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Microcontrôleur
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
Date de publication : 4 juin 2024
Contributeurs : Josh Schneider, Ian Smalley
Une unité de microcontrôleur (MCU) est essentiellement un petit ordinateur sur une puce unique. Il est conçu pour gérer des tâches spécifiques au sein d’un système embarqué sans nécessiter de système d’exploitation complexe.
Ces circuits intégrés (IC) compacts contiennent un cœur de processeur (ou plusieurs), une mémoire vive (RAM) et une mémoire à lecture seule programmable effaçable électriquement (EEPROM) pour stocker les programmes personnalisés qui s’exécutent sur le microcontrôleur, même lorsque l’unité est déconnecté d’une alimentation.
Contrairement aux microprocesseurs à usage général, les microcontrôleurs intègrent les périphériques de traitement, de mémoire et d’entrée/sortie (E/S), y compris les minuteries, les compteurs et les convertisseurs analogique-numérique (ADC), dans une seule unité autonome efficace et économique. En combinant plusieurs composants en un seul système, les microcontrôleurs sont parfaitement adaptés aux applications nécessitant un traitement du signal en temps réel, comme le contrôle de moteurs et de servomoteurs ou l’interface avec différents types de capteurs et de communications.
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Les principaux composants d’un microcontrôleur sont les suivants :
- Unité centrale de traitement (CPU) : communément appelée « cerveau » de l’ordinateur, le CPU est le composant principal responsable de l’exécution des instructions et du contrôle des opérations.
- Mémoire : les microcontrôleurs contiennent à la fois une mémoire volatile (RAM) qui, contrairement à la mémoire programme, stocke des données temporaires qui peuvent être perdues si le système perd son alimentation, et une mémoire flash non volatile pour stocker le jeu d’instructions de programmation du microcontrôleur (micrologiciel).
- Périphériques : en fonction de l’application envisagée, un microcontrôleur peut contenir divers composants auxiliaires, tels que des interfaces d’entrée/sortie (E/S), dont des minuteries, des compteurs, des convertisseurs de signaux analogiques-numériques (ADC) et numériques-analogiques (DAC), ainsi que des protocoles de communication (UART, SPI, I2C). Les auxiliaires peuvent également inclure des composants tels que des écrans LCD, des ports de connectivité Ethernet ou des interfaces pour ces types de modules.
Les microcontrôleurs sont parfaits pour les appareils électroniques grand public fonctionnant sur batterie, tels que les smartphones, les smartwatches et autres objets portables, car ils sont légers, de petite taille et requièrent relativement peu d’énergie.
Les microcontrôleurs et les cartes de développement de microcontrôleurs bon marché, tels que ceux fabriqués par Arduino et Adafruit, sont très appréciés des amateurs de logiciels libres. Ils peuvent être facilement configurés dans un environnement de développement intégré (IDE) à l’aide de langages de programmation courants tels que le C, C++ et Python. Bien que facilement accessibles aux développeurs débutants, les microcontrôleurs sont aussi fréquemment utilisés pour contrôler les systèmes dans un large éventail d’applications professionnelles, notamment le prototypage, la robotique, les systèmes automobiles, l’automatisation industrielle et les applications de l’Internet des objets (IdO).
Les microcontrôleurs et les microprocesseurs partagent de nombreux points communs. Les deux peuvent être décrits comme des processeurs à puce unique capables d’exécuter une logique informatique, et tous deux sont très utiles dans le développement et la croissance rapide de la technologie informatique générale. Cependant, les deux composants diffèrent à la fois par leur architecture matérielle et leur application.
La caractéristique déterminante d’un microcontrôleur est la combinaison de tous les éléments informatiques nécessaires dans une seule puce : les microcontrôleurs n’ont pas besoin de circuits externes supplémentaires pour fonctionner. À l’inverse, les microprocesseurs sont constitués d’un CPU et de plusieurs puces de support fournissant de la mémoire, une interface série, des E/S et d’autres fonctionnalités nécessaires.
Bien que les termes microprocesseur et unité centrale soient parfois employés de manière interchangeable, il est plus exact de décrire les semi-conducteurs microprocesseurs comme des circuits intégrés uniques qui contiennent une unité centrale et peuvent être connectés à d’autres auxiliaires externes, tels que des dispositifs d’entrée/sortie.
La principale différence entre ces deux types de micropuces est que les microcontrôleurs sont autonomes, tandis que les microprocesseurs sont conçus pour s’interfacer avec des auxiliaires externes.
Par conséquent, les tâches généralistes et exigeantes qui peuvent nécessiter du matériel spécialisé avec une puissance de traitement accrue sont mieux adaptées aux microprocesseurs. Les tâches spécifiques dans les systèmes embarqués, tels que le contrôle des capteurs ou des moteurs, sont de bons exemples d’applications de microcontrôleurs appropriées.
Principales différences entre les microcontrôleurs et les microprocesseurs
Pour comparer les microcontrôleurs et les microprocesseurs, il convient de prendre en compte quatre caractéristiques principales :
- Intégrations :
- Les microcontrôleurs intègrent les auxiliaires du CPU, de la mémoire et des E/S sur une puce unique.
