Topologías y roles

01 · Punto de partida

De dos dispositivos a muchos

Con dos dispositivos, la comunicación es sencilla: un cable, un emisor y un receptor. Pero un proyecto real rara vez se queda ahí. Una placa maneja un sensor de temperatura, una pantalla, una memoria y un reloj; una planta tiene decenas de medidores; una casa tiene cientos de dispositivos conectados al router. Con tantos participantes hay que resolver dos problemas que no existían antes.

• El problema del cableado. ¿Cómo se conectan? ¿Cada uno con cada otro, todos a un mismo cable o todos a un punto central? La respuesta es la topología.
• El problema del turno. Si dos dispositivos hablan a la vez por el mismo medio, las señales se mezclan y el mensaje se destruye. ¿Quién habla cuándo, y quién puede iniciar una conversación? La respuesta son los roles y el método de acceso al medio.

Es un problema conocido en programación: varios hilos que escriben en el mismo recurso sin coordinación producen datos corruptos, y por eso existen los semáforos, las colas y los protocolos de acceso. En un bus, el recurso compartido es el cable.

02 · Dos mapas distintos

Topología física y lógica

La topología física describe cómo están tendidos los cables: dónde llega cada uno y cómo se conectan. La topología lógica describe cómo circulan los datos: quién puede hablar con quién y por qué camino. Pueden diferir.

Un ejemplo clásico: una red Ethernet con un concentrador (hub) tiene cableado en estrella física, porque cada equipo tiene su propio cable hasta el centro, pero se comporta como un bus lógico, porque el concentrador repite cada señal por todos los puertos y todos comparten el medio. En cambio, con un conmutador (switch), la topología lógica también es una estrella: el centro entrega cada mensaje solo al puerto destinatario.

También ocurre con SPI. Físicamente, los reloj y datos forman un bus compartido por todos los esclavos, mientras que cada selección de chip es una línea punto a punto que sale del maestro hacia un esclavo. Para el programador, importa más la topología lógica (¿a quién le puedo escribir y cuándo?), pero para el soldador y el diseñador de placas importa la física (¿cuánto cable y qué impedancia?). En este tema usamos «topología» en ambos sentidos y aclaramos cuando difieren.

03 · El mapa

Punto a punto, bus, estrella, anillo y malla

Punto a punto

Dos dispositivos unidos por un enlace exclusivo. Es la más simple: no hay direcciones, ni turnos, ni conflictos. La UART entre un microcontrolador y una computadora, el RS-232 y un enlace de radio entre dos módulos son ejemplos. El problema aparece al crecer: conectar n dispositivos entre sí con enlaces punto a punto exige n(n − 1)/2 enlaces (una malla completa): 15 para 6 nodos y 496 para 32.

Bus

Todos los dispositivos comparten un mismo cable (el troncal) al que se conectan por derivaciones cortas. Es la topología de I²C, de RS-485, de CAN y de 1-Wire, y la de las líneas de reloj y datos de SPI. Ahorra cable y simplifica agregar nodos: basta con enganchar uno más. A cambio, exige reglas para compartir el medio y cuidar la calidad de la señal: cada nodo suma capacidad y carga, las derivaciones largas generan reflexiones y los extremos del bus necesitan una terminación (típicamente una resistencia de 120 Ω en RS-485 y CAN, que veremos en los temas 24 y 27). Y si el cable troncal se corta, el bus queda dividido en dos.

Estrella

Cada dispositivo tiene su propio enlace hacia un nodo central, que concentra o reenvía el tráfico. Es la topología de Ethernet con conmutador, de Wi-Fi (punto de acceso), de Bluetooth y BLE (un dispositivo central con varios periféricos) y de las redes LoRaWAN (puerta de enlace). La falla de un cable o de un nodo solo aísla a ese nodo, y la ubicación de los problemas es fácil. Su punto débil es el centro: si falla, la red entera cae, y su capacidad limita el número de nodos.

Anillo, árbol y malla

• Anillo. Cada nodo se une con el siguiente y el último con el primero; los mensajes circulan en un sentido y pasan por todos. Se usa en algunos buses industriales, y un SPI en cadena (daisy chain) lo reproduce: los datos salen del maestro, atraviesan cada dispositivo y vuelven al maestro.
• Árbol. Una jerarquía de estrellas: el USB conecta periféricos a hubs que a su vez cuelgan de otros. Cada nivel agrega retardo y comparte el ancho de banda de su rama.
• Malla (mesh). Los nodos se conectan con varios vecinos y los mensajes encuentran rutas alternativas. Zigbee, Thread y Bluetooth mesh la usan: si un nodo desaparece, los demás reencaminan. A cambio, el software de enrutamiento es complejo.

