Data di pubblicazione: 4 giugno 2024
Autori: Josh Schneider, Ian Smalley
Un'unità microcontrollore (MCU) è essenzialmente un piccolo computer su un singolo chip. È progettato per gestire attività specifiche all'interno di un sistema integrato senza richiedere un sistema operativo complesso.
Questi circuiti integrati (IC) compatti contengono un core (o più core) di processore, una memoria ad accesso casuale (RAM) e una memoria di sola lettura programmabile cancellabile elettricamente (EEPROM) per archiviare i programmi personalizzati eseguiti sul microcontrollore, anche quando l'unità è scollegata dall'alimentazione.
A differenza dei microprocessori generici, i microcontrollori integrano periferiche di elaborazione, memoria e input/output (I/O), inclusi timer, contatori e convertitori analogico-digitale (ADC), in un'unica unità autonoma efficiente ed economica. Combinando più componenti in un unico sistema, i microcontrollori sono adatti per applicazioni che richiedono l'elaborazione del segnale in tempo reale, come il controllo di motori e servocomandi e l'interfacciamento con vari tipi di sensori e comunicazioni.
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I componenti chiave di un microcontrollore sono i seguenti:
- Unità di elaborazione centrale (CPU): definita in modo colloquiale come il "cervello" del computer, la CPU è il componente centrale responsabile dell'esecuzione delle istruzioni e del controllo delle operazioni.
- Memoria: i microcontrollori contengono sia una memoria volatile (RAM) che, a differenza della memoria di programma, memorizza dati temporanei che potrebbero andare persi se il sistema perde potenza, sia una memoria flash non volatile per memorizzare il set di istruzioni di programmazione del microcontrollore (firmware).
- Periferiche: a seconda dell'applicazione prevista, un microcontrollore può contenere vari componenti ausiliari, come interfacce di input/output (I/O), inclusi timer, contatori, convertitori analogico-digitale (ADC) e digitale-analogico (DAC) (ADC) e protocolli di comunicazione (UART, SPI, I2C). I componenti ausiliari possono includere anche come schermi LCD, porte di connettività Ethernet o interfacce per tali tipi di moduli.
I microcontrollori sono ideali per l'elettronica di consumo alimentata a batteria, come smartphone, smartwatch e altri dispositivi indossabili, perché sono leggeri, piccoli e richiedono una potenza relativamente bassa.
Tra i preferiti dagli appassionati dell'open source, i microcontrollori a basso costo e le schede di sviluppo per microcontrollori, come quelli realizzati da Arduino e Adafruit, possono essere facilmente configurati all'interno di un ambiente di sviluppo integrato (IDE) utilizzando linguaggi di programmazione comuni come C, C++ e Python. Sebbene siano facilmente accessibili anche agli sviluppatori principianti, i microcontrollori vengono spesso utilizzati anche per controllare i sistemi in un'ampia gamma di applicazioni professionali, tra cui prototipazione, robotica, sistemi automobilistici, automazione industriale e applicazioni Internet of Things (IoT).
Microcontrollori e microprocessori hanno molti punti in comune. Entrambi possono essere descritti come processori a chip singolo in grado di eseguire la logica di calcolo ed entrambi sono estremamente preziosi nello sviluppo e nella proliferazione della tecnologia informatica generale. Tuttavia, i due componenti differiscono sia per l'architettura hardware che per l'applicazione.
La caratteristica distintiva di un microcontrollore è la combinazione di tutti gli elementi di calcolo necessari in un unico chip: i microcontrollori non richiedono circuiti esterni aggiuntivi per funzionare. Al contrario, i microprocessori sono costituiti da una CPU e diversi chip di supporto che forniscono memoria, interfaccia seriale, I/O e altre funzioni necessarie.
Sebbene i termini microprocessore e CPU siano talvolta usati in modo intercambiabile, è più corretto descrivere i semiconduttori dei microprocessori come singoli circuiti integrati che contengono una CPU e possono essere collegati ad altri ausiliari esterni, come dispositivi di input/output.
La principale differenza tra questi due tipi di microchip è che i microcontrollori sono autonomi, mentre i microprocessori sono progettati per interfacciarsi con dispositivi ausiliari esterni.
Di conseguenza, compiti più generici e impegnativi che potrebbero richiedere hardware specializzato con maggiore potenza di elaborazione sono più adatti per i microprocessori. Compiti specifici all'interno di sistemi embedded, come il controllo di sensori o motori, invece, sono applicazioni più adatte ai microcontrollori.
Nel confronto tra microcontrollori e microprocessori, è utile considerare quattro aspetti chiave:
- Integrazioni:
- I microcontrollori integrano CPU, memoria e I/O ausiliari in un unico chip.
- I microprocessori richiedono una memoria esterna e ausiliari aggiuntivi.
