Origen, evolucion, estado actual y aplicaciones del microcontrolador

INTRODUCCION:

Inicialmente cuando no existan los microprocesadores las personas se ingeniaban en diseñar sus circuitos electrónicos y los resultados estaban expresados en diseños que implicaban muchos componentes electrónicos y cálculos matemáticos. Un circuito lógico básico requería de muchos elementos como transistores, resistencias.
Al principio se creía que el manejo de un microprocesador era para aquellas personas con un coeficiente intelectual muy alto; Por lo contrario con la aparición de este circuito integrado todo seria mucho mas fácil de entender y los diseños electrónicos serian mucho mas pequeños y simplificados.

Los microcontroladores están conquistando el mundo, pero la invasión acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI sera testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que se fabrican hoy en días. Cada vez existen mas productos que incorporan un Microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y costo, mejorar su fiabilidad.

El funcionamiento y aplicaciones de los microcontroladores y los microprocesadores permite profundizar en los aspectos tecnológicos de las arquitecturas de las nuevas computadoras, convirtiéndose de esta forma en una herramienta útil para el desarrollo de variadas aplicaciones que contribuyen al avance tecnológico y desarrollo integral de la sociedad. Estas aplicaciones que han surgido con propósitos, para solucionar las diversas necesidades existentes, que frustraban la realización de actividades ejecutadas por personas en los diferente escenarios industriales, empresariales entre otros.

Las circunstancias con las que nos encontramos hoy en el campo de los microcontroladores tienen sus raíces en el desarrollo de la tecnología de los circuitos integrados. Este desarrollo ha hecho posible contener cientos de miles de transistores en un solo chip. Ése era uno de los requisitos previos para la producción de los microprocesadores, y las primeras computadoras eran hechas agregando periféricos externos como la memoria, timers etc. lo que aumentaba el volumen de los circuitos integrados. Estos circuitos integrados contenían procesador y periféricos. Así es cómo se desarrollo el primer chip que contenía una microcomputadora, o lo que después se llegaría a conocer como un microcontrolador.

Para desencadenar la temática propuesta acerca de las similitudes, diferencias, de los microprocesadores y microcontroladores, es necesario que el lector tenga un poco de conocimiento sobre el tema.

El µC es un computador completo, aunque de limitadas prestaciones, que esta contenido en el chip de un circuito integrado programable y se destina a gobernar una sola tarea con el programa que reside en su memoria. Sus lineas de entrada/salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar.
Las partes principales de un microcontrolador son:

• Procesador: La necesidad de conseguir elevados rendimientos en el procesamiento de las instrucciones ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a las tradicionales que seguían la arquitectura Von Neumann.

• Memoria no volatín para contener el programa:
  Hay cinco tipo de memoria para soportar estas función, estas son:
  ROM. Se graba el chip durante su fabricación, implica costos altos y solo se recomienda cuando se produce en serie.
  EPROM. Se graba con un dispositivo que es gobernado mediante un computador personal.
  OTP. Se graba por el usuario igual que la memoria EPROM, a diferencia de la EPROM la OTP se puede grabar solamente una vez.
  EEPROM. La grabación es similar a la de las memorias EPROM y OTP, la diferencia es que el borrado se efectúa de la misma forma que el grabado, o sea eléctricamente.
  FLASH. Posee las mismas características que la EEPROM, pero esta tiene menor consumo de energía y mayor capacidad de almacenamiento.
  Memoria de lectura y escritura para guardar los datos
  Algunos microcontroladores manejan la memoria RAM estática (SRAM), otros como el PIC16F84A disponen de una memoria de datos del tipo EEPROM.
  Linea de E/S para los controladores de periféricos
  Comunicación paralelo
  Comunicación serial
  

Diversas puertas de comunicación A excepción de dos pines para la alimentación, dos para el cristal de cuarzo y una mas para provocar el Reset, los restantes pines de un microcontrolador sirven para soportar con los periféricos externos que controla.

Esquema de diseño de Un Microcontrolador.