04 · Costos y fallos

Comparar topologías: cables y fallos

Para elegir una topología conviene preguntarse cuánto cable exige y qué pasa cuando algo falla. Con n nodos:

Dos advertencias sobre el bus. Primero, un nodo defectuoso puede ser peor que uno apagado: si su salida queda atascada en nivel bajo, mantiene la línea baja y inutiliza el bus entero. Es la falla clásica de I²C (un esclavo que se queda sosteniendo SDA), y por eso muchos diseños prevén una forma de reiniciar o aislar nodos. Segundo, el bus real tiene un límite de nodos: depende de la capacidad total (I²C admite 400 pF), de la carga eléctrica de cada receptor (RS-485 estándar admite 32 cargas unitarias) y de las direcciones disponibles.

05 · Quién inicia

Roles: quién inicia la conversación

La topología describe los cables; los roles describen el comportamiento de cada dispositivo en la conversación. Lo esencial es saber quién puede empezar a hablar:

Observá que roles y topología son independientes: Modbus es maestro–esclavo sobre un bus RS-485; BLE es central–periférico sobre una estrella; CAN es multimaestro sobre un bus. Cambiar uno de los dos no obliga a cambiar el otro.

La limitación del esclavo

En un esquema maestro–esclavo, un esclavo nunca puede hablar por iniciativa propia. Si un sensor I²C detecta un evento urgente, no tiene forma de avisar sobre el bus. Hay dos soluciones. El maestro puede preguntar periódicamente si hay novedades, lo que se llama sondeo y es el tema de las secciones siguientes. O bien se agrega una línea de interrupción separada del esclavo al maestro, que el esclavo baja para decir «tengo algo»; el maestro entonces inicia la lectura. Muchos sensores I²C y SPI tienen un pin INT con esa finalidad.

En un modelo cliente–servidor, la situación es similar: el servidor espera. Para recibir avisos del servidor sin preguntar continuamente se usan otras técnicas (conexiones persistentes, WebSocket o el modelo de publicación y suscripción de MQTT), que veremos en el bloque de redes IP.

06 · Compartir el medio

Acceso al medio: quién habla cuándo

Si varios nodos comparten un medio, se necesita una regla que evite que hablen a la vez. Los métodos habituales son:

La diferencia importante es entre los métodos deterministas (selección, sondeo, arbitraje, testigo y franjas), donde se puede calcular de antemano cuánto tarda un mensaje, y los aleatorios (CSMA), donde solo hay promedios. Para un sistema de control con plazos estrictos, como el de un automóvil, se elige un método determinista; para una oficina con computadoras, el aleatorio es suficiente y más flexible.

07 · Un truco eléctrico

Arbitraje en un bus de colector abierto

El arbitraje es el método más elegante. Lo usan CAN e I²C multimaestro, y se apoya en lo que vimos en el tema anterior: en una línea de colector abierto, el nivel bajo domina. Si un nodo pone un 0 y otro un 1, la línea queda en 0 (es un Y cableado). Y como cada nodo lee la línea mientras transmite, puede descubrir que alguien más está hablando.

El procedimiento es el siguiente. Todos los nodos que quieren transmitir empiezan a la vez, enviando bit a bit su identificador (el más significativo primero) y comparando lo que envían con lo que ven en el bus:

1. Si el nodo envía un 0, el bus quedará en 0 en cualquier caso: sigue.
2. Si envía un 1 y el bus queda en 1, nadie más puso un 0 en ese bit: sigue.
3. Si envía un 1 pero ve un 0, otro nodo tiene un identificador menor: perdió. Deja de transmitir y se pone a escuchar.

Al terminar el identificador solo queda un nodo, que continúa su mensaje sin que nada se haya corrompido. Gana el identificador numéricamente menor, que representa la máxima prioridad. Un ejemplo con tres nodos de 11 bits (A = 0x120, B = 0x0A5, C = 0x300):

El resultado es que el mensaje de B no sufrió ninguna colisión destructiva. Este mecanismo se llama arbitraje no destructivo, y es lo que da a CAN su comportamiento determinista: el mensaje más prioritario siempre pasa de inmediato. Su condición es que dos nodos jamás usen el mismo identificador; si lo hicieran, no se darían cuenta de la coincidencia hasta que sus datos difirieran, y se produciría un error. Lo desarrollamos en los temas 27 y 28.

