Microcontroller e microprocessori: qual è la differenza?

Le unità microcontroller (MCU) e le unità microprocessori (MPU) sono due tipi di circuiti integrati che, pur essendo simili per certi aspetti, sono molto diversi per altri. Sostituendo le antiquate unità di elaborazione centrale (CPU) multicomponente con unità logiche separate, questi processori a chip singolo sono entrambi estremamente preziosi per il continuo sviluppo della tecnologia informatica. Tuttavia, microcontroller e microprocessori differiscono in modo significativo nella struttura dei componenti, nell'architettura dei chip, nelle capacità prestazionali e nell'applicazione.

La differenza fondamentale tra queste due unità è che i microcontroller combinano tutti gli elementi necessari di un sistema di microcomputer in un unico hardware. I microcontroller non necessitano di periferiche aggiuntive o di sistemi operativi complessi per funzionare, mentre i microprocessori sì. Entrambi i circuiti contengono CPU, tuttavia i microcontroller integrano anche memoria, componenti di input/output (I/O) e altre varie periferiche.

I microcontroller, di piccole dimensioni e a basso consumo energetico, sono economici e ottimizzati per funzionalità all-in-one. Di conseguenza, queste unità sono utilizzate al meglio per applicazioni specifiche come i sistemi di infotainment automobilistici e i dispositivi Internet of Things (IoT).

Al contrario, i microprocessori per uso generico sono in genere più potenti e sono progettati per essere supportati da hardware specializzato per aumentare le prestazioni in applicazioni impegnative come il personal computing e l'elaborazione grafica.

A livello hardware, i microprocessori si basano sull'architettura "classica" di von Neumann. È costituita da una CPU con unità logica aritmetica (ALU) e registri del processore (piccole quantità di memoria veloce per un rapido accesso ai dati), un'unità di controllo, memoria per dati e istruzioni, memoria esterna per l'archiviazione di massa e meccanismi I/O. Questa metodologia utilizza lo stesso insieme di fili di interconnessione (noto come bus) per trasmettere istruzioni ed eseguire operazioni. I microprocessori non possono eseguire queste azioni contemporaneamente, ma i dispositivi moderni utilizzano varie tecniche di mitigazione per evitare colli di bottiglia dei dati.

Allo stesso tempo, i microcontroller utilizzano la più complessa architettura Harvard, che ha un set dedicato di bus di dati e bus di indirizzi per la lettura e la scrittura di dati in memoria e un altro set per recuperare le istruzioni per l'esecuzione delle operazioni. Poiché la CPU può leggere un'istruzione e accedere contemporaneamente alla memoria dei dati, l'architettura di Harvard può eseguire le operazioni di base più velocemente.

L'architettura Harvard eccelle nelle attività di calcolo in tempo reale e ad alta velocità. Tuttavia, lo spazio di memoria unificato per i dati e le istruzioni dell'architettura semplificata di von Neumann si traduce in una maggiore affidabilità e scalabilità. Per questo motivo, i microprocessori basati su von Neumann vengono solitamente scelti per attività più impegnative come l'elaborazione ad alte prestazioni (HPC) e i giochi, mentre i microcontroller sono generalmente utilizzati per gestire l'elaborazione veloce dei segnali.

Essenzialmente, un microcontroller è un piccolo computer su un singolo chip, contenente uno o più core del processore, una memoria operativa (RAM) e una memoria di sola lettura programmabile cancellabile elettricamente (EEPROM) per la memoria del programma. Ottimizzate per funzionare come unità autonome, le integrazioni dei microcontroller migliorano l'elaborazione del segnale in tempo reale e rendono queste unità compatte ideali per il controllo di attività o funzioni specifiche all'interno di sistemi integrati.

Componenti chiave di un microcontroller

• Unità di elaborazione centrale (CPU): definita in modo colloquiale come il "cervello" del computer, la CPU è responsabile dell'esecuzione delle istruzioni e del controllo delle operazioni.
• Memoria: i microcontroller contengono sia una memoria volatile (RAM), che memorizza dati temporanei che potrebbero andare persi se il sistema perde potenza, sia una memoria flash non volatile (ROM) per memorizzare il codice di programmazione del microcontroller.
• Periferiche: a seconda dell'applicazione prevista, un microcontroller può contenere vari componenti periferici, come interfacce I/O, timer, contatori, convertitori analogico-digitali (ADC) e protocolli di comunicazione (UART, SPI, I2C).

