Arquitectura interna: CPU, memorias y periféricos

01 · Punto de partida

De la caja negra al diagrama de bloques

Hasta ahora tratamos al microcontrolador como un chip que ejecuta un programa. Para controlarlo con precisión, y entender después registros, interrupciones y temporizadores, hace falta saber quién habla con quién dentro del encapsulado y por dónde viajan los datos.

Si programás, ya conocés un modelo parecido: un proceso que lee y escribe direcciones de memoria. La novedad es que, en un microcontrolador, algunas de esas direcciones no son almacenamiento sino hardware: leerlas consulta un pin, escribirlas lo acciona.

Retomamos el diagrama de bloques del tema 1 y los núcleos del tema 2. Ahora veremos cómo se conectan sus partes.

02 · Los participantes

CPU, memorias y periféricos

Podés pensar en la CPU como un cliente que hace pedidos, y en memorias y periféricos como servidores que responden. La CPU nunca toca un pin directamente: pide una lectura o una escritura en una dirección, y el bloque dueño de esa dirección responde.

03 · Los caminos

Direcciones, datos y control

Un bus es un conjunto de líneas eléctricas que se usan juntas. En un acceso típico participan tres grupos de líneas:

• Bus de direcciones. La CPU indica a qué posición quiere acceder. Con n líneas se distinguen 2ⁿ direcciones distintas.
• Bus de datos. Transporta el valor leído o escrito. Su ancho suele coincidir con el de la CPU: 8 bits en un AVR, 32 en un Cortex-M.
• Bus de control. Indica si el acceso es de lectura o de escritura y cuándo es válido.

Un detalle práctico: el espacio direccionable es un máximo teórico. Un chip con 32 bits de dirección no tiene 4 GB de memoria física; usa unas pocas regiones de ese espacio para su Flash, su SRAM y sus periféricos, y deja el resto sin usar.

Si ya trabajaste con memorias en el curso anterior, esto te resulta familiar: las líneas de dirección entraban en un decodificador que activaba un chip distinto según el rango. Dentro del microcontrolador sucede lo mismo, solo que integrado.

04 · Dos formas de conectar

Von Neumann frente a Harvard

La diferencia está en cuántos caminos hay entre la CPU y la memoria. En la arquitectura von Neumann, programa y datos comparten memoria y bus. En la arquitectura Harvard, hay memorias y buses separados.

El AVR es de tipo Harvard: la Flash de programa tiene su propio espacio de direcciones, distinto del de datos (registros, E/S y SRAM). Los núcleos Cortex-M tienen varios buses internos separados, pero ofrecen a los programas un único espacio de direcciones; por eso se los llama de tipo Harvard modificado.

Consecuencias prácticas

• En un Harvard, la CPU puede buscar la siguiente instrucción mientras opera con un dato. Esto ayuda a ejecutar más instrucciones por ciclo.
• En un AVR, una constante guardada en Flash no se lee como una variable de SRAM: hay instrucciones especiales (LPM) y macros del compilador, como PROGMEM. Si no las usás, el compilador copia las constantes a la SRAM al arrancar y consume los escasos 2 KB.
• En una arquitectura von Neumann resulta simple tratar el código como datos, por ejemplo para cargar un programa en memoria y ejecutarlo.

05 · El bloque que decide

Por dentro de la CPU

Una CPU, por simple que sea, tiene los mismos componentes que viste como piezas sueltas en los cursos anteriores: registros hechos con flip-flops, una ALU hecha de puertas y una máquina de estados que lo coordina.

Cada instrucción pasa por tres etapas conocidas: buscar (leer su código en la memoria de programa), decodificar (saber qué hacer) y ejecutar (operar o acceder a datos). Con una arquitectura Harvard, el AVR superpone la ejecución de una instrucción con la búsqueda de la siguiente, una técnica sencilla de segmentación (pipeline).

06 · Dónde viven las cosas

Las tres memorias

Los tres tamaños son tan chicos que condicionan el diseño: un arreglo de 1000 enteros de 16 bits ocupa 2000 bytes, es decir, casi toda la SRAM. En un microcontrolador se programa con la memoria en mente.

