Microcontrôleurs et microprocesseurs : quelle est la différence ?

Les unités de microcontrôleur (MCU) et les unités de microprocesseur (MPU) sont deux types de circuits intégrés qui, bien que similaires à certains égards, sont très différents à beaucoup d’autres. Remplaçant les unités centrales de traitement (CPU) multicomposants archaïques par des unités logiques distinctes, ces processeurs à puce unique jouent tous deux un rôle extrêmement précieux dans le développement continu de la technologie informatique. Toutefois, les microcontrôleurs et les microprocesseurs diffèrent considérablement en termes de structure des composants, d’architecture de puce, de performances et d’applications.

La principale différence entre ces deux unités est que les microcontrôleurs réunissent tous les éléments nécessaires d’un système micro-informatique en un seul élément matériel. Les microcontrôleurs n’ont pas besoin de périphériques supplémentaires ou de systèmes d’exploitation complexes pour fonctionner, contrairement aux microprocesseurs. Les deux circuits sont dotés de CPU, mais les microcontrôleurs intègrent également de la mémoire, des composants d’entrée/sortie (E/S) et d’autres périphériques.

Économiques et compacts, les microcontrôleurs à faible puissance sont optimisés pour un fonctionnement tout-en-un. Par conséquent, ces unités conviennent mieux à des applications spécifiques telles que les systèmes d’infodivertissement automobiles et les appareils IdO (Internet des objets).

En revanche, les microprocesseurs à usage général sont généralement plus puissants et sont conçus pour être soutenus par du matériel spécialisé afin d’accroître les performances dans des domaines d’application exigeants tels que l’informatique personnelle et le traitement graphique.

Sur le plan matériel, les microprocesseurs sont basés sur l’architecture de von Neumann « classique ». En d’autres termes, le CPU est doté à la fois d’une unité arithmétique et logique (ALU) et de registres de processeur (petites quantités de stockage mémoire rapide pour un accès rapide aux données), d’une unité de contrôle, d’une mémoire pour les données et les instructions, d’une mémoire externe pour le stockage de masse et de mécanismes d’E/S. Cette méthodologie utilise le même ensemble de fils d’interconnexion (bus) pour transmettre les instructions et effectuer les opérations. Les microprocesseurs ne peuvent pas exécuter ces actions simultanément, mais les appareils modernes utilisent diverses techniques d’atténuation pour éviter les goulots d’étranglement.

D’autre part, les microcontrôleurs utilisent l’architecture Harvard, plus complexe, qui dispose d’un ensemble dédié de bus de données et d’adresses pour lire et écrire des données dans la mémoire, et d’un autre ensemble pour récupérer des instructions afin d’effectuer des opérations. Comme le CPU peut à la fois lire une instruction et accéder à la mémoire de données, l’architecture Harvard permet d’effectuer des opérations simples plus rapidement.

L’architecture dite de Harvard excelle dans les tâches de calcul à grande vitesse et en temps réel. Cependant, l’espace mémoire unifié pour les données et des instructions de l’architecture de von Neumann simplifiée améliore la fiabilité et l’évolutivité. C’est pourquoi les microprocesseurs basés sur l’architecture de von Neumann sont privilégiés pour les tâches plus exigeantes telles que les calculs haute performance (HPC) et les jeux vidéo, tandis que les microcontrôleurs sont généralement utilisés pour gérer le traitement rapide du signal.

Fondamentalement, un microcontrôleur est un petit ordinateur sur une seule puce, contenant un (ou plusieurs) cœur(s) de processeur, une mémoire opérationnelle (RAM) et une mémoire morte programmable effaçable électriquement (EEPROM) pour la mémoire programme. Optimisées pour fonctionner de manière autonome, les intégrations de microcontrôleurs améliorent le traitement des signaux en temps réel et font de ces unités compactes des outils idéaux pour contrôler des tâches ou des fonctions spécifiques au sein de systèmes intégrés.