En las siguientes gráficas se muestra los diferentes tipos de arquitecturas y el diagrama de bloque de un Microcontrolador:

Arquitectura Von Neumann

Arquitectura Harvard

Origenes y evolucion del microcontrolador en las computadoras

En el año 1969, un equipo de ingenieros japoneses de la compañía BUSICOM llegó a Estados Unidos con una idea, ellos deseaban usar para sus proyectos pocos circuitos integrados de los que se usaban en las calculadoras. La proposición se hizo a INTEL, y Marcian Hoff era el responsable del proyecto. Ya que él era quien tenia experiencia trabajando con una computadora (PC) PDP8, se le ocurrió pensar en una solución fundamentalmente diferente en lugar de la construcción sugerida. Esta solución presumía que la función del circuito integrado se determinaría por un programa almacenado en él. Eso significaba que la configuración sería más simple, pero que requeriría mucho más memoria de lo que requería el proyecto que propusieron los ingenieros japoneses.

Después de un tiempo, aunque los ingenieros japoneses probaron soluciones más fáciles, la idea de Marcian ganó, y el primer microprocesador nació. Para transformar esta idea en un producto ya fabricado, Federico Faggin, se unió a INTEL, y en sólo 9 meses tuvo éxito. INTEL obtuvo los derechos para vender este "bloque integrado" en 1971. Primero, compraron la licencia de la compañía BUSICOM, que no tenía idea del tesoro que poseían. Durante ese año, apareció en el mercado un microprocesador que se llamó 4004, este fue el primer microprocesador de 4 bits con velocidad de 6 000 operaciones por segundo. No mucho tiempo después de eso, la compañía americana CTC pidió a INTEL y Texas Instruments que hiciera un microprocesador de 8 bits. Aunque después a CTC no le interesó mas la idea, Intel y Texas Instruments siguieron trabajando en el microprocesador y el primero de abril de 1972, el microprocesador de 8 bits
aparece en el mercado con el nombre de 8008. Podía direccionar 16 Kb de memoria, con un set de 45 instrucciones y una velocidad de 300 000 operaciones por segundo. Este microprocesador es el predecesor de todos los microprocesadores de hoy. Intel mantuvo sus desarrollos y saco al mercado el procesador de 8 bits bajo el nombre 8080, el cual podía direccionar 64Kb de memoria, con 75 instrucciones, a un precio de 360 dlls.

En otra compañía americana, Motorola, comprendieron rápidamente lo que estaba sucediendo, así que ellos sacaron al mercado su microprocesador de 8 bits, el 6800. Su constructor principal era Chuck Peddle, y junto con el procesador, Motorola fue la primera compañía en hacer otros periféricos como el 6820 y el 6850. En ese momento muchas compañías reconocieron importancia de los microprocesadores y empezaron sus propios desarrollos. Chuck Peddle
abandonó Motorola para unirse a la Tecnología MOS y se mantuvo trabajando intensamente en el desarrollo de los microprocesadores.

Un evento muy importante tuvo lugar en la historia de microprocesadores en una exhibición de WESCON en 1795 en Estados Unidos. La Tecnología MOS anunció que estaba comercializando los microprocesadores 6501 y 6502 a 25 dlls. cada uno, y que los compradores podrían adquirirlos inmediatamente. Esto era tan extraordinario, que algunas personas creyeron que era un escándalo, considerando que los competidores estaban vendiendo el 8080 y el 6800 a 179
dlls. cada uno. Intel y Motorola bajaron sus precios en el primer día de la exhibición como una respuesta a su competidor, 69.95 por microprocesador. Motorola reclama a la Tecnología de MOS y a Chuck Peddle el haberles copiado su 6800. La Tecnología MOS suspende la fabricación del 6501, pero siguen produciendo el 6502. Los 6502 eran microprocesadores de 8 bits, 56
instrucciones y la capacidad de direccionar 64Kb de memoria directamente. Para reducir el costo, el 6502 se vuelve muy popular, así que se instala en las computadoras tales como: KIM-1, Apple I, Apple II, Atari, Comodore, Acorn, Oric, Galeb, Orao, Ultra, y muchas otras. Y muy pronto aparecieron varios fabricantes del 6502 (Rockwell, Sznertek, GTE, NCR, Ricoh, y Comodore quienes toman la Tecnología MOS) el cual estaba en su momento de apogeo y se vendía a una velocidad de 15 millones de procesadores por año. Otros, sin embargo, no se rindieron. Federico Faggin deja Intel, y empieza su propio Zilog Inc.