08 · Cálculo

Sondeo: el costo de preguntar a todos

En el sondeo, el maestro recorre a los esclavos uno por uno: pregunta, espera la respuesta y pasa al siguiente. Es simple y determinista, pero tiene un costo directo en tiempo. Si cada transacción (pregunta más respuesta) dura t y hay n esclavos, una vuelta completa tarda:

Con la cifra del tema 4 (una consulta Modbus a 9600 baudios tarda unos 25 ms) y 8 esclavos, el ciclo es de 200 ms: cada sensor se lee 5 veces por segundo y un cambio puede pasar hasta 200 ms sin ser notado. Con 32 esclavos, el ciclo sube a 800 ms y cada uno se lee solo 1,25 veces por segundo.

Hay un segundo costo, más traicionero: los esclavos que no responden. Si el maestro espera un tiempo límite (timeout) de 100 ms cada vez que consulta a un esclavo desconectado, ese tiempo se suma al ciclo. Con 8 esclavos y 2 caídos, el ciclo pasa de 200 ms a 6 × 25 + 2 × 100 = 350 ms: dos dispositivos averiados retrasan a todos los demás un 75 %. Por eso conviene elegir un timeout apenas mayor que el tiempo de respuesta normal y, si un esclavo falla repetidamente, consultarlo con menor frecuencia.

Cuando el sondeo se vuelve lento, las salidas son: acelerar el enlace, hacer transacciones más cortas (pedir varios datos juntos en una consulta), dividir los esclavos en varios buses con su propio maestro, o pasar a un método basado en eventos, en el que el que tiene novedades avisa (interrupción o arbitraje).

09 · Con el microcontrolador

Un maestro que sondea y un esclavo que contesta

Veamos el sondeo en código sobre un bus RS-485 (que estudiaremos en el tema 24). El maestro envía una petición dirigida a una dirección, suelta el bus y espera con un tiempo límite. El ejemplo usa Serial1 (Mega, ESP32) para dejar libre el puerto de depuración.

const byte PIN_DE = 4;                      // dirección del transceptor RS-485
const byte N_ESCLAVOS = 4;
const unsigned long TIMEOUT_MS = 40;        // algo mayor que la respuesta normal

bool consultar(byte direccion, int &valor) {
    digitalWrite(PIN_DE, HIGH);              // el maestro toma el bus
    Serial1.write(0x7E);                     // marca de inicio
    Serial1.write(direccion);                // a quién va dirigida
    Serial1.flush();
    digitalWrite(PIN_DE, LOW);               // lo suelta: ahora habla el esclavo

    unsigned long t0 = millis();
    while (Serial1.available() < 3) {
        if (millis() - t0 > TIMEOUT_MS) return false;   // el esclavo no respondió
    }
    byte quien = Serial1.read();
    byte alto = Serial1.read();
    byte bajo = Serial1.read();
    if (quien != direccion) return false;    // respuesta de otro: la descartamos
    valor = (alto << 8) | bajo;
    return true;
}

void loop() {
    for (byte dir = 1; dir <= N_ESCLAVOS; dir++) {     // una vuelta de sondeo
        int v;
        if (consultar(dir, v)) {
            // procesar la lectura del esclavo "dir"
        }
    }
}

Y el esclavo, que escucha todo lo que pasa por el bus y solo contesta cuando la petición lleva su dirección:

const byte MI_DIRECCION = 2;
const byte PIN_DE = 4;

void loop() {
    if (Serial1.available() >= 2) {
        byte inicio = Serial1.read();
        byte destino = Serial1.read();
        if (inicio == 0x7E && destino == MI_DIRECCION) {   // ¿me hablan a mí?
            int lectura = analogRead(A0);
            digitalWrite(PIN_DE, HIGH);                      // recién ahora toma el bus
            Serial1.write(MI_DIRECCION);
            Serial1.write(lectura >> 8);
            Serial1.write(lectura & 0xFF);
            Serial1.flush();
            digitalWrite(PIN_DE, LOW);                       // lo libera enseguida
        }
    }
}

La disciplina clave del esclavo es no hablar nunca sin que se le pregunte y liberar el bus apenas termina; si un esclavo se quedara con el transmisor activo, bloquearía a los demás. Este esquema carece de detección de errores, de reintentos y de un formato robusto: el protocolo Modbus, que veremos en el tema 25, resuelve todo eso sobre la misma idea.