Les principaux composants d’un microcontrôleur

• Processeur (CPU, ou unité centrale de traitement) : familièrement appelé le « cerveau » de l’ordinateur, le CPU est responsable de l’exécution des instructions et du contrôle des opérations.
• Mémoire : les microcontrôleurs contiennent à la fois une mémoire volatile (RAM), qui stocke des données temporaires susceptibles d’être perdues en cas de coupure de courant, et une mémoire flash non volatile (ROM) pour le stockage du code de programmation du microcontrôleur.
• Périphériques : selon l’application envisagée, un microcontrôleur peut contenir divers composants périphériques, tels que des interfaces E/S, des minuteries, des compteurs, des convertisseurs analogique-numérique (ADC) et des protocoles de communication (UART, SPI, I2C).

Légers, petits et relativement peu gourmands en énergie, les microcontrôleurs sont idéaux pour les appareils électroniques fonctionnant sur batterie, tels que les smartphones, les montres intelligentes et autres dispositifs portables. Ils sont également très appréciés des passionnés. Les microcontrôleurs programmables grand public, tels que ceux fabriqués par Arduino ou Raspberry Pi, peuvent être facilement configurés dans des langages de programmation tels que C, C++ et Python, couramment utilisés dans les systèmes d’exploitation Windows, Linux et MacOS. Bien qu’ils soient accessibles aux développeurs débutants, les microcontrôleurs sont également fréquemment appliqués dans un large éventail de cas d’utilisation professionnelle et commerciale, y compris l’automatisation industrielle, les systèmes de sécurité dans les transports et le prototypage.

Types de microcontrôleurs et cas d’utilisation 

En réponse à une demande de puce personnalisée émanant d’un fabricant japonais de calculatrices, les ingénieurs de Texas Instruments Gary Boone et Michael Cochran créent le premier microcontrôleur en 1971. Une révolution dans le domaine de la technologie des circuits. Les années qui ont suivi ont été marquées par de nombreuses améliorations et itérations de la part de fabricants comme Intel, NXP et Arm.

Voici quelques-uns des types de microcontrôleurs les plus courants :

• Microcontrôleurs 8 bits : le 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.
• Microcontrôleurs 16 bits : 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.
• Microcontrôleurs 32 bits : 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.
• Microcontrôleurs à jeu d’instructions réduit (RISC) : 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).
• Microcontrôleurs Arm : 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.
• Microcontrôleurs PIC : 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.
• Microcontrôleurs basés sur FPGA : couramment utilisés dans les applications nécessitant le traitement de signaux numériques, le traitement vidéo et les réseaux haut débit, ces microcontrôleurs utilisent des puces personnalisables appelées réseaux de portes programmables in situ (FPGA), qui peuvent être configurés et reconfigurés au niveau matériel pour créer des solutions matérielles uniques afin de répondre aux exigences strictes de traitement.

Les microprocesseurs sont le type prédominant de processeur informatique, intégrant tous les composants requis d’un CPU dans un seul circuit. Les MPU regroupent les unités arithmétiques, logiques et de contrôle des anciens systèmes informatiques à CPU en un seul élément matériel polyvalent, piloté par horloge et basé sur des registres. Cette conception intégrée améliore la fiabilité en réduisant les points de défaillance potentiels. Bien que les microprocesseurs ne contiennent pas de mémoire programme sur la puce, ils sont optimisés pour une utilisation générale exigeante et conçus pour prendre en charge et être pris en charge par des périphériques informatiques spécialisés.

Composants principaux d’un microprocesseur

Les microprocesseurs modernes combinent des millions de petits transistors, résistances et diodes assemblés sur un matériau semi-conducteur pour créer les composants essentiels d’un CPU.

