I microcontrollori, o MCU (MicroController Unit), sono piccoli circuiti integrati o chip che integrano al loro interno un computer, ovvero vanno oltre una CPU, includendo CPU, memoria e anche I/O, tutto in un singolo chip, anche se devono essere differenziati dai SoC, che includono più di questo e sono più complessi.
Questi chip sono i cervello di un gran numero di dispositivi che utilizziamo nella nostra vita quotidiana e sono presenti in più dispositivi di quanti possiate immaginare, da quelli che avete in casa, ai vostri veicoli, alle macchine industriali, ecc. Per questo motivo, sono molto importanti oggi e dedicheremo loro questo articolo.
Inoltre, va notato che hanno recentemente guadagnato una certa popolarità grazie al IoT (Internet delle cose), poiché a causa di le sue piccole dimensioni, il basso consumo e il basso costo, sono ideali per alimentare questi dispositivi connessi senza la necessità di unità di elaborazione più avanzate. Inoltre, come vedremo più avanti, sono ottimi anche per maker e appassionati di elettronica fai da te, con progetti come Arduino, ecc.
Cosa può fare un microcontrollore?
I microcontrollori, MCUI microcontrollori sono chip in grado di svolgere una moltitudine di funzioni, proprio come una CPU generica, con la differenza che integrano anche altri componenti del computer come memoria, bus e sistema di I/O, quindi sono praticamente un computer su un chip. Le loro applicazioni possono essere molto diverse, dal controllo di temperature o altri parametri tramite sensori, alla generazione di un output basato sullo stato degli input per eseguire azioni, ecc. Il numero di applicazioni può essere davvero vasto, e il limite è quasi l'immaginazione e le capacità tecniche del microcontrollore stesso, poiché di solito hanno dimensioni di memoria e prestazioni limitate.
Pertanto, quando si seleziona un microcontrollore, è necessario tenere conto di molti fattori, come la frequenza operativa del dispositivo, l'architettura su cui si basa, memoria disponibile, il numero di pin disponibili e il tipo e il numero di componenti esterni richiesti. Fortunatamente, esistono molti produttori e modelli di microcontrollori tra cui scegliere, dai più semplici ai più complessi, inclusi alcuni progettati per resistere a condizioni estreme nello spazio, in dispositivi militari, macchinari industriali e altro ancora.
Che cos'è un PIC?
L'azienda Microchip ha sviluppato una serie di microcontrollori che sono diventati molto popolari sul mercato, come i suoi famosi PICUna famiglia di dispositivi con diverse dimensioni di parola, come i dispositivi a 16 bit, che possono essere molto flessibili nella programmazione e nell'esecuzione di una moltitudine di funzioni.
Inoltre, hanno un fantastico ecosistema compatibile, il che semplifica notevolmente le cose per gli sviluppatori che li utilizzano, nonché per i programmatori che dispongono di un IDE completamente compatibile per programmare il codice necessario.
Certo, il PIC non è l'unica architettura, ci sono anche AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M, ecc.
Architettura e funzionamento del microcontrollore
Sebbene possa sembrare complesso avere tutto integrato, come la CPU, la memoria e il sistema I/O, tra le altre cose, la verità è che i microcontrollori sono più semplici di molte delle CPU o GPU avanzate utilizzate nei computer moderni. Le CPU integrate in questi microcontrollori sono solitamente più semplici, come le CPU di decenni fa (ad esempio, l'8051 di Intel). In effetti, molti microcontrollori si basano su architetture sviluppate decenni fa.
Gli MCU possono anche implementare altri elementi aggiuntivi o specializzati: l'elaborazione di segnali analogici, il controllo di hardware esterno o la presenza di un watchdog timer integrato per ripristinare il chip in caso di crash dovuto a una programmazione errata. L'architettura del chip può essere fissa o programmabile, consentendo la riconfigurazione del dispositivo per diverse applicazioni.
Inoltre non richiedono una grande capacità di memoria (possono essere memorie di tipo RAM, registri, ROM come EEPROM, flash, ecc.) e solitamente includono solo pochi KB o MB L'IDE ha la capacità di ospitare i programmi necessari per eseguire le funzioni. Tutti questi vengono caricati in una serie di istruzioni e dati che l'IDE genererà a partire dal codice sorgente di programmazione di alto livello tipicamente utilizzato dagli sviluppatori.
Tipi di microcontrollori
Come puoi immaginare, ce ne sono diversi tipi di microcontrolloreOgnuno di essi ha caratteristiche e capacità diverse, quindi le applicazioni per cui verranno utilizzati saranno molto diverse.
Ho già detto che i fattori più importanti da considerare nella scelta di un microcontrollore sono la frequenza operativa e la quantità di memoria disponibile. I requisiti dell'applicazione determineranno la frequenza operativa, ma di solito è meglio selezionare un dispositivo che correre il più lentamente possibile pur soddisfacendo i requisiti, ricercando maggiore stabilità e affidabilità a causa delle applicazioni critiche per cui questo tipo di chip è tipicamente dedicato.
Dove vengono utilizzati i microcontrollori?
Microcontrollori Sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioniCome ho accennato in precedenza, li troverete in elettrodomestici e dispositivi elettronici di ogni tipo, in veicoli terrestri, marittimi e aerei, satelliti e veicoli spaziali, razzi, macchinari industriali e molto altro. Alcuni degli esempi più noti sono:
- Automobilistica: Sono utilizzati in numerose applicazioni automobilistiche per controllare alcuni aspetti elettronici delle auto. Ad esempio, sono comunemente utilizzati nei moderni sistemi di gestione del motore per controllare l'iniezione del carburante e la fasatura dell'accensione. Possono essere presenti anche in altri sistemi di bordo, come i sistemi di controllo della trasmissione.
- IndustriaSono inoltre presenti in una moltitudine di macchinari industriali di ogni tipo e settore. Sono utilizzati in un'ampia varietà di sistemi diversi, come il monitoraggio e il controllo delle macchine, il controllo di processo e l'acquisizione e l'analisi dei dati.
- ConsumoI microcontrollori sono sempre più utilizzati nei dispositivi di consumo, come elettrodomestici, dispositivi elettronici utilizzati in casa, ecc. Anche i computer spesso hanno più microcontrollori per svolgere diverse attività, oltre alla CPU, alla GPU, ecc.
- Comunicazioni: Sono utilizzati soprattutto nei sistemi di comunicazione a radiofrequenza o di altro tipo. Sono utilizzati sia nelle reti informatiche che nelle apparecchiature di radiocomunicazione.
- domoticaNaturalmente, i microcontrollori sono fondamentali per la domotica, automatizzando una moltitudine di attività quotidiane nelle case intelligenti. Sono spesso utilizzati in sensori e altri dispositivi che controllano e monitorano i sistemi domestici, come l'irrigazione automatica, l'alzata o l'abbassamento delle tapparelle in base alle condizioni di illuminazione e così via.
- MedicinaI microcontrollori vengono utilizzati in numerose applicazioni mediche, dalle apparecchiature ospedaliere ai dispositivi medici impiantati che controllano determinati parametri biomedici, pacemaker, ecc.
- Militare: e naturalmente vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni militari, come sistemi d'arma, sistemi di controllo di volo e sistemi di sensori.
Vantaggi e svantaggi dell'MCU
Vantaggi dell'utilizzo dei microcontrollori
L'uso di I microcontrollori presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri dispositivi che potrebbero essere utilizzati per le stesse applicazioni. Tra i punti salienti:
- Requisiti di potenza estremamente bassi, che li rendono ideali per applicazioni alimentate a batteria o sistemi integrati o da parete a basso consumo.
- Hanno tempi di risposta rapidi, il che li rende adatti alle applicazioni embedded che richiedono un controllo in tempo reale.
- Capacità di essere programmati per svolgere un'ampia varietà di funzioni, a differenza dell'elettronica cablata, che può svolgere solo una funzione. Sono spesso in grado di svolgere compiti complessi che sarebbero molto difficili o impossibili da realizzare con componenti discreti. Questo li rende ideali per applicazioni che richiedono soluzioni personalizzate.
- Sono disponibili in un'ampia gamma di pacchetti diversi, rendendo semplice personalizzare un'applicazione in base a esigenze specifiche.
- Un altro grande vantaggio dei microcontrollori è il loro basso costo.
- Sono disponibili in piccole confezioni che ne facilitano l'installazione in un'ampia gamma di applicazioni.
Limitazioni dei microcontrollori
Tuttavia, non tutti i vantaggi dei microcontrollori, ma anche Alcuni svantaggi che è anche importante sottolineare. Ad esempio:
- La loro capacità di essere programmati per svolgere molte funzioni diverse li rende molto versatili, ma rende anche difficile la risoluzione dei problemi. Se un circuito non funziona correttamente, può essere molto difficile capirne il motivo, perché il problema potrebbe essere dovuto a un programma difettoso o a un problema hardware.
- Inoltre, le applicazioni complesse potrebbero richiedere una grande quantità di memoria e prestazioni di elaborazione superiori a quelle della maggior parte dei microcontrollori presenti sul mercato.
- La mancanza di linguaggi di programmazione di alto livello limita la loro scelta. Poiché elaborano istruzioni in linguaggio macchina di basso livello, può essere difficile apportare modifiche a un programma o risolvere problemi hardware.
Microcontrollori nell'IoT
La semplicità dei microcontrollori li rende facili da usare in Dispositivi IoT, come prese intelligenti, interruttori intelligenti, lampadine intelligenti, sensori di umidità, sensori di fumo e altri dispositivi semplici. Tuttavia, i dispositivi complessi spesso richiedono più memoria e potenza di elaborazione, il che può rendere difficile l'inserimento dei circuiti necessari in un dispositivo compatto, portando alla necessità di optare per CPU e memoria più potenti anziché per una MCU.
Inoltre, la loro versatilità e tutti i vantaggi di cui abbiamo parlato sopra sono davvero interessanti per questi dispositivi che non richiedono elevate capacità di memoria o elevate prestazioni di elaborazione. Inoltre, molti di questi i dispositivi dipendono da una batteria, quindi questi circuiti integrati a bassa potenza sono ideali.
Cos'è Arduino?
Sono sicuro che lo conosci già. Arduino Si tratta di una popolare scheda di sviluppo open source basata su microcontrollori. È molto conveniente e consente di completare facilmente un'ampia gamma di progetti, sia per hobbisti o bambini che si avvicinano alla programmazione, all'elettronica o alla robotica, sia per un uso più professionale. Tutto questo grazie alla sua ricca community e al suo ecosistema, con un IDE completo, numerose versioni per soddisfare diverse esigenze, accessori disponibili e molto altro.
Queste schede Arduino sono programmate utilizzando un linguaggio simile a C/C++ sviluppato da Arduino. Questo linguaggio è abbastanza semplice da comprendere e utilizzare anche per i principianti, ma sufficientemente potente da consentire la creazione di progetti complessi sul computer. Arduino IDELa popolarità di Arduino rende facile trovare risorse, componenti e altre persone interessate agli stessi tipi di progetti. Quindi, quale modo migliore per iniziare a familiarizzare con e utilizzare i microcontrollori se non con un Arduino...
Che cos'è l'IDE Arduino?
Come ho detto prima, Arduino ha una grande IDE (Ambiente di sviluppo integrato)Con questo software, puoi creare sketch o programmare codici sorgente e poi caricarli nella memoria del microcontrollore Arduino tramite un cavo USB collegato al PC. Questo consente alla MCU di eseguirli per svolgere le funzioni desiderate.
Naturalmente, Arduino IDE è da open source, è gratuito ed è disponibile per un'ampia gamma di piattaforme, tra cui macOS, Windows e Linux. E non solo potrai programmare schede Arduino, ma supporta anche la programmazione di altri microcontrollori compatibili, come AVR, PIC, ecc., così come schede compatibili con Arduino...
Vantaggi di Arduino e Arduino IDE
Infine, vorrei affermare alcuni progetti che puoi creare Con questa piattaforma IDE Arduino e la scheda di sviluppo Arduino. È possibile farlo anche utilizzando questo linguaggio di programmazione di alto livello, lasciando all'IDE la traduzione in codice macchina (numeri uno e zero) comprensibile per il microcontrollore. È anche possibile utilizzare un linguaggio a blocchi per chi non sa programmare o per i bambini.
I progetti possono essere molto vari, dalla creazione di un semplice allarme allo sviluppo di un complesso sistema di irrigazione per un giardino, inclusi sistemi di domotica, monitoraggio dei parametri, automazione delle attività, ecc. Come ho detto all'inizio, il limite è quasi la tua immaginazione.
Inoltre, c'è una grande comunità disposta ad aiutarti, così come una moltitudine di Componenti aggiuntivi e kit progettati appositamente per Arduino, il che renderà le cose molto più semplici. Non è come partire da un chip come il PIC o l'8051 e dover creare tutto praticamente da zero...
Ora hai familiarità con il mondo dei microcontrollori e sai come iniziare da casa o dalla tua scuola...