Breve introducción al Diseño con Microcomputadores. Arquitecturas de Hardware

1. DISEÑO DE COMPUTADORAS
PUCESI

2. TEMATICA
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 SISTEMAS MICROPROCESADOS.
 SISTEMAS MICROCONTROLADOS.
 SISTEMAS EMBEBIDOS

3. CONTROL DE PROCESOS
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
OPERADOR
SENSORES O
CAPTORES
ACTUADORES
EQUIPO A CONTROLAR O
PROCESO INDUSTRIAL
UNIDAD DE
CONTROL
Elementos de programación Información recibida
Informaciones
del sistema
Ordenes a ser
ejecutadas
OPERADOR
SENSORES O
CAPTORES
ACTUADORES
EQUIPO A CONTROLAR O
PROCESO INDUSTRIAL
UNIDAD DE
CONTROL
Elementos de programación Información recibida
Informaciones
del sistema
Ordenes a ser
ejecutadas

4. SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
CARACTERÍSTICAS DEL
SISTEMA
CABLEADA PROGRAMABLE
 Mantenimiento
 Costo
 Adaptación de procesos
 Posibilidades de ampliación
 Interconexión y cableado exterior
 Estructuración en bloques
independientes
Mucho
Bajo
Difícil
Bajas
Mucho
Difícil
Poco
Alto
Fácil
Altas
Poco
Fácil

5. SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
PROBLEMA PROGRAMADOR
ANALISIS
CONOCIMIENTOS
PROGRAMA SISTEMA mP SOLUCION
DATOS DEL PROBLEMA
PROBLEMA PROGRAMADOR
ANALISIS
CONOCIMIENTOS
PROGRAMA SISTEMA mP SOLUCION
DATOS DEL PROBLEMA

6. ARQUITECTURAS
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HARDWARE
 Von Neuman
 Segmentada.
 Harvard
SOFTWARE
 CISC
 RISC
 SISC

7. ARQUITECTURA VON NEUMAN
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COMPUTADORAS
 Máquina secuencial
 Ejecuta solo una
operación a la vez
 Bus de datos y
direcciones
compartidos
 Lenta
 Generalmente se
combina con software
tipo CISC
CPUCPU
MEMORIA DE
PROGRAMA
Y DATOS
MEMORIA DE
PROGRAMA
Y DATOS
CPUCPU
MEMORIA DE
PROGRAMA
Y DATOS
MEMORIA DE
PROGRAMA
Y DATOS

8. ARQUITECTURA SEGMENTADA
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COMPUTADORAS
 Máquina secuencial
 Buses de datos y
direcciones compartidos
 Diseño multietapa
(Pipeline)
 El diseño multietapa le
permite ejecutar más de una
operación a la vez
 Se encuentra combinada
con software CISC y en
pocas ocasiones con RISC
 Más rápida queVon
Neuman
OSC
PC PC+1
BUSQUEDA INST (PC)
EJECUTA INST (PC-1) BUSQUEDA INST (PC+1)
EJECUTA INST (PC)
CICLO MAQUINA
OSC
PC PC+1
BUSQUEDA INST (PC)
EJECUTA INST (PC-1) BUSQUEDA INST (PC+1)
EJECUTA INST (PC)
CICLO MAQUINA
PC PC+1
BUSQUEDA INST (PC)
EJECUTA INST (PC-1) BUSQUEDA INST (PC+1)
EJECUTA INST (PC)
CICLO MAQUINA

9. ARQUITECTURA HARVARD
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COMPUTADORAS
 Separa los buses de
datos, direcciones y
control, y los hace
totalmente
independientes.
 Lo anterior permite leer
instrucciones con mayor
velocidad
 Pueden direccionar altas
cantidades de memoria
 Se combinan con
software RISC
CPUCPU
MEMORIA DE
PROGRAMA
(ROM)
MEMORIA DE
PROGRAMA
(ROM)
MEMORIA DE
DATOS
(RAM)
MEMORIA DE
DATOS
(RAM)CPUCPU
MEMORIA DE
PROGRAMA
(ROM)
MEMORIA DE
PROGRAMA
(ROM)
MEMORIA DE
DATOS
(RAM)
MEMORIA DE
DATOS
(RAM)

10. ARQUITECTURA CISC
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 Complex Instruction Set Computer .
 Set de instrucciones grande.
 Ofrece una amplia gama de operaciones.
 Facilita el trabajo de programación.
 Reduce el tamaño del código de programa.
 Incrementa el costo de aprender la programación

11. ARQUITECTURA RISC
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 Reduced Instruction Set Computer
 Pocas instrucciones
 Más fácil de aprender el método de
programación
 Mayor tamaño del código de programa

12. ARQUITECTURA SISC
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 (Specific Instruction Set Computer).
 Estos procesadores poseen un juego de
instrucciones específico para cada aplicación.
Están destinadas a aplicaciones muy concretas.

13. ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE
MICROPROCESADORES
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
UNIDAD DE
CONTROL
UNIDAD DE
CONTROL
ALUALU
UNIDAD DE
ENTRADA
UNIDAD DE
ENTRADA
UNIDAD DE
SALIDA
UNIDAD DE
SALIDA
MEMORIA
RAM
MEMORIA
RAM
MEMORIA
ROM
MEMORIA
ROM
Unidad E/S CPU o mP Unidad de memoria
UNIDAD DE
CONTROL
UNIDAD DE
CONTROL
ALUALU
UNIDAD DE
ENTRADA
UNIDAD DE
ENTRADA
UNIDAD DE
SALIDA
UNIDAD DE
SALIDA
MEMORIA
RAM
MEMORIA
RAM
MEMORIA
ROM
MEMORIA
ROM
Unidad E/S CPU o mP Unidad de memoria

14. PARTES DE UN SISTEMA DE
MICROPROCESADOR
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
Salida
RAM ROM
CPUCPU
Bloque E/S
Entrada
Bloque de
memoria
Periféricos de
entrada
Periféricos de
entrada
Periféricos de
salida
Periféricos de
salida
Bus de datos
Bus de direcciones
Bus de control
CLK
Salida
RAM ROM
CPUCPU
Bloque E/S
Entrada
Bloque de
memoria
Periféricos de
entrada
Periféricos de
entrada
Periféricos de
salida
Periféricos de
salida
Bus de datos
Bus de direcciones
Bus de control
CLK

15. BLOQUES DE LA CPU
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COMPUTADORAS
Procesa información binaria
en base de un programa escrito
en la memoria
CPU o mP
Ejecuta e interpreta las instrucciones.
Sincroniza el funcionamiento de
todos los componentes del sistema
Ejecuta e interpreta las instrucciones.
Sincroniza el funcionamiento de
todos los componentes del sistema
Ejecuta operaciones:
Aritméticas: +, -, complemento a dos.
Lógicas: and, or, not, xor, comparación.
Además: desplazamiento, rotación y traslado
de información digital
Ejecuta operaciones:
Aritméticas: +, -, complemento a dos.
Lógicas: and, or, not, xor, comparación.
Además: desplazamiento, rotación y traslado
de información digital
UNIDAD DE CONTROLUNIDAD DE CONTROL
UNIDAD ARITMETICO-LOGICAUNIDAD ARITMETICO-LOGICA
Memorias para almacenamiento temporal
de datos necesarios para el desarrollo de
las actividades del mP.
Memorias para almacenamiento temporal
de datos necesarios para el desarrollo de
las actividades del mP.
BLOQUE DE REGISTROSBLOQUE DE REGISTROS
Procesa información binaria
en base de un programa escrito
en la memoria
CPU o mP
Ejecuta e interpreta las instrucciones.
Sincroniza el funcionamiento de
todos los componentes del sistema
Ejecuta e interpreta las instrucciones.
Sincroniza el funcionamiento de
todos los componentes del sistema
Ejecuta operaciones:
Aritméticas: +, -, complemento a dos.
Lógicas: and, or, not, xor, comparación.
Además: desplazamiento, rotación y traslado
de información digital
Ejecuta operaciones:
Aritméticas: +, -, complemento a dos.
Lógicas: and, or, not, xor, comparación.
Además: desplazamiento, rotación y traslado
de información digital
UNIDAD DE CONTROLUNIDAD DE CONTROL
UNIDAD ARITMETICO-LOGICAUNIDAD ARITMETICO-LOGICA
Memorias para almacenamiento temporal
de datos necesarios para el desarrollo de
las actividades del mP.
Memorias para almacenamiento temporal
de datos necesarios para el desarrollo de
las actividades del mP.
BLOQUE DE REGISTROSBLOQUE DE REGISTROS

