Microcontroladores vs. microprocessadores: qual é a diferença?

Unidades de microcontrolador (MCUs) e unidades de microprocessador (MPUs) são dois tipos de circuitos integrados que, embora semelhantes em certos aspectos, são muito diferentes em muitos outros. Substituindo unidades de processamento central (CPUs) de vários componentes antiquadas por unidades lógicas separadas, esses processadores de chip único são extremamente valiosos no desenvolvimento constante da tecnologia de computação. No entanto, microcontroladores e microprocessadores diferem consideravelmente em estrutura de componentes, arquitetura de chip, recursos de desempenho e aplicações.

A principal diferença entre essas duas unidades é que os microcontroladores combinam todos os elementos necessários de um sistema de microcomputador em uma única peça de hardware. Os microcontroladores não exigem periféricos adicionais nem sistemas operacionais complexos para funcionar, enquanto os microprocessadores precisam. Ambos os circuitos contêm CPUs; no entanto, os microcontroladores também integram memória, componentes de entrada/saída (E/S) e outros periféricos variados.

Microcontroladores econômicos, pequenos e de baixo consumo de energia são otimizados para a funcionalidade completa. Consequentemente, essas unidades são melhor utilizadas para aplicações específicas, como sistemas automotivos de infoentretenimento e dispositivos de Internet das Coisas ( IoT).

Por outro lado, os microprocessadores de uso geral são tipicamente mais poderosos e projetados para serem suportados por hardware especializado para aumentar o desempenho em aplicações exigentes, como computação pessoal e processamento gráfico.

No nível de hardware, os microprocessadores baseiam-se na arquitetura "clássica" de von Neumann. Consiste em uma CPU com uma unidade lógica aritmética (ALU) e registros de processador (pequenas quantidades de armazenamento de memória rápida para acesso rápido a dados), uma unidade de controle, memória para dados e instruções, memória externa para armazenamento em massa e mecanismos de E/S. Esta metodologia utiliza o mesmo conjunto de fios de interconexão (conhecido como barramento) para transmitir instruções e realizar operações. Os microprocessadores não podem executar essas ações simultaneamente, mas os dispositivos modernos utilizam várias técnicas de atenuação para evitar gargalos nos dados.

Por outro lado, os microcontroladores utilizam a arquitetura Harvard mais complexa, que possui um conjunto dedicado de barramentos de dados e barramentos de endereços para leitura e gravação de dados na memória, e outro conjunto para buscar instruções para realizar operações. Como a CPU pode ler uma instrução e acessar a memória de dados ao mesmo tempo, a arquitetura Harvard pode realizar operações básicas mais rápido.

A arquitetura de Harvard é excelente em tarefas de computação em tempo real e de alta velocidade. No entanto, o espaço de memória unificado de dados e instruções da arquitetura simplificada de Von Neumann resulta em confiabilidade e escalabilidade aprimoradas. Por essa razão, os microprocessadores baseados na arquitetura von Neumann são os preferidos para tarefas mais exigentes, como computação de alto desempenho (HPC) e jogos, enquanto os microcontroladores são normalmente utilizados para lidar com o processamento rápido de sinais.

Essencialmente, um microcontrolador é um pequeno computador em um único chip, contendo um núcleo (ou núcleos) processador, memória operacional (RAM) e memória somente leitura programável eletricamente volátil (EEPROM) como memória para programas. Otimizadas para funcionar como unidades autônomas, as integrações de microcontroladores melhoram o processamento de sinais em tempo real e tornam essas unidades compactas ideais para controlar tarefas ou funções específicas em sistemas embarcados.

Principais componentes de um microcontrolador

• Unidade central de processamento (CPU): Conhecida coloquialmente como o "cérebro" do computador, a CPU é responsável pela execução de instruções e pelo controle das operações.
• Memória: os microcontroladores contêm memória volátil (RAM), que armazena dados temporários que podem ser perdidos se o sistema ficar sem energia, e memória flash não volátil (ROM) para armazenar o código de programação do microcontrolador.
• Periféricos: dependendo da aplicação pretendida, um microcontrolador pode conter vários componentes periféricos, como interfaces de E/S, temporizadores, contadores, conversores analógico-digitais (ADCs) e protocolos de comunicação (UART, SPI, I2C).