07 · La idea central

Periféricos mapeados en memoria

Cada periférico tiene uno o más registros: posiciones que la CPU puede leer o escribir y que están conectadas a hardware. En la mayoría de los microcontroladores, esos registros ocupan direcciones del mismo espacio que la SRAM. A esto se le llama E/S mapeada en memoria.

Cuando el programa escribe en la dirección de PORTB, los bits del valor llegan a los flip-flops que manejan los pines del puerto B. Cuando lee PINB, obtiene el nivel que tienen los pines en ese instante. No hay «instrucción para encender un LED»: hay una instrucción para escribir un valor en una dirección.

Así lo expresa el lenguaje C. Las dos líneas siguientes son equivalentes en un ATmega328P; la primera es la forma cómoda y la segunda muestra la dirección real:

PORTB = 0x20;                       // encender PB5 mediante el nombre del registro

*(volatile uint8_t *)0x25 = 0x20;   // lo mismo, escribiendo directamente la dirección 0x25

El nombre PORTB es una macro de la biblioteca del fabricante que se expande a esa dirección. La palabra volatile avisa al compilador de que el valor puede cambiar por causas externas al programa y de que cada acceso debe realizarse de verdad; el tema 10 explica por qué es imprescindible.

Un registro no es una variable

Una variable guarda lo que le escribiste. Un registro de periférico puede comportarse distinto: leer PINB no devuelve lo último que escribiste sino el estado de los pines; algunos bits se ponen en 1 solos cuando ocurre un evento y se borran escribiendo un 1; escribir ciertos bits dispara una acción. Por eso hay que leer la hoja de datos de cada registro.

08 · Mapa concreto

El espacio de datos del ATmega328P

El AVR tiene tres espacios de direcciones separados: la memoria de programa (Flash), la EEPROM y el espacio de datos. Este último reúne los registros de la CPU, los de los periféricos y la SRAM:

Algunos registros que vas a usar muy pronto:

La doble numeración suele confundir: en el espacio de E/S, PORTB es la posición 0x05, la que usan las instrucciones IN y OUT; en el espacio de datos, la misma posición es 0x25, que es la que usa el C al trabajar como memoria. Son el mismo registro.

09 · Analogía con programación

Un bus que despacha por dirección

Podés modelar el espacio de datos como una función que recibe una dirección y decide qué bloque responde. En el código siguiente, escribir en 0x25 «mueve los pines» y escribir en 0x0100 guarda un byte en la SRAM.

class Bus:
    """Modelo mínimo del espacio de datos de un ATmega328P."""

    def __init__(self):
        self.sram = bytearray(0x800)     # 0x0100 a 0x08FF
        self.portb = 0

    def escribir(self, direccion, valor):
        if direccion == 0x25:            # PORTB
            self.portb = valor
            print(f"  pines PB7..PB0 = {valor:08b}")
        elif 0x0100 <= direccion <= 0x08FF:
            self.sram[direccion - 0x0100] = valor
        else:
            raise ValueError(f"ningún bloque responde en {direccion:#06x}")

    def leer(self, direccion):
        if direccion == 0x25:
            return self.portb
        if 0x0100 <= direccion <= 0x08FF:
            return self.sram[direccion - 0x0100]
        raise ValueError(f"ningún bloque responde en {direccion:#06x}")


bus = Bus()
bus.escribir(0x0100, 42)                 # una variable en SRAM
print("SRAM[0x0100] =", bus.leer(0x0100))
print("Escribo en PORTB:")
bus.escribir(0x25, 0b00100000)           # PB5, el LED de la placa Uno
print("Leo PORTB =", f"{bus.leer(0x25):08b}")
try:
    bus.escribir(0x0900, 1)              # fuera de la SRAM
except ValueError as error:
    print("Error:", error)

Resultado: 42 en la SRAM, los pines cambian a 00100000 y la dirección 0x0900 produce un error. Probá escribir en 0x24 o en 0x0800 y predecí qué ocurre antes de ejecutar.