Leggeri, piccoli e con un consumo energetico relativamente basso, i microcontroller sono ideali per i dispositivi elettronici alimentati a batteria come smartphone, smartwatch e altri dispositivi indossabili. Sono molto apprezzati anche dagli hobbisti. I microcontroller programmabili di livello consumer, come quelli realizzati da Arduino o Raspberry Pi, possono essere facilmente configurati in linguaggi di programmazione come C, C++ e Python, comunemente usati nei sistemi operativi Windows, Linux e macOS. Sebbene siano accessibili anche agli sviluppatori principianti, i microcontroller sono spesso utilizzati in un'ampia gamma di casi d'uso professionali e industriali, tra cui l'automazione industriale, i sistemi di sicurezza per i trasporti e la prototipazione.

Tipi di microcontroller e casi d'uso 

In seguito alla richiesta di chip personalizzati da parte di un produttore giapponese di calcolatrici, agli ingegneri della Texas Instruments Gary Boone e Michael Cochran è attribuita la creazione del primo microcontroller nel 1971. Una svolta nella tecnologia dei circuiti, che negli anni successivi ha prodotto una miriade di miglioramenti e iterazioni da parte di produttori come Intel, NXP e Arm.

Questi sono alcuni dei tipi di microcontroller più diffusi:

• Microcontroller a 8 bit: il tipo più semplice di microcontroller, con elaborazione e memoria limitate, tipicamente utilizzato in piccoli elettrodomestici, come giocattoli e telecomandi.
• Microcontroller a 16 bit: con una capacità due volte superiore rispetto ai modelli a 8 bit, i microcontroller a 16 bit vengono utilizzati per applicazioni più complesse, tra cui dispositivi medici, sistemi automobilistici e sistemi di controllo industriali.
• Microcontroller a 32 bit: il tipo di microcontroller più potente e ricco di funzioni; vengono utilizzati per le applicazioni più esigenti, come le console di gioco, i dispositivi di intrattenimento e l'automazione industriale di alto livello.
• Microcontroller RISC a set di istruzioni ridotto: i microcontroller 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).
• Microcontroller ARM: precedentemente acronimo di Advanced RISC Machines, questi tipi di microcontroller incorporano l'architettura ARM, incluso il moderno sottoinsieme Arm Cortex, che rafforzano le prestazioni e l'affidabilità. I microcontroller ARM sono ampiamente utilizzati nei dispositivi mobili, nei sistemi automobilistici e nei sistemi di controllo industriali.
• Microcontroller PIC: sviluppati da Microchip Technology, il microcontroller PIC è il più piccolo al mondo e si trova frequentemente nella robotica, nell'automazione domestica e industriale e nei sistemi di energia rinnovabile.
• Microcontroller basati su FPGA: comunemente utilizzati nelle applicazioni che richiedono l'elaborazione del segnale digitale, l'elaborazione video e il networking ad alta velocità, questi microcontroller utilizzano chip personalizzabili chiamati field-programmable gate array (FPGA), che possono essere configurati e riconfigurati a livello hardware per creare soluzioni hardware uniche per requisiti di elaborazione impegnativi.

I microprocessori sono il tipo predominante di processore del computer, che integra tutti i componenti necessari di una CPU in un singolo circuito. Le MPU combinano l'aritmetica, la logica e le unità di controllo degli antiquati sistemi informatici con CPU in un unico componente hardware multiuso, guidato da clock e basato su registri. Questo design integrato migliora l'affidabilità riducendo i potenziali punti di guasto. Sebbene i microprocessori non contengano memoria di programma su chip, sono ottimizzati per un uso generico impegnativo e progettati per supportare ed essere supportati da periferiche informatiche specializzate.

Componenti chiave di un microprocessore

I moderni microprocessori combinano milioni di piccoli transistor, resistenze e diodi assemblati su un materiale semiconduttore per creare i componenti chiave di un processore centrale. 