Leves, pequenos e exigindo relativamente pouca energia, os microcontroladores são ideais para dispositivos eletrônicos alimentados por bateria, como smartphones, smartwatches e outros dispositivos vestíveis. Eles também são os favoritos entre os amadores. Microcontroladores programáveis de nível de consumidor, como os feitos pela Arduino ou Raspberry Pi, podem ser facilmente configurados em linguagens de programação como C, C++ e Python, comumente utilizadas nos sistemas operacionais Windows, Linux e MacOS. Embora acessíveis até mesmo para desenvolvedores iniciantes, os microcontroladores também são frequentemente aplicados em uma ampla gama de casos de uso profissional e industrial, incluindo automação industrial, sistemas de segurança de transporte e prototipagem.

Tipos de microcontroladores e casos de uso 

Em resposta a um pedido de chip personalizado de um fabricante japonês de calculadoras, os engenheiros Gary Boone e Michael Cochran, da Texas Instruments, têm o crédito pela criação do primeiro microcontrolador em 1971. Um avanço na tecnologia de circuitos, os anos seguintes produziram inúmeras melhorias e iterações de fabricantes como Intel, NXP e Arm.

Veja a seguir alguns dos tipos mais comuns de microcontroladores:

• Microcontroladores de 8 bits: tipo mais básico de microcontrolador apresenta processamento e memória limitados e é normalmente utilizado em pequenos aparelhos, como brinquedos e controles remotos.
• Microcontroladores de 16 bits: duas vezes mais capazes que os modelos de 8 bits, os microcontroladores de 16 bits são utilizados para aplicações mais complexas, incluindo dispositivos médicos, sistemas automotivos e sistemas de controle industrial.
• Microcontroladores de 32 bits: tipo de microcontrolador mais poderoso e rico em recursos, são utilizados para aplicações exigentes, como consoles de jogos, dispositivos de entretenimento e automação industrial de ponta.
• Microcontroladores de computador com conjunto de instruções reduzido (RISC): os microcontroladores RISC contêm arquitetura de projeto que simplifica e melhora as operações executando menos instruções de computação mais rápido do que outras metodologias, como a arquitetura de computador de conjunto de instruções complexo (CISC).
• Microcontroladores ARM: anteriormente acrônimo de Advanced RISC Machines (Máquinas RISC Avançadas), esses tipos de microcontroladores incorporam a arquitetura ARM, incluindo o moderno subconjunto Arm Cortex, que aumenta o desempenho e a confiabilidade. Os microcontroladores Arm são amplamente utilizados em dispositivos móveis, sistemas automotivos e sistemas de controle industrial.
• Microcontroladores PIC: desenvolvido pela Microchip Technology, o Microcontrolador PIC é o menor microcontrolador do mundo e é frequentemente encontrado em robótica, automação doméstica e industrial e sistemas de energia renovável.
• Microcontroladores baseados em FPGA: comumente utilizados em aplicações que exigem processamento de sinais digitais, processamento de vídeo e redes de alta velocidade, esses microcontroladores utilizam chips personalizáveis chamados FPGAs (field-programmable gate arrays) que podem ser configurados e reconfigurados no nível do hardware para criar soluções de hardware exclusivas para requisitos de processamento exigentes.

Microprocessadores são o tipo predominante de processador de computador, integrando todos os componentes necessários de uma CPU em um único circuito. MPUs unem as unidades aritméticas, lógicas e de controle dos sistemas computacionais de CPU antiquados em um único hardware multipropósito, controlado por clock e baseado em registro. Esse design integrado melhora a confiabilidade reduzindo possíveis pontos de falha. Embora os microprocessadores não contenham memória para programas no chip, são otimizados para o uso geral exigente e projetados com compatibilidade com periféricos de computador especializados.

Principais componentes de um microprocessador

Os microprocessadores modernos combinam milhões de pequenos transistores, resistores e diodos montados em um material semicondutor para criar os componentes principais de um CPU. 