• Unité logique arithmétique (ALU) : unité logique principale du CPU, ce composant effectue des opérations logiques, y compris des calculs mathématiques et des comparaisons de données. 
• Unité de contrôle (CU) : Le circuit CU interprète les instructions et lance leur exécution, dirigeant les opérations de base du processeur. 
• Registres : petit stockage rapide en mémoire qui permet au CPU de stocker temporairement les données et les instructions pendant les processus de calcul. 
• Mémoire cache : les microprocesseurs et les CPU utilisent la mémoire cache, une forme de mémoire à grande vitesse située à proximité du processeur et destinée à stocker les données fréquemment consultées afin d’accélérer les performances. 
• Cœurs de processeur : les unités de traitement individuelles au sein des microprocesseurs sont appelées cœurs. Les processeurs modernes intègrent fréquemment plusieurs cœurs (double cœur, quatre cœurs), ce qui permet un traitement parallèle en effectuant plusieurs tâches simultanément.   
• Modules E/S : les composants E/S d’un microprocesseur sont essentiels pour gérer le flux de données vers et depuis le CPU, y compris tout périphérique informatique supplémentaire et notamment les périphériques de réseau tels que les ports Ethernet ou les unités Wi-Fi.

Types de microprocesseurs et cas d’utilisation 

Les microprocesseurs polyvalents peuvent être trouvés dans une vaste gamme d’applications, tandis que les unités spécialisées sont couramment employées pour des tâches spécifiques exigeant un traitement à haute puissance. Les principaux types de microprocesseurs varient en termes de puissance, de performance, de taille, de consommation d’énergie et de bien d’autres aspects :

• Microprocesseurs à usage général : Ces microprocesseurs polyvalents se retrouvent dans un large éventail d’applications et d’appareils courants, tels que les ordinateurs portables et les serveurs.
• Processeurs de signaux numériques (DSP) : les DSP sont spécialisés dans les calculs numériques haut débit et sont souvent utilisés pour des tâches exigeantes comme le traitement du son, les télécommunications et le traitement de l’image. Ils peuvent également être utilisés dans des applications nécessitant l’interprétation de signaux analogiques en signaux numériques, comme les capteurs météorologiques. Les DSP sont couramment utilisés dans des applications militaires, telles que les drones de surveillance et autres aéronefs autonomes.
• Circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC) : les microprocesseurs ASIC sont conçus pour des tâches spécifiques et sont personnalisés pour répondre aux exigences particulières de diverses applications. Certains types de microprocesseurs ASIC incluent des puces personnalisées pour les consoles de jeux ou le minage de cryptomonnaies. Les DSP, les GPU et d’autres types de microprocesseurs spécialisés sont aussi des ASIC sur le plan technique.
• Processeurs graphiques (GPU) : les microprocesseurs GPU sont spécialement conçus pour les tâches exigeantes de rendu des vidéos numériques et des graphiques nécessitant des performances élevées et un traitement parallèle. Indispensables aux jeux haut de gamme, les puissants microprocesseurs GPU sont également couramment utilisés dans le minage de cryptomonnaies et sont connus pour leur consommation énergétique élevée.
• Processeurs réseau : il s’agit d’un type de microprocesseur ASIC spécifiquement optimisé pour traiter les paquets de données réseau les plus fréquemment utilisés dans les commutateurs de télécommunications, les routeurs et les dispositifs de sécurité réseau.
• Coprocesseurs : les coprocesseurs, tels que les unités de calcul en virgule flottante (FPU), sont conçus pour fournir un support auxiliaire au processeur principal d’un système afin d’améliorer les performances lors de certaines tâches exigeantes, telles que l’exécution de calculs scientifiques avancés ou de formules mathématiques complexes.

Les microcontrôleurs et les microprocesseurs sont parfois capables d’effectuer les mêmes tâches. Cependant, selon les exigences de l’application, chacun a ses points forts et ses points faibles. Les fonctionnalités intégrées d’un microcontrôleur, notamment les modes d’économie d’énergie pour une faible consommation électrique, le rendent idéal pour la plupart des systèmes embarqués.

Cependant, lorsque les circonstances exigent des calculs complexes ou une puissance de traitement supérieure, les microprocesseurs constituent un meilleur choix, mais leurs performances et leur flexibilité accrues s’acquièrent au prix d’une consommation d’énergie et d’un coût plus élevés. Ces caractéristiques font des microprocesseurs une solution incontournable pour les ordinateurs personnels et les supercalculateurs industriels.

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