En 1976, Zilog anuncia el Z80. Durante la fabricación de este microprocesador, Faggin toma una decisión giratoria. Sabiendo que ya se han desarrollado muchos programas para 8080, Faggin sabia que muchos se quedarían fieles a ese microprocesador. Así que decide diseñar un nuevo
procesador que pueda ser compatible con 8080, o que sea capaz de desarrollar todos los programas que ya se habían escrito para el 8080. Además de estas características, se agregaron muchas otras para que el Z80 fuera un microprocesador muy poderoso. Podía direccionar 64 Kb de memoria, tenía 176 instrucciones, un gran número de registros, una opción para refresco de
memoria dinámica de la RAM, mayor velocidad de trabajo etc. El Z80 fue un gran éxito y todos cambiaron del 8080 al Z80. Puede decirse que el Z80 fue el microprocesador comercializado más exitoso de ese tiempo. Además de Zilog, también aparecieron otros nuevos fabricantes como Mostek, NEC, SHARP, y SGS. Z80 estaba en el corazón de muchas computadoras como en Spectrum, Partner, TRS703, Z-3 etc.

En 1976, Intel propone una versión mejorada del microprocesador de 8 bits, al cual nombró 8085. Sin embargo, el Z80 era tan bueno que Intel perdió la batalla. Aunque más procesadores aparecían en el mercado (6809, 2650, SC/MP etc.), ya todo estaba decidido. Ya no había grandes mejoras departe de los fabricantes para hacer algo nuevo, así que el 6502 y el Z80 junto con el
6800 permanecieron como los representantes principales de los microprocesadores de 8 bits de ese tiempo.

Aunque en toda esta historia, se mencionan erroneamente microprocesadores, la realidad, es que las primeras PCs, emplearon microcotroladores, los cuales, como ya vimos, cuentan con un procesador y memoria. Posteriormente, se dio el paso a los microprocesadores, que no cuentan con la memoria, en el mismo circuito integrado, y los microcontroladores, tienen su aplicacion en aparatos electrodomesticos automoviles, en la industria, entre otros.

En 1980 aproximadamente, los fabricantes de circuitos integrados iniciaron la difusión de un nuevo circuito para control, medición e instrumentación al que llamaron microcomputador en un sólo chip o de manera más exacta MICROCONTROLADOR.
Un microcontrolador es un circuito integrado que contiene toda la estructura (arquitectura) de un microcomputador, o sea CPU, RAM, ROM y circuitos de entrada y salida. Los resultados de tipo práctico, que pueden lograrse a partir de éstos elementos, son sorprendentes.

Los Fabricantes y sus Modelos de Microcontroladores

•INTEL -------------------------------------->8048,8051,80C196,80386
•MOTOROLA -------------------------------->6805,68HC11,68HC12
•HITACHI------------------------------------> HD64180
•PHILIPS ------------------------------------>8051
•SGS-THOMSON-----------------------------> ST-62XX
•NATIONAL SEMICONDUCTOR-------------> COP400,COP800
•ZILOG---------------------------------------> Z8,Z86XX
•TEXAS INSTRUMENTS---------------------> TMS370
•TOSHIBA------------------------------------> 68HC11
•MICROCHIP---------------------------------> PIC
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SEGÚN UNIDADES VENDIDAS DE MICROS DE 8 BITS

1990

1.- Motorola
2.- Mitsubishi
3.- NEC
4.- Intel
5.- Hitachi
6.- Philips
7.- Matsushita
8.- National
9.- Siemens
10.- TI
11.- Sharp
12.- Oki
13.- Toshiba
14.- SGS-Thomson
15.- Zilog
16.- Matra
17.- SONY
18.- Fujitsu
19.- AMD
20.- Microchip

1996

1.- Motorola
2.- Mitsubishi
3.- SGS-Thomson
4.- NEC
5.- Microchip
6.- Philips
7.- Zilog


2002

1.- Microchip
2.- Motorola
3.- ST-Micro
4.- NEC
5.- Atmel
6.- Sunplus
7.- Hitachi
8.- Fujitsu
9.- Philips
10.- Toshiba
11.- Mitsubishi
12.- Samsung
13.- Elan
14.- Winbond
15.- Zilog
16.- Sanyo
17.- Matsushita
18.- Infineon
19.- Holtek
20.- National


¿Dónde tenemos microprocesadores y microcontroladores?