10 · Analogía con programación

Simular el arbitraje y el ciclo de sondeo

En Python, el arbitraje de un bus de colector abierto es un bucle sobre los bits: en cada posición, el bus vale el mínimo de los bits enviados (un 0 siempre domina) y los nodos que enviaron un 1 pero ven un 0 se retiran. Con esa función verificamos la prioridad y detectamos identificadores repetidos; luego calculamos el ciclo de un sondeo.

def arbitrar(ids, nombres, bits=11):
    """Arbitraje por Y cableado: el 0 (dominante) gana. Devuelve los nodos que siguen en pie."""
    activos = list(range(len(ids)))
    for pos in range(bits - 1, -1, -1):
        enviado = {n: (ids[n] >> pos) & 1 for n in activos}
        bus = min(enviado.values())                       # un solo 0 en la línea basta
        for n in activos:
            if enviado[n] != bus:
                print(f"  bit {pos:2d}: {nombres[n]} envió 1, vio 0 y se retira")
        activos = [n for n in activos if enviado[n] == bus]
    return activos


ids = [0x120, 0x0A5, 0x300]
nombres = ["A", "B", "C"]
print("Tres nodos compiten:", [f"{i:011b}" for i in ids])
ganador = arbitrar(ids, nombres)
print("Gana el nodo", nombres[ganador[0]], f"con el identificador 0x{ids[ganador[0]]:03X}")

print()
print("Dos nodos con el MISMO identificador:")
ganador = arbitrar([0x0A5, 0x0A5], ["X", "Y"])
print("Siguen en pie", len(ganador), "nodos: ¡error de diseño!" if len(ganador) > 1 else "nodo")


def ciclo_sondeo(n, t_ms, caidos=0, timeout_ms=100):
    return (n - caidos) * t_ms + caidos * timeout_ms


print()
for n, caidos in ((8, 0), (32, 0), (8, 2)):
    c = ciclo_sondeo(n, 25, caidos)
    print(f"{n:2d} esclavos, {caidos} caídos: ciclo {c:4.0f} ms -> {1000 / c:.2f} lecturas/s por esclavo")

Resultado: con 0x120, 0x0A5 y 0x300, C se retira en el bit 9 y A en el bit 8; gana B (0x0A5), el menor identificador. Con dos nodos idénticos nadie se retira y el programa avisa del error. En el sondeo, 8 esclavos dan un ciclo de 200 ms (5 lecturas por segundo), 32 esclavos llevan el ciclo a 800 ms (1,25 por segundo), y dos esclavos caídos con 100 ms de timeout elevan el ciclo de los 8 a 350 ms. Probá con otros identificadores y buscá cuántos esclavos soporta un ciclo de 100 ms.

La simulación omite el relleno de bits, el tiempo físico del bit y la sincronización entre nodos, que en CAN real es la que hace posible que todos «lean el bus» en el mismo instante. Sirve para entender la lógica de prioridad, no la temporización eléctrica.

11 · Exploración interactiva

Arbitraje y sondeo

El laboratorio tiene dos herramientas. En la primera, hasta cuatro nodos compiten por un bus de colector abierto con identificadores de 11 bits: verás, bit a bit, qué envía cada nodo, qué valor toma el bus y quién se retira. En la segunda, calculás cuánto cuesta cablear n nodos en cada topología y cuánto tarda un maestro en sondear a todos sus esclavos.

En la primera herramienta, un nodo desactivado no participa. Si dos nodos activos tienen el mismo identificador, el arbitraje no puede separarlos y la herramienta lo señala. En la segunda, el ciclo es (esclavos que responden) × (tiempo de consulta) + (caídos) × (timeout).

