MCU: scopri le più importanti famiglie di microcontrollori

Una moltitudine di schede di sviluppo che utilizziamo frequentemente, dalla stessa Arduino a molte altre, utilizzano Unità MCU o microcontrollori. Alcuni chip vitali per poterlo fare programmare questi dispositivi e che le istruzioni create dal programmatore possano essere elaborate per ottenere i risultati attesi.

Tuttavia, Il settore dei microcontrollori è piuttosto ampio., come è anche il caso delle CPU o dei microprocessori, poiché non solo ci sono molti progettisti o produttori, così come i modelli, ma ci sono anche molte famiglie diverse che dovresti conoscere. Quindi dedicheremo questo articolo proprio a questo, così saprai quale potrebbe interessarti di più per i tuoi progetti…

Che cos'è un microcontrollore o MCU?

Un microcontrollore o MCU (unità microcontrollore) È un dispositivo compatto che integra le funzioni di un processore centrale (CPU), memoria e periferiche su un unico chip. Questo dispositivo è il fulcro di molti sistemi elettronici ed è fondamentale nel campo dell'elettronica embedded. In breve, un'ottima alternativa all'elettronica cablata, consentendo così a un singolo chip di svolgere una moltitudine di funzioni in modo flessibile, poiché è programmabile.

I microcontrollori sono utilizzati in a ampia varietà di applicazioni grazie alla sua versatilità ed efficienza. Alcuni esempi di utilizzo dei microcontrollori includono sistemi di controllo in automobili, elettrodomestici, sistemi di automazione industriale, sistemi di controllo di processo, giocattoli, sistemi di sicurezza, schede di sviluppo e molte altre apparecchiature elettroniche.

Parti di microcontrollori

I microcontrollori sono dispositivi integrati e tutti i loro componenti sono implementati su un chip o circuito integrato. Tra i parti più fondamentali di questi chip sono:

• CPU (Central Processing Unit): L'unità di elaborazione centrale è il cervello del microcontrollore e la sua parte più importante. Questa unità ha il compito di utilizzare i dati e le istruzioni del programma per interpretarli ed elaborarli opportunamente nelle unità di esecuzione per ottenere i risultati attesi. Cioè, la CPU esegue tutte le operazioni di calcolo e prende le decisioni in base alla logica del programma. La velocità e l'efficienza della CPU determinano in gran parte le prestazioni del microcontrollore. Inoltre, di solito contengono anche parti elementari come i sistemi di interruzione, che consentono al microcontrollore di reagire tempestivamente a determinati eventi. Quando si verifica un evento specifico, come un segnale in ingresso o un timer che raggiunge un valore specifico, il microcontrollore può interrompere il suo compito attuale per rispondere a questo evento.
• Memoria: Di solito hanno due tipi di memoria come RAM e flash. La RAM viene utilizzata per memorizzare dati temporanei, come le istruzioni che compongono i programmi e i dati (variabili, costanti,...) durante l'esecuzione del programma. Mentre la memoria flash viene utilizzata per memorizzare il programma da eseguire ed è non volatile come la RAM, quindi quando viene interrotta l'alimentazione o il dispositivo viene spento, il programma rimarrà.
• Periferiche di ingresso/uscita (I/O): permettono al microcontrollore di interagire con il mondo esterno. Questi possono includere porte I/O digitali, convertitori analogico-digitale (ADC), convertitori digitale-analogico (DAC), interfacce di comunicazione come UART, SPI e I2C, controller di varietà, timer, contatori, GPIO e altri.

In cosa differisce da un microprocessore o da una CPU?

Un microprocessore e un microcontrollore sono due componenti fondamentali nel campo dell'elettronica, ma lo sono differenze significative in termini di struttura e utilizzo, anche se molte persone confondono le due cose o credono che siano la stessa cosa.

Mentre la CPU si integra solo unità funzionali per il controllo e l'interpretazione di istruzioni, registri, nonché istruzioni di esecuzione come ALU, FPU, ecc., e possono essere combinati con altri elementi ausiliari in modo più flessibile, i microcontrollori sono un po' più chiusi nel senso che integrano molte delle parti che la CPU tralascia. Infatti, mentre la CPU è il cervello di un computer, l'MCU può essere considerato un computer completo, poiché racchiude tutte le parti fondamentali su un unico chip.

Tuttavia, non confondere una maggiore integrazione con i termini di complessità e prestazioni. Mentre i microprocessori attuali sono estremamente complessi e con prestazioni molto elevate, i microcontrollori attuali solitamente hanno una CPU integrata con prestazioni molto inferiori e più semplici. In effetti, molti dei microcontrollori odierni possono avere prestazioni simili a quelle dei microprocessori di decenni fa. Inoltre, come vedremo più avanti, disponiamo anche di microcontrollori a 8 o 16 bit come le CPU degli anni '70.