• Unidade lógica aritmética (ULA): principal unidade lógica da CPU, esse componente executa operações lógicas, incluindo cálculos matemáticos e comparações de dados. 
• Unidade de controle (CU): o circuito CU interpreta as instruções e inicia sua execução, direcionando as operações básicas do processador. 
• Registros: armazenamento de memória pequeno e rápido utilizado por uma CPU para manter temporariamente dados e instruções durante processos computacionais. 
• Memória cache: microprocessadores e CPUs usam memória cache, uma forma de memória de alta velocidade localizada próxima à CPU, para armazenar dados acessados com frequência e acelerar o desempenho. 
• Núcleos do processador: unidades de processamento individuais dentro de microprocessadores são conhecidas como núcleos. Os processadores modernos frequentemente incorporam múltiplos núcleos (dual-core, quad-core), permitindo um processamento paralelo ao possibilitar a execução de várias tarefas simultaneamente.   
• Módulos de E/S: Os componentes de E/S de um microprocessador são essenciais para gerenciar o fluxo de dados de e para a CPU, incluindo quaisquer periféricos de computador adicionais, incluindo periféricos de rede, como portas Ethernet ou unidades WiFi.

Tipos de microprocessadores e casos de uso 

Microprocessadores versáteis podem ser encontrados em uma ampla variedade de aplicações, enquanto unidades especializadas são comumente empregadas para tarefas específicas que exigem alto poder de processamento. Variando de potência, desempenho, tamanho, consumo de energia e muitos outros aspectos, a seguir estão alguns dos principais tipos de microprocessadores:

• Microprocessadores de uso geral: esses microprocessadores versáteis são encontrados em uma ampla variedade de aplicativos e dispositivos comuns, como laptops e servidores.
• Processadores de sinais digitais (DSPs): os DSPs são especializados para cálculos numéricos de alta velocidade e são frequentemente utilizados para tarefas exigentes, como processamento de áudio, telecomunicações e processamento de imagens. Eles também podem ser encontrados em aplicações que requerem a interpretação de sinais analógicos para digitais, como sensores meteorológicos. Os DSPs são comumente utilizados em aplicações militares, como drones de vigilância e outras aeronaves autônomas.
• Circuitos integrados específicos da aplicação (ASICs): os microprocessadores ASIC são projetados para tarefas específicas e são personalizados para atender às demandas específicas de várias aplicações. Alguns exemplos de microprocessadores ASIC incluem chips personalizados para consoles de jogos ou mineração de criptomoedas. DSPs, GPUs e outros tipos de microprocessadores especializados também são tecnicamente ASICs.
• Unidades de processamento gráfico (GPUs): microprocessadores GPU são especialmente projetados para a exigente tarefa de gerar vídeos e gráficos digitais que exigem desempenho de alta potência e processamento paralelo. De crucial importância para o jogos de alto nível, os microprocessadores de GPU potentes também são comumente utilizados na mineração de criptomoedas e são conhecidos pelo alto consumo de energia.
• Processadores de rede: um tipo de microprocessador ASIC otimizado especificamente para processar pacotes de dados de rede utilizados com mais frequência em switches de telecomunicações, roteadores e dispositivos de segurança de rede.
• Coprocessadores: os coprocessadores, como unidades de ponto flutuante (FPUs), são projetados para entregar suporte auxiliar para a CPU principal de um sistema para impulsionar o desempenho durante certas tarefas exigentes, como a realização de cálculos científicos avançados ou fórmulas matemáticas complicadas.

Microcontroladores e microprocessadores são capazes de executar algumas das mesmas tarefas. No entanto, dependendo dos requisitos da aplicação, cada um tem suas próprias vantagens e desvantagens únicas. Os recursos integrados de um microcontrolador, incluindo modos de economia de energia para baixo consumo de energia, o tornam ideal para a maioria dos sistemas embarcados.

No entanto, em circunstâncias que exigem cálculos complexos ou maior poder de processamento, os microprocessadores são a melhor escolha, mas o desempenho e a flexibilidade adicionais têm custo e consumo de energia maiores e preço mais elevado. Esses recursos tornam os microprocessadores ideais para computadores pessoais e supercomputadores industriais.

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