30% computacion

30% hogar

15% comunicaciones

15% industria

10% automovil

Evolución Microprocesadores: Computadores

75 Millones Microprocesadores/año

Evolución Microcontroladores: Sistemas Empotrados

2500 Millones Microcontroladores/año

“SISTEMAS EMPOTRADOS” (Embedded systems):


Sistemas que incorporan microcontroladores (o microprocesadores) para una tarea específica pero que no son “visibles” ni “programables” directamente por el usuario. “Empotrado” también quiere decir oculto o escondido. Cuando se usa un PC, uno es consciente de que dentro está un microprocesador. ¿Y cuando usamos un teléfono móvil, un reloj, una calculadora, una lavadora, un cargador de baterías, un mando a distancia, un secador de pelo, un lavaplatos, un equipo de música,...?

Los microcontroladores de 8 bits dominan en la mayoría de las aplicaciones el microcontrolador es el núcleo del sistema electrónico versátil de bajo coste y reducido tamaño que es capaz de detectar las señales de entrada y generar las salidas de un equipo, sistema o instrumento. Por su reducido tamaño y coste permiten la fácil implantación de sistemas de “inteligencia” distribuida a lo largo de sistemas más complejos. Los microcontroladores son los semiconductores más abundantes de todos en la actualidad.


El catálogo actual de Familias de Microcontroladores PIC
• Familia PIC10F20x 4 Dispositivos
• Familia PIC12CXXX/12FXXX (12/14 bits) 8 Dispositivos
• Familia PIC16C5X (12 bits) 9 Dispositivos
• Familia PIC16CXXX/16FXXX (14 bits) 74 Dispositivos
• Familia PIC17CXXX (16 bits) 7 Dispositivos
• Familia PIC18CXXX/18FXXX (16 bits) 82 Dispositivos

TOTAL: ¡ 177 Dispositivos !

Versiones de Memoria de Programa:
OTP, EPROM, EEPROM y FLASH

Los microcontroladores son la evolución natural de la tecnología de la microelectrónica de los microprocesadores. Un microprocesador se basa en una CPU donde el bus de datos, el bus de direcciones y el bus de control salen al exterior, en ellos se conectan los periféricos necesarios para realizar un sistema.


Un microcontrolador integra una cantidad de periféricos, así como el bus y permite tener un dispositivo para cada solución.


Aunque, siguen existiendo microcontroladores con bus externo, normalmente son de 16 o 32 bits y se utilizan en sistemas donde a parte de los periféricos necesarios se necesita una gran cantidad de memoria de programa, memoria de datos o entradas/salidas.

Novedades relevantes de los microcontroladores

Los microcontroladores día a día nos van sorprendiendo con nuevas características, nuevos periféricos y nuevas estructuras. En este comienzo de milenio, realmente han dado un gran adelanto con la tecnología Flash en la memoria de programa, que permite programar y borrar la memoria en la propia placa de nuestro sistema (ISP). También permite la reprogramación de la misma sin parar la aplicación (IAP).
Con la incorporación de un circuito PLL en el oscilador, permite poder utilizar un cristal de baja frecuencia, así como programar la frecuencia del Bus. Los supervisores de funcionamiento tanto a nivel software como a nivel hardware, es otra mejora relevante, lo que permite reducir el número de componentes externos en nues tro hardware. Las nuevas tecnologías del silicio permiten aumentar la velocidad del Bus y disminuir el consumo, así como utilizar encapsulados más pequeños, reduciendo el costo. También la incorporación de un módulo de depuración interno, ha permitido crear nuevas herramientas de desarrollo mucho más económicas, donde se puede tener una emulación en tiempo real.


Fabricantes y Novedades
Analog Devices:
Integra convertidores A/D y D/A de altas prestaciones en la que le han añadido un microcontrolador de 8 bits del 8051 con Flash. Además incluye un sensor de temperatura, un multiplexor de entrada, una circuitería para la calibración del convertidor, referencia de tensión, etc. Es la familia AduC8xx, con convertidores de 12 bits, 16 y 24 bits.