Recorrido guiado

1. Con los valores iniciales (A = 288, B = 165 y C = 768), los tres empiezan igual en el bit 10. En el bit 9, C envía 1 pero el bus queda en 0: C se retira. En el bit 8, A envía 1 y el bus queda en 0: A se retira. B sigue solo y gana con el identificador 165 (0x0A5).
2. Activá el nodo D (identificador 100). Ahora el que se retira en el bit 7 es B: D es el menor y gana, aunque B ya había superado a A y C. La prioridad la define solo el número.
3. Poné el identificador de D en 0. Un identificador cero tiene todos los bits dominantes: nunca pierde un arbitraje. Es la máxima prioridad posible.
4. Igualá los identificadores de B y D (165 y 165) y mirá el aviso: dos nodos con el mismo identificador no se pueden distinguir y el bus acaba en un error.
5. Desactivá A, C y D: B transmite solo y el arbitraje es trivial, sin ningún nodo retirado.
6. En la segunda herramienta, con 8 esclavos y 25 ms por consulta, el ciclo es de 200 ms: cada esclavo se lee 5 veces por segundo. Subí a 32 esclavos: 800 ms y 1,25 lecturas por segundo.
7. Con 8 esclavos, poné 2 caídos y un timeout de 100 ms: el ciclo sube a 350 ms. Bajá el timeout a 40 ms: queda en 230 ms. Un timeout ajustado limita el daño de los esclavos averiados.
8. Mirá la cantidad de cables con 32 nodos: el bus necesita 1 troncal con 32 derivaciones, la estrella 32 cables y la malla completa 496 enlaces.

12 · Método de trabajo

Cómo elegir topología y roles

1. Contá los dispositivos y su ubicación. Dos, una decena en una placa, o decenas distribuidos por una planta o una casa.
2. Definí quién necesita hablar espontáneamente. Si solo el controlador pregunta, alcanza con maestro–esclavo; si cualquier nodo debe poder avisar de un evento, necesitás multimaestro, interrupciones o un modelo de eventos.
3. Elegí la topología según la distancia y el cableado. Dentro de la placa, un bus. A lo largo de una planta, un bus diferencial (RS-485, CAN). En una red local, una estrella con conmutador. Para dispositivos sin cables o móviles, estrella o malla inalámbrica.
4. Calculá el tiempo de respuesta necesario. Con sondeo, el ciclo crece con el número de esclavos; si el requisito es estricto, preferí un método con arbitraje o interrupciones.
5. Pensá en las fallas. ¿Qué pasa si un nodo se cuelga con la línea baja? ¿Y si se corta un cable? Decidí si necesitás redundancia, aislamiento de nodos o reinicio remoto.
6. Reservá direcciones o identificadores. Que no haya repetidos, que dejen espacio para crecer y que, en un bus con arbitraje, reflejen la prioridad de cada mensaje.
7. Cuidá la parte eléctrica del bus. Terminación en los extremos, derivaciones cortas, pull-ups con el valor correcto y un límite en la cantidad de nodos.

Una regla útil para empezar: cuanto menos tráfico espontáneo y más nodos, mejor funciona el maestro–esclavo con sondeo; cuanto más eventos urgentes e independientes, más conviene un esquema con arbitraje o con publicación y suscripción.

13 · Comprensión

Confusiones frecuentes

14 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Contar enlaces

Necesitás conectar 6 dispositivos. ¿Cuántos enlaces hacen falta si cada par tiene su cable propio? ¿Cuántos cables con una estrella? ¿Y con un bus?

2. Identificar topología y roles

Clasificá la topología y el modelo de roles de: una UART entre un microcontrolador y un módulo GPS, un bus I²C con un maestro y tres sensores, tres dispositivos Wi-Fi conectados a un router, una red CAN de un automóvil.

3. Ciclo de sondeo

Un maestro sondea 12 esclavos con 30 ms por consulta. ¿Cuánto dura el ciclo y cuántas lecturas por segundo recibe cada esclavo? Si querés 10 lecturas por segundo por esclavo, ¿cuánto puede durar cada consulta?

4. Quién gana el arbitraje

Dos nodos CAN quieren transmitir a la vez, uno con el identificador 0x100 y otro con 0x0FF. ¿Cuál gana y en qué bit se define?

5. El esclavo con novedades

Un sensor I²C detecta una alarma que debe atenderse en menos de 10 ms. El maestro lo lee cada 200 ms. ¿Cómo lo resolverías?

6. Fallas en un bus y en una estrella

Una planta tiene 10 sensores conectados a un bus de 100 m, y otra tiene 10 sensores con un cable cada uno hacia un conmutador. A los 50 m del bus se corta el cable troncal. ¿Qué pasa en cada caso? ¿Y si en la estrella se corta uno de los cables?

15 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 7?

Antes de avanzar, calculá cuántos cables necesita una malla completa de 10 nodos, decidí cómo avisaría un sensor SPI de una alarma a un microcontrolador y mostrá con un ejemplo de tres identificadores de 4 bits cómo se resuelve un arbitraje. Si podés justificar las tres respuestas, tenés cerrado el bloque de fundamentos.

En el próximo tema empezamos con el primer bus del curso: la UART, y la trama asíncrona con la que dos dispositivos se comunican por solo dos cables.