- Les microprocesseurs nécessitent une mémoire externe et des auxiliaires supplémentaires.
- Applications :
- Les microcontrôleurs sont davantage adaptés à des applications spécifiques, à puissance faible ou ultra-faible, au sein de systèmes intégrés, tels que les appareils électroménagers ou les appareils IdO.
- Les microprocesseurs conviennent mieux aux applications générales hautes performances nécessitant plus de puissance de traitement, telles que les ordinateurs personnels ou les serveurs des centres de données.
- Performances :
- Les microcontrôleurs sont optimisés pour l’efficacité et le traitement en temps réel et fonctionnent à des vitesses d’horloge inférieures jusqu’à 200 MHz.
- Les microprocesseurs sont conçus pour des calculs plus exigeants et complexes et peuvent fonctionner à des vitesses d’horloge supérieures à 1 GHz.
- Coûts opérationnels :
- Le matériel de microcontrôleur est peu coûteux et, comme il ne nécessite pas de connaissances spécialisées en programmation, il ne grève pas le budget global des projets.
- Les microprocesseurs sont plus onéreux et plus complexes. La configuration d’un système avancé basé sur un microprocesseur peut nécessiter des compétences spécialisées.
Les premiers types de microcontrôleurs sont issus des avancées réalisées dans la fabrication des microprocesseurs, lorsque les chercheurs ont développé des techniques pour intégrer des composants de CPU, de mémoire et de périphériques dans des puces uniques.
Gary Boone et Michael Cochran, ingénieurs chez Texas Instruments, sont connus pour avoir créé le premier microcontrôleur en 1971. Des fabricants comme Intel et divers fournisseurs de produits électroniques japonais ont rapidement suivi.
Aujourd’hui, des dizaines de fabricants de microcontrôleurs, tels qu’Intel, NXP et Arm, proposent des centaines de modèles différents, allant d’options polyvalentes pour les amateurs à des solutions hautement spécialisées pour les technologues professionnels et toutes sortes d’industries.
Voici quelques-uns des types de microcontrôleurs les plus courants :
Type de microcontrôleur le plus élémentaire, doté d’un traitement et d’une mémoire limités, généralement utilisé dans les petits appareils tels que les jouets et les télécommandes.
Deux fois plus performants que les modèles 8 bits, les microcontrôleurs 16 bits sont utilisés pour des applications plus complexes, notamment les dispositifs médicaux, les systèmes automobiles et les systèmes de contrôle industriel.
Il s’agit du type de microcontrôleur le plus puissant et le plus riche en fonctionnalités. Il est utilisé pour des applications exigeantes, telles que les consoles de jeu, les appareils de divertissement et l’automatisation industrielle haut de gamme.
Les microcontrôleurs RISC intègrent une architecture de conception qui simplifie et améliore les opérations en exécutant moins d’instructions de calcul plus rapidement que d’autres méthodologies, telles que l’architecture d’ordinateur à jeu d’instructions complexes (CISC).
Anciennement l’acronyme d’Advanced RISC Machines, ces types de microcontrôleurs intègrent l’architecture ARM, y compris le sous-ensemble moderne ARM Cortex, qui renforce les performances et la fiabilité. Les microcontrôleurs ARM sont largement utilisés dans les appareils mobiles, les systèmes automobiles et les systèmes de contrôle industriels.
Développé par Microchip Technology, le microcontrôleur PIC est le plus petit microcontrôleur au monde. On le trouve fréquemment dans la robotique, l’automatisation domestique et industrielle et les systèmes d’énergies renouvelables.
Couramment utilisés dans les applications qui nécessitent le traitement de signaux numériques, le traitement vidéo et les réseaux haut débit, ces microcontrôleurs utilisent des réseaux de portes programmables in situ (FPGA) qui peuvent être configurés et reconfigurés au niveau matériel pour obtenir des résultats de traitement hautement polyvalents et personnalisables.
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Ressources
Une unité centrale de traitement (CPU) est le principal composant fonctionnel d’un ordinateur. C’est un élément de circuit électronique qui exécute le système d’exploitation et les applications d’un ordinateur et gère diverses autres opérations informatiques.
Le stockage des données fait référence aux supports magnétiques, optiques ou mécaniques qui enregistrent et conservent des informations numériques pour des opérations en cours ou futures.
Un réseau de portes programmables in situ (FPGA) est un type polyvalent de circuit intégré conçu pour être programmable au niveau matériel afin de répondre à différents besoins tels que l’informatique haute performance (HPC) et le prototypage.
Les réseaux de portes programmables in situ (FPGA) et les unités de microcontrôleurs (MCU) sont deux types de circuits intégrés couramment comparés qui sont généralement utilisés dans les systèmes intégrés et la conception numérique.
L’unité centrale est le cerveau de l’ordinateur et les différents types sont définis par le processeur ou microprocesseur qui les pilote.
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