Cypress:
Ha fabricado lo que puede ser la cuarta generación de microcontroladores con Flash de 8 bits con Periféricos Analógicos y Digitales Programables a muy bajo costo. Los denominan PSOC (Sistema Programable integrado en un microcontrolador, desde 8 pins y 4Kbytes de Flash hasta 48 pins y 16Kbytes de Flash. Los bloques PSoC Digitales pueden actuar como ‘timers’, contadores, puertos serie, generadores de CRC o generadores de números pseudo-aleatorios. Los bloques PSoC también se pueden interconectar para aumentar su precisión (por ejemplo, dos contadores de 8 bits hacen un contador de 16 bits). Los bloques PSoC Analógicos consisten en circuitos amplificadores operacionales programables que pueden configurarse para realizar un juego de funciones periféricas analógicas típicas. Pueden ser programados a través de unos registros para interconectar y ajustar el circuito amplificador operacional apropiado para crear el resultado deseado.
Entre los periféricos típicos que se puede crear hay amplificadores, DACs, ADCs, drivers analógicos y filtros pasaaltos, pasa-bajos y pasa-banda.

Hitachi:
Cubre los 8, 16 y 32 bits sobre todo con muchas E/S, con Flash, con una buena relación Prestaciones/Precio, sobre todo en los 16 bits.

Intel:
Está centrado en los microprocesadores de 32 bits 386, 486, Pentium procedentes del mundo del PC y últimamente con un sistema completo ARM de muy bajo consumo, para aplicaciones de mano.

Infineon:
Está centrado en los microcontroladores de 8, 16 bits dedicados principalmente a la automoción, con bus CAN, aunque son OTP.

Motorola:
Cubre los 8, 16 y 32 bits, centrándose en los 8 bits con una familia muy amplia en capacidades y patillajes; y en los 32 bits de bajo costo con la familia ColdFire, MCore y PowerPC. Es la familia más completa y evolutiva, compatible en software desde hace veinte años con el 6805, 68HC11 y el 68000.

Philips:
Ha expandido y evolucionado los 8051, con versiones Flash con ISP y IAP, y con versiones de alta velocidad. También los LPC (LowPinCount) de pequeño patillaje, UART incorporada y también DAC o PWM según el modelo, aparecerán próximamente con Flash.

ST Microelectronics:
Avanza en los 8 bits con la Flash con la familia ST7 y en 32 bits con el STPC (un PC en un xip). También acaba de presentar la familia ST5 especializada en lógica difusa, para control industrial y control de motores. Integran una CPU y además un coprocesador Fuzzy, llamado Decision Processor, que realiza:

• Hasta 8 Entradas y 2 Salidas para Algoritmos de Decisión
• Pautas de Decisión hasta la capacidad de la memoria
• Resolución de datos de 8/16-Bits
• Acumulador de 20-Bits
• Multiplicación y División por hardware
• Acumulación por hardware
• Mínimo hardware y cálculos Máximos
• 3 bytes para Pautas de Decisión
• Tiempo de ejecución 2,9 us de Pautas de Decisión
• Manejo de Funciones de Decisión
• Decodificación de Instrucciones Fuzzy
• Manejo de variables Fuzzy
• Manejo de Interrupciones Fuzzy
• Cómputo de pautas
• Registros de Decisión especializados

Texas Instruments:
Es el líder absoluto en bajo consumo, en una estructura de 16 bits Flash de un bajo costo, con la familia MSP430. Todo equipo con batería tiene esta familia de microcontroladores para que tenga una larga vida sin cambiar la batería.
En la gráfica anterior se pueden ver los consumos en los diferentes Modos de consumo: Activo, LPM0, 2, 3 y 4, del MSP430. En la otra gráfica se pueden ver los picos de consumo al despertarse el microcontrolador, que no se pueden comparar con otros micros de bajo consumo.