16. ESTRUCTURA INTERNA DE LA CPU
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
REGISTROS
DE PROPOSITO
GENERAL
REGISTROS
DE PROPOSITO
GENERAL
SRSR
ACAC
ALUALU
PCPC
IRIR
BUSES INTERNOS
REGISTRO INTERMEDIO
DE DATOS
REGISTRO INTERMEDIO
DE DATOS
REGISTRO INTERMEDIO
DE DIRECCIONES
REGISTRO INTERMEDIO
DE DIRECCIONES
LOGICA DE
CONTROL
Y
TEMPORIZACION
LOGICA DE
CONTROL
Y
TEMPORIZACION
ACUMULADOR
REG. ESTADOS
CONTADOR DE PROG.
REG. INSTRUCCIONES
BUS DEL SISTEMA HACIA LA MEMORIA PRINCIPAL Y DISPOSITIVOS DE E/S
BUS DE DATOS BUS DE DIRECCION BUS DE CONTROL
REGISTROS
DE PROPOSITO
GENERAL
REGISTROS
DE PROPOSITO
GENERAL
SRSR
ACAC
ALUALU
PCPC
IRIR
BUSES INTERNOS
REGISTRO INTERMEDIO
DE DATOS
REGISTRO INTERMEDIO
DE DATOS
REGISTRO INTERMEDIO
DE DIRECCIONES
REGISTRO INTERMEDIO
DE DIRECCIONES
LOGICA DE
CONTROL
Y
TEMPORIZACION
LOGICA DE
CONTROL
Y
TEMPORIZACION
ACUMULADOR
REG. ESTADOS
CONTADOR DE PROG.
REG. INSTRUCCIONES
BUS DEL SISTEMA HACIA LA MEMORIA PRINCIPAL Y DISPOSITIVOS DE E/S
BUS DE DATOS BUS DE DIRECCION BUS DE CONTROL

17. ESTRUCTURA INTERNA DE LA CPU
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COMPUTADORAS
 La Unidad Aritmético-lógica se encarga de realizar las
operaciones lógicas y aritméticas usando como base la suma y
la notación del complemento de dos. Estas operaciones
(SUMA, RESTA, COMPLEMENTO DE DOS, AND, OR, NOT,
XOR y la COMPARACIÓN) las realiza con datos de la
memoria, con datos de los registros internos o con datos de la
unidad de entrada. El tipo de operación que se realizará, se
determina por medio de señales de la unidad de control.
 Conectados por medio del bus interno se encuentran los
Registros Internos para el almacenamiento temporal de
datos. Cabe mencionar que todo microprocesador tiene un
registro muy importante llamado ACUMULADOR el cual
contiene el primer operando de una operación y el resultado
de la misma luego de haberla ejecutado.

18. REGISTROS
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Registro Contador de Programa (PC), es el que indica al
microprocesador la dirección de memoria donde se está
ejecutando el programa. Cada vez que se lee una instrucción,
el PC se incrementa automáticamente para suministrar la
dirección de la posición de memoria donde se encuentra la
siguiente instrucción o dato del programa.

 Registro de instrucciones (IR). Cada vez que el
microprocesador capta una instrucción, esta se almacena en el
registro IR, con el fin de proceder a su decodificación o
interpretación y buscar en la ROM del microprograma el
conjunto de microinstrucciones necesarios para su ejecución.
Esta función la realiza un circuito denominado decodificador de
instrucciones.

19. REGISTROS
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 El Registro Acumulador (Ac) es utilizado por muchas
instrucciones como fuente o destino de datos. En él,
generalmente, se deposita el resultado de una operación.
 El Registro de estado (SR) suministra, a través de sus
bits (llamados banderas (flags)), información relativa a
la ejecución de ciertas instrucciones como signo,
sobreflujo, paridad, generación de acarreo, resultado
negativo o cero, etc. Mediante la verificación del estado
de estas banderas se pueden realizar bifurcaciones en la
secuencia del programa.

20. REGISTROS
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Registros de propósito general. Son utilizados para
almacenar direcciones de memoria, datos, resultados
intermedios y otros propósitos. El número y tipos de
registros que posee un microprocesador es una parte
muy importante en su arquitectura y su programación.