Differenze rispetto ad un SoC?

Poiché il microcontrollore integra diversi elementi sullo stesso chip, Viene spesso confuso anche con il SoC (System on a Chip)Tuttavia, non è neanche la stessa cosa. Come nel caso della CPU rispetto all'MCU, anche i SoC integrano una CPU con prestazioni molto più elevate rispetto alla maggior parte dei microcontrollori attuali. Inoltre il SoC è un sistema infinitamente più complesso ed avanzato. D'altra parte, il SoC solitamente non integra alcune delle parti che sono integrate in un microcontrollore, poiché le applicazioni a cui è destinato non lo richiedono, come RAM e memoria flash, convertitori ADC, ecc.

Un po' di storia

I primi microprocessori multicircuito, come l'AL1 di Four-Phase Systems nel 1969 e l'MP944 di Garrett AiResearch nel 1970, furono sviluppati con più chip MOS LSI. Il primo microprocessore a chip singolo fu l'Intel 4004, lanciato nel 1971. Questi processori richiedevano diversi chip esterni per implementare un sistema funzionale, il che era costoso. Tuttavia, quasi parallelamente, è stato sviluppato quello che oggi conosciamo come microcontrollore. LUI attribuito agli ingegneri IT, Gary Boone e Michael Cochran, la creazione di successo del primo microcontrollore nel 1971, il TMS 1000, che combinava memoria di sola lettura, memoria di lettura/scrittura, processore e orologio su un unico chip. Infatti, anche se questa è un'altra storia, ha generato una guerra sui brevetti e cause legali sulla paternità del microprocessore...

Nel corso degli anni '1970, il I produttori di elettronica giapponesi iniziarono a produrre microcontrollori per automobili. Divennero gradualmente popolari e, in risposta all'esistenza del TMS 1000 a chip singolo, Intel sviluppò un sistema informatico su un chip ottimizzato per applicazioni di controllo, l'Intel 8048, che combinava RAM e ROM sullo stesso chip insieme a una CPU. Con il passare del tempo le memorie non volatili vennero migliorate, e passarono dall'essere registrate in fabbrica con un programma permanente come le prime ROM fino all'introduzione della PROM, ovvero l'EEPROM del 1993, che ne permetteva la cancellazione e la riprogrammazione. con un altro programma in modo semplice e tutte le volte che vuoi.

A poco a poco, sono nate aziende attorno a questo tipo di chip, come ad esempio Atmel, Microchip Technology e molti altri. Anche altre aziende del settore iniziarono a distribuire i propri MCU, come Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics , Sinossi, Toshiba, ecc.

Oggi i microcontrollori sono economici e facilmente accessibili agli hobbisti e a una moltitudine di settori industriali diversi. Inoltre, si stima che vengano venduti quasi 5 miliardi di unità a 8 bit in tutto il mondo, essendo il più utilizzato attualmente. Li puoi trovare negli elettrodomestici, nei veicoli, nei computer, nei telefoni, nelle macchine industriali e molto altro. Inoltre, sono riusciti a miniaturizzare al massimo, creando alcuni dei computer più piccoli del mondo, addirittura molto più piccoli di un granello di sale...

Famiglie ISA e microcontrollori

Ora che sai qualcosa in più su cosa sia un MCU o un microcontrollore, vediamone alcuni famiglie più importanti di questi microcontrollori. E, come le CPU, possono essere divise in base all'ISA, cioè al repertorio di istruzioni, registri e tipi di dati che vengono utilizzati, e da questo dipenderà la compatibilità dei programmi binari che possono essere eseguiti, rendendoli incompatibili. tra famiglie. E queste famiglie sono totalmente indipendenti dal modello, dalla marca o dalle unità incluse nel chip.

Tra i famiglie più popolari abbiamo quanto segue:

• Bambini: è una generazione di softcore per FPGA di Altera, ora assorbita da Intel.
• Pinna nera: è una famiglia di microprocessori a 16/32 bit sviluppata, prodotta e commercializzata da Analog Devices. I processori dispongono inoltre di funzionalità DSP (Digital Signal Processor) integrata, eseguita mediante moltiplicazione-accumulo a 16 bit (MAC).
• TigerSHARC: sta per Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, anch'esso di Analog Devices. In questo caso sono ideali per applicazioni che richiedono elevate prestazioni di calcolo con bassi consumi. Questi processori offrono un'architettura di memoria unica che consente un accesso efficiente ai dati e alle istruzioni senza la penalizzazione delle prestazioni associata alle architetture del bus Von Neumann.
• Corteccia-M- I microcontrollori Cortex-M di ARM sono una famiglia popolare di microcontrollori a 32 bit che sono molto efficienti dal punto di vista energetico e offrono buone prestazioni. Sono particolarmente apprezzati nelle applicazioni industriali e di consumo e attualmente rappresentano la maggior parte dei chip moderni venduti da molte aziende.
• APR32: È un'architettura di microcontrollore RISC a 32 bit prodotta da Atmel e puoi trovarla su molte schede di sviluppo, come Arduino e suoi cloni.
• RISC-V: Questo ISA aperto mira a superare ARM, e poco a poco ha cominciato ad avere importanza nel mondo dei microcontrollori, poiché è molto flessibile e ne consente l'utilizzo senza pagare royalties.
• PIC- sono una famiglia di microcontrollori a 8 bit sviluppati da Microchip Technology, noti per la loro architettura RISC avanzata, e sono piuttosto popolari nel settore.
• PowerQUICC: si basano sulla tecnologia Power Architecture di IBM e sono stati utilizzati da Motorola (ora Freescale), supportano l'intero spettro di apparecchiature di rete embedded e applicazioni embedded industriali e generali.
• Spagna: Questi sono gli MCU di Fujitsu e sono focalizzati su prodotti analogici e digitali e progettati per efficienza e prestazioni bilanciate.
• 8051: È un microcontrollore a 8 bit sviluppato da Intel, anche se ora lo troverete prodotto anche da altre società. È uno dei microcontrollori più popolari e viene utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni. L'8051 è un microcontrollore CISC basato sull'architettura Harvard.
• Tricore: è un microcontrollore sviluppato da Infineon Technologies. TriCore unisce gli elementi di un core del processore RISC, un microcontrollore e un DSP su un singolo chip. All’epoca fu una rivoluzione.
• MC-48 o 8048: È un microcontrollore della linea Intel, con 64 byte di RAM e accesso a 4096 byte di memoria di programma esterna.
• Mico8- è una famiglia di microcontrollori a 8 bit implementata interamente in memoria e logica generica per FPGA Lattice.
• elica: Architettura multicore a 32 bit sviluppata da Parallax Inc. Ogni Propeller ha 8 processori identici a 32 bit collegati a un hub comune.
• Timbro di base- è un microcontrollore con un piccolo interprete BASIC specializzato (PBASIC) integrato nella ROM. È prodotto da Parallax, Inc ed era un prodotto piuttosto popolare tra i produttori che volevano realizzare una moltitudine di progetti a casa prima del rilascio di Arduino.
• SuperH: è un'architettura di set di istruzioni di calcolo RISC a 32 bit sviluppata da Hitachi e attualmente prodotta da Renesas e focalizzata su microcontrollori per sistemi embedded.
• Tiva: è un microcontrollore in serie sviluppato da Texas Instruments. Ha una frequenza di clock del processore integrata fino a 80 MHz con un'unità a virgola mobile (FPU), con grandi prestazioni.
• Microblaze: è un sistema processore altamente integrato destinato ad applicazioni di controllo. MicroBlaze è implementato interamente nella memoria e nella logica generica degli FPGA Xilinx (ora AMD), ovvero un softcore.
• Picoblaze: simile al precedente, ma in questo caso è a 8 bit e più semplice, per applicazioni più integrate.
• XCore: Sono MCU multicore XMOS, a 32 bit, programmati in ambiente C e che funzionano in modo deterministico e con bassa latenza. Sono molto completi e possono essere implementati sotto forma di piastrelle.
• Z8: proviene da Zilog e sono dispositivi a 8 bit che offrono un'ampia gamma di opzioni di prestazioni e risorse. Questi microcontrollori sono ideali per applicazioni ad alto volume e sensibili ai costi, inclusi prodotti di consumo, automobilistici, di sicurezza e HVAC.
• Z180: È un altro di quelli popolari all'interno di Zilog prima del rilascio del nuovo eZ che ha aggiornato le gamme precedenti. Include un processore a 8 bit, compatibile con l'ampia base software scritta per lo Z80. La famiglia Z180 aggiunge prestazioni più elevate e funzionalità periferiche integrate come generatore di clock, contatori/timer a 16 bit, controller di interruzione, generatori di stati di attesa, porte seriali e un controller DMA.
• STM: Questa famiglia STMicroelectronics dispone di alcune unità MCU basate sull'architettura propria dell'azienda, anche se negli ultimi modelli si è scelto, come in molti altri casi, di integrare la serie ARM Cortex-M a 32 bit. Offre prodotti che combinano prestazioni molto elevate, funzionalità in tempo reale, elaborazione del segnale digitale, funzionamento a basso consumo/bassa tensione e connettività, pur mantenendo la completa integrazione e la facilità di sviluppo.

Ce ne sono altri, ma questi sono i più importanti...