Microcontroladores PIC
• Arquitectura Harvard: buses internos separados para memoria de datos (8 bits) y de programa (12, 14 ó 16 bits depende de la familia).
• Microprocesador RISC: juego de intrucciones reducido.
• Estructura pipe-line: durante la ejecución de una instrucción, se está accediendo a la memoria de programa para traer la siguiente instruccióna ejecutar. En cuanto se acaba una instrucción, ya se dispone de la siguiente para ejecutar (salvo que se trate de un salto o llamada a subpr.).
• Todas las instrucciones ocupan una posición de memoria de programa.
• Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción = 4 ciclos de reloj (salvo las instrucciones de salto).
• Ortogonalidad de los registros: se opera entre el registro de trabajo W y cualquier otro registro, el resultado puede almacenarse en el citado registro o en W


¿Por qué los Microcontroladores PIC de Microchip?
• Eficiencia del código: permiten una gran compactación de los programas.
• Rapidez de ejecución: a frecuencia de 20MHz -> 5 millones de instr./seg.
• Seguridad en acceso por la separación de memoria de datos y de programa.
• Juego reducido de instrucciones y de fácil aprendizaje.
• Compatibilidad de pines y código entre dispositivos de la misma familia o incluso de familias distintas.
• Gran variedad de versiones en distintos encapsulados (desde 8 hasta 84 pines) sin reducción de las prestaciones internas (muy versátiles).
• Posibilidad de protección del código muy fiable.
• Herramientas de desarrollo software y hardware abundantes y de bajo coste

La influencia de los MICROCONTROLADORES en la vida diaria

El microcontrolador es uno de los logros más sobresalientes del siglo XX. Hoy existen casi 15,000 millones de microchips de alguna clase en uso. Para la mitad del siglo próximo, es posible que el microcontrolador típico tenga mayor poder de cómputo que las supercomputadoras más veloces de hoy.
Nuestros antepasados no podían ni imaginarse el cambio que se iba a producir en sus vidas este pequeño chip de silicio.
Actualmente los podemos encontrar en cualquier sitio: microondas, frigoríficos, coches, aviones, mandos a distancia, radios, televisores.......
Hoy se puede comprar tarjetas de felicitación que contienen procesadores con mayor poder de cómputo que las computadoras más grandes del mundo en 1971. Los microcontroladores son tan ubicuos y económicos que ahora los ponemos bajo la piel de nuestras mascotas, los cosemos a prendas de vestir y los agregamos a bombillas eléctricas, tenis para correr, ataduras de esquíes y joyería.
Muchos futuristas predicen que en siete generaciones contadas a partir de ahora, estos chips incorporarán reconocimiento del habla a procesadores de textos y sistemas de entrada de pedidos. Producirán gráficos en 3D del tamaño de muros para televisión, teleconferencias e incluso películas personalizadas. Dirigirán nuestros vehículos para optimizar la seguridad y crearán mundos virtuales por los que nos desplazaremos. Darán instrucción a nuestros hijos, supervisarán nuestra salud, reemplazarán partes perdidas del cuerpo y, a través de una retícula de miles de millones de sensores, nos conectarán con el mundo en formas que sólo podemos imaginar vagamente.En definitiva, el microcontrolador puede ser considerado como uno de los inventos más importantes de este siglo, y quien sabe si también del próximo.

Algunos microcontroladores más especializados poseen además convertidores análogo digital, temporizadores, contadores y un sistema para permitir la comunicación en serie y en paralelo.
Se pueden crear muchas aplicaciones con los microcontroladores. Estas aplicaciones de los microcontroladores son ilimitadas (el límite es la imaginación) entre ellas podemos mencionar: sistemas de alarmas, juego de luces, paneles publicitarios, etc. Controles automáticos para la Industria en general. Entre ellos control de motores DC/AC y motores de paso a paso, control de máquinas, control de temperatura, control de tiempo, adquisición de datos mediante sensores, etc.
Un controlador es un dispositivo electrónico encargado de, valga la redundancia, controlar uno o más procesos. Por ejemplo, el controlador del aire acondicionado, recogerá la información de los sensores de temperatura, la procesará y actuará en consecuencia.
Al principio, los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos. Más tarde, se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de E/S,… sobre una placa de circuito impreso (PCB). Actualmente, los controladores integran todos los dispositivos antes mencionados en un pequeño chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de microcontrolador.