21. TIPOS DE MEMORIAS
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
MODULO DE MEMORIAMODULO DE MEMORIA
MEMORIA LECTURA/ESCRITURA
(ACCESO ALEATORIO)
MEMORIA LECTURA/ESCRITURA
(ACCESO ALEATORIO)
MEMORIA DE VALOR FIJO
(SOLO LECTURA)
MEMORIA DE VALOR FIJO
(SOLO LECTURA)
RAM ESTATICAS
(SRAM)
RAM ESTATICAS
(SRAM)
RAM DINAMICAS
(DRAM)
RAM DINAMICAS
(DRAM)
PROM
PROGRAMABLES
POR EL USUARIO
PROM
PROGRAMABLES
POR EL USUARIO
ROM
PROGRAMABLES
POR MASCARA
ROM
PROGRAMABLES
POR MASCARA
ALMACENAMIENTO
SECUNDARIO
ALMACENAMIENTO
SECUNDARIO
PROMPROM EPROMEPROM OTPOTP EEPROMEEPROM FLASHFLASH
MODULO DE MEMORIAMODULO DE MEMORIA
MEMORIA LECTURA/ESCRITURA
(ACCESO ALEATORIO)
MEMORIA LECTURA/ESCRITURA
(ACCESO ALEATORIO)
MEMORIA DE VALOR FIJO
(SOLO LECTURA)
MEMORIA DE VALOR FIJO
(SOLO LECTURA)
RAM ESTATICAS
(SRAM)
RAM ESTATICAS
(SRAM)
RAM DINAMICAS
(DRAM)
RAM DINAMICAS
(DRAM)
PROM
PROGRAMABLES
POR EL USUARIO
PROM
PROGRAMABLES
POR EL USUARIO
ROM
PROGRAMABLES
POR MASCARA
ROM
PROGRAMABLES
POR MASCARA
ALMACENAMIENTO
SECUNDARIO
ALMACENAMIENTO
SECUNDARIO
PROMPROM EPROMEPROM OTPOTP EEPROMEEPROM FLASHFLASH

22. BUSES
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
MICROPROCESADOR
BUS DE
DIRECCIONES
BUS DE
DATOS
ENTRADAS
DE CONTROL
SALIDAS
DE CONTROL
FUENTE DE
ALIMENTACION
BUS DE
CONTROL
MICROPROCESADOR
BUS DE
DIRECCIONES
BUS DE
DATOS
ENTRADAS
DE CONTROL
SALIDAS
DE CONTROL
FUENTE DE
ALIMENTACION
BUS DE
CONTROL

23. BUSES
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Bus de datos está constituido por líneas bidireccionales.
El número N de líneas del bus de datos es en general,
igual con la longitud de la palabra de datos del
microprocesador. Por el bus de datos de transfiere la
información binaria entre el microprocesador y los
periféricos o entre el microprocesador y la memoria, o
directamente entre el periférico y la memoria, en caso de
existir dispositivos de acceso directo a la memoria. Por lo
tanto éste bus determina el tipo de procesador ( 4, 8 16
o 32 bits) y el número de periféricos que se pueden
conectar al microprocesador (por ejemplo para un
microprocesador de 8 bits se conectarán 27 periféricos).
Este bus es tri-state.

24. BUSES
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Bus de direcciones está formado por líneas
unidireccionales. Es utilizado para la transferencia de
información necesaria para la selección de una
determinada posición de memoria o de un puerto
del módulo de E/S. Esta información representa la
dirección de una posición de memoria o de un puerto de
entrada o salida (del módulo de E/S), seleccionados para
la realización de la transferencia de datos por bus
respectivo. El bus de direcciones determina la capacidad
de memoria del sistema.

25. BUSES
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Bus de control está formado por líneas, en general,
unidireccionales. En este bus cada línea tiene un
significado y denominación distinta. El bus de control
contiene la información que envía el microprocesador a
los elementos del sistema o bien recibe de estos con el
propósito de sincronizar su operación con la operación
de la circuitería externa. El número de líneas del bus de
control es variable y depende dl microprocesador
particular utilizado

26. CIRCUITO DE RELOJ Y RESET
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS

27. CIRCUITO DE RELOJ Y RESET
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS

28. MODULO DE ENTRADA/SALIDA
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
mP
+
Memoria
mP
+
Memoria
PERIFERICOS
• LED’s
• DISPLAY’s
• ZUMBADORES
• INTERRUPTORES
• SENSORES
ANALOGICOS
• TECLADOS
• Etc.
PERIFERICOS
• LED’s
• DISPLAY’s
• ZUMBADORES
• INTERRUPTORES
• SENSORES
ANALOGICOS
• TECLADOS
• Etc.
ENTRADAENTRADA
ESTADOESTADO
SALIDASALIDA
mP
+
Memoria
mP
+
Memoria
PERIFERICOS
• LED’s
• DISPLAY’s
• ZUMBADORES
• INTERRUPTORES
• SENSORES
ANALOGICOS
• TECLADOS
• Etc.
PERIFERICOS
• LED’s
• DISPLAY’s
• ZUMBADORES
• INTERRUPTORES
• SENSORES
ANALOGICOS
• TECLADOS
• Etc.
ENTRADAENTRADA
ESTADOESTADO
SALIDASALIDA

