O que é um microcontrolador?

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 reúnem processamento, memória e periféricos de entrada/saída (E/S), como temporizadores, contadores e conversores analógico-digitais (ADCs), em uma unidade independente eficiente e econômica. Ao reunir vários componentes em um único sistema, os microcontroladores se mostram ideais para aplicações que exigem processamento de sinais em tempo real, como o controle de motores e servomecanismos e a interface com diversos tipos de sensores e sistemas de comunicação.

A seguir, apresentamos os principais componentes de um microcontrolador:

• Unidade central de processamento (CPU): conhecida popularmente como o “cérebro” do computador, a CPU atua como o principal componente responsável por executar instruções e controlar as operações.

• Memória: os microcontroladores possuem tanto memória volátil (RAM), que, diferentemente da memória de programa, armazena dados temporários que podem ser perdidos caso o sistema perca energia, quanto memória flash não volátil, responsável por armazenar o conjunto de instruções de programação do microcontrolador (firmware).
  
  
• Periféricos: conforme a aplicação desejada, um microcontrolador pode incluir diversos componentes auxiliares, como interfaces de entrada/saída (E/S), incluindo temporizadores, contadores, conversores de sinais analógico-digitais (ADC) e digital-analógicos (DAC), além de protocolos de comunicação como UART, SPI e I2C. Esses componentes auxiliares também podem incluir telas LCD, portas de conectividade ethernet ou interfaces compatíveis com esse tipo de módulo.

Os microcontroladores são ideais para eletrônicos de consumo alimentados por bateria, como smartphones, smartwatches e outros dispositivos vestíveis, por serem leves, compactos e exigirem pouca energia.

Muito populares entre os entusiastas de código aberto, os microcontroladores de baixo custo e as placas de desenvolvimento, como as fabricadas pela Arduino e Adafruit, podem ser facilmente configurados em ambientes de desenvolvimento integrados (IDE) com linguagens comuns como C, C++ e Python. Embora estejam facilmente disponíveis até para desenvolvedores iniciantes, os microcontroladores também são amplamente utilizados no controle de sistemas em diversas aplicações profissionais, incluindo prototipagem, robótica, sistemas automotivos, automação industrial e aplicações de 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 usados, por vezes, como sinônimos, o mais correto é definir o microprocessador como um circuito integrado único que contém uma CPU e pode ser conectado 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.

Ao comparar microcontroladores e microprocessadores, é sempre útil levar em conta quatro características principais:

1. Integrações:
   • Os microcontroladores integram CPU, memória e auxiliares de E/S em um único chip.
   • Os microprocessadores exigem memória externa e auxiliares adicionais.
2. 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.
3. Desempenho:
   • Os microcontroladores são otimizados para eficiência e processamento em tempo real e operam em velocidades de clock mais baixas, de até 200 MHz.
   • Microprocessadores são construídos para cálculos mais exigentes e complicados e podem operar em velocidades de clock acima de 1 GHz.
4. Custos operacionais:
   • O hardware de microcontrolador é barato e, como não exige conhecimento especializado de programação, acrescenta pouco aos orçamentos gerais do projeto.
   • Microprocessadores custam mais caro e são mais complexos. Configurar um sistema avançado com base 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.

Atualmente, as dezenas de fabricantes de microcontroladores, como Intel, NXP e Arm, oferecem centenas de modelos, que vão desde opções genéricas para amadores e entusiastas até soluções altamente especializadas voltadas a profissionais da tecnologia e diversos setores da indústria.

Aqui estão alguns dos tipos mais comuns de microcontroladores: