Microcontrollore

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In elettronica digitale il microcontrollore o microcontroller o MCU (MicroController Unit) è un dispositivo elettronico integrato su singolo chip, nato come evoluzione alternativa al Microprocessore ed utilizzato generalmente in sistemi embedded ovvero per applicazioni specifiche (special purpose) di controllo digitale.

Microcontrollore PIC 18F8720 in contenitore 80-pin TQFP.

[modifica] Descrizione

È progettato per interagire direttamente con il mondo esterno tramite un programma residente nella propria memoria interna e mediante l'uso di pin specializzati o configurabili dal programmatore. Sono disponibili in 3 fasce di capacità elaborativa (ampiezza del bus dati): 8 bit, 16 bit e 32 bit.

L'ampia gamma di funzioni di comando e controllo disponibili, sia analogiche che digitali, integrate sullo stesso chip, permette l'impiego delle MCU in sostituzione di schede elettroniche cablate tradizionali ben più complesse e costose.

Per i microcontrollori sono rilasciati sistemi di sviluppo amatoriali e professionali anche in modalità open source.

[modifica] Cenni storici

Il primo microcontrollore

Il primo computer on-chip ottimizzato per applicazioni di controllo è stato il modello 8048 di Intel, rilasciato nel 1975, con RAM e ROM sullo stesso chip. Questo componente è stato utilizzato in più di un miliardo di tastiere per PC e numerose altre applicazioni.

Nei primi anni di sviluppo del microcontrollore, la maggior parte dei modelli era commercializzata in due varianti. La più economica era dotata di memoria di programma programmata in fabbrica (ROM) su specifiche del cliente oppure programmabile dall'utente una sola volta (OTP, One Time Programming). La seconda, più costosa, aveva la memoria di programma cancellabile EPROM mediante esposizione a luce ultravioletta del chip tramite la finestrella trasparente che lo sovrastava.

Nel 1993, Microchip ha introdotto il modello di MCU PIC16C84, caratterizzato da memoria programma in EEPROM, ovvero cancellabile elettricamente, che permetteva sia lo sviluppo veloce del prototipo del prodotto finito, sia la modifica del Firmware a circuito montato (In-System Programming). La semplificazione del contenitore (package), senza finestrella in quarzo, ha contribuito a ridurre il costo finale del componente.

Nello stesso anno, Atmel [3] ha rilasciato il primo MCU che utilizzava una memoria di tipo flash, ancora più semplice e veloce da programmare/modificare, più compatta e con un ciclo di vita (cancellazioni) molto più elevato. Questo ha segnato l'inizio del massiccio utilizzo del microcontrollore nelle più disparate applicazioni.

[modifica] Differenze tra microprocessore e microcontrollore

Quando nell'aprile del 1972 Intel ha introdotto sul mercato il primo processore a 8 bit - lo 8008 - esso consisteva di una ALU (Arithmetic & Logical Unit, ALU) per svolgere operazioni logiche e matematiche e di una unità di elaborazione elementare (Control Processing Unit, CPU) per controllare il flusso di dati e indirizzi tra la ALU e i circuiti esterni di supporto.

Successivamente, l'architettura interna del microprocessore (in seguito spesso chiamato semplicemente CPU) si è evoluta velocemente con lo sviluppo di blocchi interni via via più complessi (maggior numero di bit elaborati e movimentati) e con capacità e velocità di calcolo crescenti in modo esponenziale.

Per quanto potente, il microprocessore integra sul chip solo la logica di elaborazione mentre richiede sempre delle unità esterne - memorie, gestori di segnali e dispositivi periferici per poter scambiare informazioni e interagire con l'esterno.

Il microcontrollore è invece un sistema completo, che integra in uno stesso chip il processore, la memoria permanente, la memoria volatile e i canali (pin) di I/O, oltre ad eventuali altri blocchi specializzati.

A differenza dei microprocessori classici, adatti per un uso generale (general purpose), il microcontrollore è inoltre progettato per ottenere la massima autosufficienza funzionale ed ottimizzare il rapporto prezzo-prestazioni in uno specifico campo di applicazioni.

Anche l'esecuzione dei programmi applicativi si appoggia su un'architettura hardware diversa da quella tipicamente usata per i microprocessori. Mentre questi ultimi, soprattutto quando usati per computer e personal computer, eseguono i programmi applicativi appoggiandosi a dispositivi di memoria di massa o a memoria volatile, per i microcontrollori il programma applicativo è tipicamente memorizzato su un dispositivo di memoria ROM (come per esempio una EPROM) ed è quindi in realtà un firmware.

In generale, essendo concepiti per applicazioni specifiche e per l'uso in condizioni ambientali particolari che impongono limitazioni sia in termini di consumi che in termini di dissipazione di potenza, i microcontrollori presentano caratteristiche meno spinte rispetto ai microprocessori ma risultano più economici di questi ultimi sia per l'integrazione in un solo chip di una serie di componenti sia per fattori di economia di scala legati ai volumi di produzione molto più elevati.

Tabella 1: confronto microprocessore vs. microcontrollore[1]
Caratteristica Microcontrollore Microprocessore
Velocità massima di clock 200Mhz 4GHz
Capacità elaborativa massima in MegaFLOPS 200 5000
Potenza minima dissipata in Watt (in stato di elaborazione[2]) 0.001 50
Prezzo minimo per singola unità in USD 0.5 50
Numero di pezzi venduti annualmente (in milioni) 11,000 1,000

[modifica] DSP

Parallelamente al microcontrollore, e in continua evoluzione di potenza e di mercato, esistono i DSP (Digital Signal Processor) che incorporano moduli specializzati nel trattamento digitale di segnali analogici. I campi tipici di utilizzo sono nel controllo di azionamenti (come i motori), di componenti per auto e avionica, di trattamento di segnali multimediali (codifica/decodifica audio e video, streaming) e nella telefonia mobile.

Il DSP ha tipicamente una struttura a 32 bit, e prossimamente a 64 bit.

[modifica] Componenti del microcontrollore

Microcontrollore STMicroelectronics STM32F103 R6T6

L'architettura del microcontrollore prevede un insieme di moduli fissi, comuni a tutti i modelli, e una serie di possibili estensioni in funzione del costruttore, del prezzo e della fascia applicativa):

[modifica] Motivazioni del successo

Il successo e l'enorme crescita del Mercato di questi componenti sono dovuti a questi fattori:

  • Basso costo (consente di sostituire 1 o più circuiti integrati tradizionali a costo inferiore).
  • Ampia scalabilità di prestazioni, di complessità (da 8 pin a 144 pin) e velocità (da 1 MHz a 200 MHz).
  • Vasta gamma di dotazioni in periferiche e moduli specializzati.
  • Ridotto (al limite = 0) numero di componenti esterni, ovvero semplicità di realizzazione.
  • Facilità di programmazione dovuta anche ai numerosi tool di sviluppo disponibili.
  • Ampia (e spesso libera) disponibilità di librerie, codici di esempio e documentazione
  • Possibilità e facilità di riprogrammazione (in-field e in-system).
  • Grande flessibilità applicativa.
  • Brevi tempi di introduzione sul mercato del prodotto finito.

[modifica] Applicazioni di impiego

L'enorme volume di pezzi prodotti deriva dall'impiego massiccio di questo componente nei dispositivi elettronici di consumo e nei prodotti industriali di massa.

Difatti, al primo posto in classifica come segmento di mercato troviamo l'automotive (auto e altri mezzi di trasporto), che utilizza decine, in alcuni casi anche centinaia, di componenti per singola unità industriale venduta.

Segue il segmento della telefonia mobile e delle telecomunicazioni in genere, quindi vengono i prodotti medicali, i consumer e gli elettrodomestici.

Spesso utilizziamo questi dispositivi senza rendercene conto, come per le smartcard delle carte di credito o per le cartoline musicali di auguri.

[modifica] Mercato

Il microcontrollore occupa una posizione rilevante nel mercato complessivo dei semiconduttori, con una stima di introiti per circa 14 miliardi di dollari statunitensi e 10,8 miliardi di pezzi venduti nel 2008. La stima di crescita prevede un incremento del 10 % fino al 2014, mentre i pezzi venduti saranno di 14 miliardi per la fine del 2010.[4]

È comunque un mercato molto frammentato, con più di 40 produttori e più di 50 architetture, nessuna delle quali detiene più del 5% del mercato. Il segmento delle MCU a 32 bit è quello maggiormente in crescita, con introiti annui attuali (2009) di circa il 25% del totale.[5]

I principali (in ordine decrescente per volumi di mercato) sono:

Il catalogo di molte aziende sopra citate (es. Freescale, ST, Texas, NXP, Atmel) e altri ancora, comprende prodotti il cui core è una MCU ARM.

[modifica] Sistemi di sviluppo per MCU rilasciati in modalità Open Source

[modifica] ACK (Amsterdam Compiler Kit)

L'Amsterdam Compiler Kit [4] è un cross-compilatore GPL destinato agli ambienti Unix

I processori trattati sono:

L'efficienza del compilatore è nella media dei compilatori commerciali proprietari.

[modifica] SDCC (Small Device C Compiler)

L'SDCC (Small Devices C Compiler) [5] è un porting Open Source GPL per i microcontrollori delle sole famiglie Z80, 8051, 68HC11, PIC. È stato separato dal progetto GCC (Gnu Compilers Collection) per poter ottimizzare meglio il lavoro dei microcontrollori, dove serve una grande efficienza del compilatore e contemporaneamente vivere in un ambiente molto povero di risorse RAM e ROM.

Nonostante il piccolo numero di target disponibili, il compilatore è molto quotato e nella maggior parte delle situazioni dà risultati migliori dei sistemi di sviluppo professionali commerciali, con lo svantaggio dell'assenza di una IDE integrata.

Senza settaggi specifici il compilatore genera il codice per il controllore 8051

[modifica] JAL (Just Another Language)

Il JAL (compilatore) [6] è un dialetto GPL del Pascal destinato ai microcontrollori PIC.

[modifica] Voci correlate

[modifica] Altri progetti

[modifica] Collegamenti esterni

[modifica] Note

  1. ^ I valori in tabella sono indicativi, per puro confronto di massima, e riferiti al momento della stesura (inizio 2010)
  2. ^ In stato di riposo sleep, il consumo si può ridurre di un fattore 1000
  3. ^ Non presente in tutti i modelli
  4. ^ fonte: Databeans [1]
  5. ^ fonte: Luminary Micro [2]
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