29. MODULO DE ENTRADA/SALIDA
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
TIPO DISPOSITIVO
ENTRADA Interruptores ON/OFF
Teclados
Sensores y transductores de entrada
SALIDA Visualizadores (Led, LCD, etc)
Pantallas TRC
Impresoras (láser, de jet de tinta, de impacto,etc)
Motores eléctricos y actuadotes
ENTRADA/SALIDA Terminales interactivos
Memorias secundarias
Unidades de disco magnético
Enlaces de comunicaciones
Líneas telefónicas

30. SISTEMAS CON MICROCONTROLADORES
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS

31. SISTEMAS CON MICROCONTROLADORES
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 El microcontrolador es un circuito programable que
contiene todos los componentes de un computador. Se
emplea para controlar el funcionamiento de una tarea
determinada y, debido a su reducido tamaño, suele ir
incorporado en el propio dispositivo que lo gobierna, por
lo tanto, el microcontrolador es un computador
dedicado.

32. MICROPROCESADOR vs
MICROCONTROLADOR
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS

33. MICROPROCESADOR vs
MICROCONTROLADOR
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS

34. ¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR?
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Procesamiento de datos: puede ser necesario que el
microcontrolador realice cálculos críticos en un tiempo
limitado. En ese caso debemos asegurarnos de seleccionar
un dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro
lado, habrá que tener en cuenta la precisión de los datos
a manejar: si no es suficiente con un microcontrolador de
8 bits, puede ser necesario acudir a microcontroladores
de 16 ó 32 bits, o incluso a hardware de coma flotante.
Una alternativa más barata y quizá suficiente es usar
librerías para manejar los datos de alta precisión.

35. ¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR?
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Entrada Salida: para determinar las necesidades de
Entrada/Salida del sistema es conveniente dibujar un
diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea
sencillo identificar la cantidad y tipo de señales a
controlar. Una vez realizado este análisis puede ser
necesario añadir periféricos hardware externos o cambiar
a otro microcontrolador más adecuado a ese sistema.

36. ¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR?
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Consumo: algunos productos que incorporan
microcontroladores están alimentados con baterías y su
funcionamiento puede ser tan vital como activar una
alarma antirrobo. Lo más conveniente en un caso como
éste puede ser que el microcontrolador esté en estado
de bajo consumo pero que despierte ante la activación de
una señal (una interrupción) y ejecute el programa
adecuado para procesarla.

37. ¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR?
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Memoria: para detectar las necesidades de memoria de
nuestra aplicación debemos separarla en memoria volátil
(RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM, etc.) y memoria no
volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria
puede ser útil para incluir información específica de la
aplicación como un número de serie o parámetros de
calibración. El tipo de memoria a emplear vendrá determinado
por el volumen de ventas previsto del producto: de menor a
mayor volumen será conveniente emplear EPROM, OTP y
ROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser
imprescindible realizar una versión preliminar, aunque sea en
pseudo-código, de la aplicación y a partir de ella hacer una
estimación de cuánta memoria volátil y no volátil es necesaria
y si es conveniente disponer de memoria no volátil
modificable.

38. ¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR?
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COMPUTADORAS
 Ancho de palabra: el criterio de diseño debe ser
seleccionar el microcontrolador de menor ancho de
palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación.
Usar un microcontrolador de 4 bits supondrá una
reducción en los costes importante, mientras que uno de
8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los datos
es de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits,
debido a su elevado coste, deben reservarse para
aplicaciones que requieran sus altas prestaciones
(Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento
muy elevado).


39. ¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR?
LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DE
COMPUTADORAS
 Diseño de la placa: la selección de un microcontrolador
concreto condicionará el diseño de la placa de circuitos.
Debe tenerse en cuenta que quizá usar un
microcontrolador barato encarezca el resto de
componentes del diseño.

40. MUCHAS GRACIAS
PREGUNTAS /
COMENTARIOS
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