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Microcontrolador
O que é um microcontrolador?
Publicado: 4 de junho de 2024
Colaboradores: Josh Schneider e Ian Smalley
Uma unidade de microcontrolador (MCU) é essencialmente um pequeno computador em um único chip. Ele foi projetado para gerenciar tarefas específicas em um sistema incorporado sem a necessidade de um sistema operacional complexo.
Esses circuitos integrados compactos (ICs) contêm um núcleo (ou núcleos) do processador, memória de acesso aleatório (RAM) e memória somente leitura programável apagável eletricamente (EEPROM) para armazenar os programas personalizados executados no microcontrolador, mesmo quando a unidade está desconectada de uma fonte de alimentação.
Ao contrário dos microprocessadores de uso geral, os microcontroladores integram processamento, memória e periféricos de entrada/saída (E/S), incluindo timers, contadores e transformadores analógico-digitais (ADCs), em uma unidade autônoma eficiente e econômica. Ao combinar vários componentes em um único sistema, os microcontroladores são adequados para aplicações que exigem processamento de sinal em tempo real, como controle de motores e assistentes e interface com vários tipos de sensores e comunicações.
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A seguir estão os principais componentes de um microcontrolador:
- Unidade central de processamento (CPU): coloquialmente referido como o "cérebro" do computador, a CPU serve como o componente principal responsável pela execução de instruções e controle de operações.
- Memória: os microcontroladores contêm memória volátil (RAM) — que, ao contrário da memória do programa, armazena dados temporários que podem ser perdidos se o sistema perder energia — e memória flash não volátil para armazenar o conjunto de instruções de programação (firmware) do microcontrolador.
- Periféricos: dependendo da aplicação pretendida, um microcontrolador pode conter vários componentes auxiliares, como interfaces de entrada/saída (E/S) — incluindo temporizadores, contadores, conversores de sinal analógico-digital (ADC) e digital-analógico (DAC) (ADCs) - e protocolos de comunicação (UART, SPI, I2C). Os auxiliares também podem incluir componentes como telas de LCD, portas de conectividade Ethernet ou interfaces para esses tipos de módulos.
Os microcontroladores são ideais para eletrônicos de consumo operados por bateria, como smartphones, smartwatches e outros itens vestíveis, porque são leves, pequenos e requerem energia comparativamente baixa.
Favoritos entre os entusiastas de código aberto, microcontroladores e placas de desenvolvimento de microcontroladores de baixo custo, como as fabricadas pela Arduino e pela Adafruit, podem ser facilmente configurados em um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) usando linguagens de programação comuns como C, C++ e Python. Embora sejam facilmente acessíveis até mesmo para desenvolvedores iniciantes, os microcontroladores também são frequentemente usados para controlar sistemas em uma ampla variedade de aplicações profissionais, incluindo prototipagem, robótica, sistemas automotivos, automação industrial e aplicações da Internet das Coisas (IoT).
Microcontroladores e microprocessadores compartilham muitas semelhanças. Ambos podem ser descritos como processadores de chip único capazes de executar lógica de computação e ambos são altamente valiosos no desenvolvimento e proliferação da tecnologia de computação em geral. No entanto, os dois componentes diferem na arquitetura de hardware e na aplicação.
A característica definidora de um microcontrolador é a combinação de todos os elementos de computação necessários em um único chip — os microcontroladores não exigem nenhum circuito externo adicional para operar. Por outro lado, os microprocessadores consistem em uma CPU e vários chips de suporte que fornecem memória, interface serial, E/S e outras funcionalidades necessárias.
Embora os termos microprocessador e CPU sejam às vezes usados de forma intercambiável, é mais preciso descrever os microprocessadores como semicondutores de circuito integrado único que contêm uma CPU e podem ser conectados a outros auxiliares externos, como dispositivos de entrada/saída.
A principal diferença entre esses dois tipos de microchips é que os microcontroladores são auto-contratados, enquanto os microprocessadores são projetados para interagir com auxiliares externos.
Como resultado, tarefas generalizadas e exigentes que podem exigir hardware especializado com maior poder de processamento são mais adequadas para microprocessadores. Tarefas específicas dentro de sistemas embarcados, como controle de sensores ou motores, são bons exemplos de aplicações adequadas de microcontroladores.
Principais diferenças entre microcontroladores e microprocessadores
Ao comparar microcontroladores e microprocessadores, é útil considerar quatro funcionalidades principais:
- Integrações:
- Os microcontroladores integram CPU, memória e auxiliares de E/S em um único chip.
- Os microprocessadores exigem memória externa e auxiliares adicionais.
- Aplicações:
- Os microcontroladores são mais adequados para aplicações específicas, de baixa potência ou ultrabaixa potência em sistemas incorporados, como eletrodomésticos ou dispositivos de IoT.
- Microprocessadores são mais adequados para aplicações de uso geral e de alto desempenho que exigem mais poder de processamento, como computadores pessoais ou servidores de data centers.
- Desempenho:
- Os microcontroladores são otimizados para eficiência e processamento em tempo real e operam em velocidades de clock mais baixas, de até 200 MHz.
- Os microprocessadores são construídos para cálculos mais exigentes e complicados e podem operar em velocidades de clock acima de 1 GHz.
- Custos operacionais:
- O hardware de microcontrolador é barato e, como não exige conhecimento especializado de programação, acrescenta pouco aos orçamentos gerais do projeto.
- Os microprocessadores são mais caros e mais complexos. A configuração de um sistema avançado baseado em microprocessador pode exigir habilidades especializadas.
Os primeiros tipos de microcontroladores surgiram dos avanços feitos na fabricação de microprocessadores, à medida que os pesquisadores desenvolviam técnicas para integrar CPU, memória e componentes periféricos em um único chip.
Em 1971, os engenheiros Gary Boone e Michael Cochran, da Texas Instruments, criaram o primeiro microcontrolador. Fabricantes como a Intel e vários fornecedores de eletrônicos japoneses seguiram rapidamente.
Hoje em dia, dezenas de fabricantes de microcontroladores — como Intel, NXP e Arm — oferecem centenas de variedades, desde opções de uso geral para amadores e entusiastas até soluções altamente especializadas para tecnólogos profissionais e todos os tipos de indústrias.
Aqui estão alguns dos tipos mais comuns de microcontroladores:
O tipo mais básico de microcontrolador, com processamento e memória limitados e normalmente usado em pequenos eletrodomésticos como brinquedos e controles remotos.
Duas vezes mais capazes que os modelos de 8 bits, os microcontroladores de 16 bits são usados para aplicações mais complexas, incluindo dispositivos médicos, sistemas automotivos e sistemas de controle industrial.
O tipo de microcontrolador mais poderoso e rico em recursos é usado para aplicações exigentes, como consoles de jogos, dispositivos de entretenimento e automação industrial de alta qualidade.
Os microcontroladores RISC incorporam uma arquitetura de design que simplifica e melhora as operações, executando menos instruções de computação mais rapidamente do que outras metodologias, como a arquitetura de computador com conjunto de instruções complexas (CISC).
Anteriormente uma sigla para Advanced RISC Machines, esses tipos de microcontroladores incorporam a arquitetura ARM, incluindo o moderno subconjunto ARM Cortex, que reforça o desempenho e a confiabilidade. Os microcontroladores ARM são amplamente utilizados em dispositivos móveis, sistemas automotivos e sistemas de controle industrial.
Desenvolvido pela Microchip Technology, o microcontrolador PIC é o menor microcontrolador do mundo, encontrado frequentemente em robótica, automação doméstica e industrial e sistemas de energia renovável.
Comumente usados em aplicações que exigem processamento de sinais digitais, processamento de vídeo e redes de alta velocidade, esses microcontroladores usam FPGAs (field-programmable gate arrays), que podem ser configurados e reconfigurados no nível do hardware, para obter resultados de processamento altamente versáteis e personalizáveis.
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Recursos
Uma unidade central de processamento (CPU) é o principal componente funcional de um computador. É um circuito eletrônico que executa o sistema operacional e os aplicativos de um computador e gerencia uma variedade de outras operações do computador.
O armazenamento de dados refere-se a mídias magnéticas, ópticas ou mecânicas que gravam e preservam informações digitais para operações contínuas ou futuras.
Uma FPGA (field programmable gate array, matriz de portas programáveis em campo) é um tipo versátil de circuito integrado projetado para ser programável em nível de hardware para atender a diferentes finalidades, como computação de alto desempenho (HPC) e prototipagem.
Matrizes de portas programáveis em campo (FPGAs) e unidades de microcontrolador (MCUs) são dois tipos de circuitos integrados (ICs) comumente comparados que são normalmente usados em sistemas embarcados e design digital.
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