- Applicazioni:
- I microcontrollori sono più adatti per applicazioni specifiche, a bassa o bassissima potenza all'interno di sistemi embedded, come elettrodomestici o dispositivi IoT.
- I microprocessori sono più adatti per applicazioni generiche e ad alte prestazioni che richiedono maggiore potenza di elaborazione, come i personal computer o i server dei data center.
- Prestazioni:
- I microcontrollori sono ottimizzati per l'efficienza e l'elaborazione in tempo reale e funzionano a velocità di clock inferiori, fino a 200 MHz.
- I microprocessori sono costruiti per calcoli più impegnativi e complicati e possono funzionare a velocità di clock superiori a 1 GHz.
- Costi operativi:
- L'hardware dei microcontrollori è poco costoso e, poiché non richiede conoscenze di programmazione specializzate, incide poco sul budget complessivo di un progetto.
- I microprocessori sono più costosi e più complessi. La configurazione di un sistema avanzato basato su microprocessori potrebbe richiedere competenze avanzate.
I primi tipi di microcontrollori sono nati dai progressi compiuti nella produzione di microprocessori quando i ricercatori hanno sviluppato tecniche per integrare CPU, memoria e componenti periferiche in singoli chip.
Agli ingegneri di Texas Instruments Gary Boone e Michael Cochran è attribuita la creazione del primo microcontrollore nel 1971. Produttori come Intel e vari fornitori di elettronica giapponesi li hanno seguiti rapidamente.
Oggi, decine di diversi produttori di microcontrollori, come Intel, NXP e Arm, offrono centinaia di opzioni diverse, dalle soluzioni generiche per hobbisti e dilettanti a soluzioni altamente specializzate per tecnici professionisti e tutti i tipi di settori.
Questi sono alcuni dei tipi di microcontrollori più diffusi:
Il tipo più semplice di microcontrollore, con elaborazione e memoria limitate, tipicamente utilizzato in piccoli elettrodomestici come giocattoli e telecomandi.
Con una capacità due volte superiore rispetto ai modelli a 8 bit, i microcontrollori a 16 bit vengono utilizzati per applicazioni più complesse, tra cui dispositivi medici, sistemi automobilistici e sistemi di controllo industriali.
Il tipo di microcontrollore più potente e ricco di funzioni, viene utilizzato per le applicazioni più esigenti, come le console di gioco, i dispositivi di intrattenimento e l'automazione industriale di alto livello.
I microcontrollori RISC incorporano un'architettura di progettazione che semplifica e migliora le operazioni eseguendo un numero inferiore di istruzioni di calcolo più velocemente rispetto ad altre metodologie, come l'architettura CISC (Complex Instruction Set Computer).
Precedentemente acronimo di Advanced RISC Machines, questi tipi di microcontrollori incorporano l'architettura ARM, incluso il moderno sottoinsieme ARM Cortex, che rafforza le prestazioni e l'affidabilità. I microcontrollori ARM sono ampiamente utilizzati nei dispositivi mobili, nei sistemi automobilistici e nei sistemi di controllo industriali.
Sviluppato da Microchip Technology, il microcontrollore PIC è il microcontrollore più piccolo al mondo, che si trova frequentemente nella robotica, nell'automazione domestica e industriale e nei sistemi di energia rinnovabile.
Comunemente utilizzati in applicazioni che richiedono l'elaborazione del segnale digitale, l'elaborazione video e le reti ad alta velocità, questi microcontrollori utilizzano FPGA (Field-Programmable Gate Array), che possono essere configurati e riconfigurati a livello hardware, per ottenere risultati di elaborazione altamente versatili e personalizzabili.
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Un'unità di elaborazione centrale (CPU) è il componente funzionale principale di un computer. È un insieme di circuiti elettronici che eseguono il sistema operativo e le applicazioni di un computer e gestiscono una varietà di altre operazioni.
"Data storage" si riferisce alla registrazione e conservazione di informazioni digitali su supporti magnetici, ottici o meccanici per operazioni in corso o future.
Un FPGA (Field Programmable Gate Array) è un tipo versatile di circuito integrato progettato per essere programmabile a livello hardware e adattarsi a diversi scopi, come il calcolo ad alte prestazioni (HPC) e la prototipazione.
Gli FPGA (Field Programmable Gate Array) e le unità microcontrollori (MCU) sono due tipi di circuiti integrati (IC) comunemente confrontati che vengono tipicamente utilizzati nei sistemi integrati e nella progettazione digitale.
La CPU è il cervello del computer e le diverse tipologie sono definite dal processore o microprocessore che le controlla.
Il supercomputing è una forma di calcolo ad alte prestazioni che determina o calcola utilizzando un potente computer, ovvero un supercomputer, riducendo il tempo complessivo per la risoluzione.