El modelo sirve para ver la lógica del decodificador de direcciones. Tiene un límite: en el chip real escribir una dirección inexistente no lanza una excepción; simplemente nadie responde, y el error pasa inadvertido hasta que algo falla.

10 · Exploración interactiva

Direcciones y buses

La primera herramienta indica a qué bloque del ATmega328P pertenece una dirección del espacio de datos. La segunda compara cuántos ciclos necesita una CPU con un solo bus frente a una con dos buses, con un modelo simplificado.

El modelo de la segunda herramienta supone que cada instrucción necesita un acceso para ser buscada y que las que usan datos necesitan uno más. Con un solo bus, los accesos se suman; con dos buses, el acceso a datos se superpone con la búsqueda siguiente. Ignora los saltos, las instrucciones multiciclo y las memorias lentas: sirve para ver la tendencia, no para predecir tiempos exactos. Los tiempos usan un reloj de 16 MHz (62,5 ns por ciclo).

Recorrido guiado

1. Probá con 0x25: es PORTB, registro de E/S en la posición 5. Luego probá 0x05: es el registro R5 de la CPU, no PORTB. La misma cifra significa cosas distintas en espacios diferentes.
2. Escribí 0x08FF: último byte de la SRAM. Después 0x0900: ningún bloque responde.
3. Probá 0xC6 (UDR0) y 0x7C (ADMUX): están en la zona de E/S extendida.
4. En la segunda herramienta, dejá 200 instrucciones y mové el porcentaje de datos de 0 a 100 %. Con 0 % no hay diferencia; con 100 %, el bus único tarda el doble.
5. Agrandá el número de instrucciones: la relación no cambia, porque el modelo es proporcional.

11 · Método de trabajo

Cómo leer un diagrama de bloques

1. Ubicá la CPU y los buses. Identificá si hay uno o varios y si las memorias están separadas.
2. Listá las memorias con su tamaño y qué guarda cada una.
3. Buscá los periféricos que necesita tu proyecto y comprobá que existan en cantidad suficiente.
4. Seguí el camino de un pin. Un pin suele compartirse entre varias funciones: puerto digital, entrada analógica, línea de un bus serie. Anotá cuál usarás.
5. Consultá el mapa de memoria para conocer las direcciones de los registros.
6. Verificá el reloj y la alimentación de cada bloque: algunos periféricos pueden desactivarse para ahorrar energía.

Con el diagrama de bloques en una mano y la tabla de registros en la otra se puede planificar un diseño antes de escribir una línea de código. En la mesa de trabajo, el multímetro confirma la alimentación del chip y el osciloscopio permite ver que un registro configurado produce la señal esperada en el pin.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Contar direcciones

Una memoria tiene 12 líneas de dirección y un byte por posición. ¿Cuántos bytes puede direccionar? ¿Y con 16 líneas?

2. Traducir direcciones

El registro PORTD tiene dirección de E/S 0x0B. ¿Cuál es su dirección en el espacio de datos y qué región es?

3. Un bus o dos

Un programa ejecuta 200 instrucciones y el 25 % accede a datos. Con el modelo del tema y un reloj de 16 MHz, ¿cuánto tarda con un solo bus y con dos?

4. Una dirección sin dueño

Un programa escribe un byte en la dirección 0x0A00 de un ATmega328P. ¿Qué ocurre?

5. Constantes en un AVR

Un programa define una tabla de 600 bytes de solo lectura. ¿Por qué conviene guardarla en Flash y no en SRAM en un ATmega328P?

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 4?

Antes de avanzar, explicá la diferencia entre Harvard y von Neumann con un ejemplo, calculá cuántas direcciones hay con 14 líneas y ubicá PORTB en los dos espacios de direcciones. Si podés justificar las tres respuestas, ya podés leer el diagrama de bloques de cualquier microcontrolador.

En el próximo tema pasamos a la mesa de trabajo con el taller de anatomía del ATmega328P y la placa: pines, alimentación, reset, reloj y conexión a la computadora.