• Unità logica aritmetica (ALU): unità logica principale della CPU, questo componente esegue operazioni logiche, tra cui calcoli matematici e confronti di dati. 
• Unità di controllo (CU): il circuito CU interpreta le istruzioni e ne avvia l'esecuzione, dirigendo le operazioni di base del processore. 
• Registri: memoria veloce e di piccole dimensioni utilizzata da una CPU per conservare temporaneamente dati e istruzioni durante i processi computazionali. 
• Memoria cache: i microprocessori e le CPU utilizzano la memoria cache, una forma di memoria ad alta velocità situata accanto alla CPU, per memorizzare i dati a cui si accede di frequente per accelerare le prestazioni. 
• Core del processore: le singole unità di elaborazione all'interno dei microprocessori sono note come core. I processori moderni incorporano spesso più core (dual-core, quad-core) che consentono l'elaborazione parallela per l'esecuzione di più attività contemporaneamente.   
• Moduli I/O: i componenti I/O di un microprocessore sono fondamentali per gestire il flusso di dati da e verso la CPU, comprese eventuali periferiche di computer aggiuntive e periferiche di rete come porte Ethernet o unità WiFi.

Tipi di microprocessore e casi d'uso 

I microprocessori versatili possono essere utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, mentre le unità specializzate sono comunemente impiegate per attività specifiche che richiedono un'elaborazione ad alta potenza. I seguenti tipi di microprocessori variano per potenza, prestazioni, dimensioni, consumo energetico e molti altri aspetti:

• Microprocessori a scopo generale: questi microprocessori versatili sono presenti in un'ampia gamma di applicazioni e dispositivi comuni, come laptop e server.
• Processori digitali del segnale (DSP): i DSP sono specializzati per calcoli numerici ad alta velocità e sono spesso utilizzati per attività impegnative come l'elaborazione audio, le telecomunicazioni e l'elaborazione delle immagini. Potrebbero inoltre trovarsi in applicazioni che richiedono l'interpretazione di segnali analogici e digitali, come i sensori meteorologici. I DSP sono comunemente utilizzati in applicazioni militari, come i droni di sorveglianza e altri velivoli autonomi.
• Circuiti integrati per applicazioni specifiche (ASIC): i microprocessori ASIC sono progettati per compiti specifici e sono personalizzati per soddisfare le esigenze specifiche di varie applicazioni. Alcuni esempi di microprocessori ASIC includono chip personalizzati per console di gioco o mining di criptovalute. Anche i DSP, le GPU e altri tipi di microprocessori specializzati sono tecnicamente ASIC.
• Unità di elaborazione grafica (GPU): i microprocessori GPU sono appositamente progettati per l'impegnativo compito di renderizzare video e grafica digitali che richiedono prestazioni ad alta potenza ed elaborazione parallela. Di fondamentale importanza per i giochi di fascia alta, i potenti microprocessori GPU sono comunemente usati anche nel mining di criptovalute e sono noti per l'elevato consumo energetico.
• Processori di rete: un tipo di microprocessore ASIC specificamente ottimizzato per l'elaborazione dei pacchetti di dati di rete più frequentemente utilizzati negli switch, nei router e nei dispositivi di sicurezza di rete per le telecomunicazioni.
• Coprocessori: i coprocessori, come le unità a virgola mobile (FPU), sono progettati per fornire supporto ausiliario alla CPU principale di un sistema per aumentare le prestazioni durante determinate attività impegnative, come l'esecuzione di calcoli scientifici avanzati o complicate formule matematiche.

Microcontroler e microprocessori sono in grado di svolgere alcuni dei medesimi compiti. Tuttavia, a seconda dei requisiti dell'applicazione, ognuno ha i propri punti di forza e di debolezza. Le funzionalità integrate di un microcontroler, comprese le modalità di risparmio energetico per un basso consumo, lo rendono ideale per la maggior parte dei sistemi embedded.

Tuttavia, in circostanze che richiedono calcoli complessi o una maggiore potenza di elaborazione, i microprocessori sono una scelta migliore, ma le prestazioni e la flessibilità aggiuntive vanno a scapito di un maggiore consumo energetico e di un prezzo più elevato. Queste caratteristiche rendono i microprocessori un punto di riferimento per i personal computer e i supercomputer industriali.

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