores, y con el osciloscopio se comprueba que las señales rápidas lleguen con el nivel esperado.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Elegir para cada proyecto

Proponé una familia razonable para: (a) una luz nocturna que se enciende con un sensor de luz, alimentada por una pila de botón; (b) una estación meteorológica que publica datos por Wi-Fi; (c) un controlador de motores con control de velocidad en tiempo real y comunicación CAN.

2. Un sensor de 5 V y una placa de 3,3 V

Un sensor digital entrega 5 V y debe conectarse a un pin de un RP2040. Diseñá un divisor con R1 = 1 kΩ y R2 = 2 kΩ. ¿Qué tensión llega al pin y por qué no conviene conectarlo directamente?

3. Costo de ancho

¿Cuántas sumas de trozo necesita una CPU de 8 bits para sumar dos enteros de 64 bits? ¿Y una de 16 bits?

4. Usar el selector

Un proyecto necesita ADC de 12 bits, al menos 128 KB de SRAM y trabajar con 5 V sin adaptadores. ¿Qué chips quedan? ¿Qué harías?

5. Producto a largo plazo

Una empresa quiere fabricar durante diez años un dispositivo basado en un microcontrolador. Además de las prestaciones, ¿qué debería revisar?

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 3?

Antes de avanzar, explicá por qué una CPU de 8 bits necesita varias instrucciones para sumar números de 32 bits, nombrá tres requisitos duros que descartan chips y describí cómo conectarías un sensor de 5 V a un microcontrolador de 3,3 V. Si podés justificar las tres respuestas, ya sabés ubicar al ATmega328P dentro del mapa.

En el próximo tema abrimos el chip: la arquitectura interna con su CPU, memorias, buses y periféricos, y la diferencia entre las arquitecturas Harvard y von Neumann.