Cos’è un Microcontrollore
Un microcontrollore è un sistema di calcolo realizzato su un singolo chip, i microcontrollori vengono progettati per eseguire specifiche attività e funzioni, ma, a differenza degli automi, sono programmabili.
In un microcontrollore l’unità di elaborazione, la memoria e l’I/O (Input/Output) sono tutti integrati in un unico chip. I microcontrollori sono ideali per applicazioni embedded, in cui è richiesto il controllo di dispositivi o di semplici sistemi, talvolta in real-time. Un esempio di un sistema embedded à l’Arduino che utilizza il microcontrollore ATMega328 (immagine a fianco).
Di norma un microcontrollore ha un costo molto inferiore rispetto ad un microprocessore (pochi dollari per un microcontrollore e centinaia di dollari per un microprocessore). Questo permette di inserire un livello di automatismo anche su dispositivi di basso costo (ad esempio un termostato o una lampada intelligente).
Architettura dei Microcontrollori
Con il termine architettura si indica il modo in cui i componenti di un sistema sono organizzati e connessi tra di loro. I microcontrollori sono sistemi di elaborazione con un’architettura specifica e diversa dall’architettura dei sistemi a microprocessore. Infatti i microcontrollori contengono tutti i componenti dell’architettura in un unico chip (circuito integrato) e non sono per questo espandibili.
Vediamo più in dettaglio i componenti di un microcontrollore evidenziadone le principali differenze con i microprocessori.
CPU (Unità di Elaborazione Centralizzata)
La CPU (Central Processing Unit) è il cuore di un microcontrollore e gestisce tutte le operazioni di calcolo quali ad esempio somme, confronti e salti condizionati. È responsabile dell’esecuzione delle istruzioni del programma, del controllo dei registri e dell’interfacciamento con le altre unità. Rispetto alla CPU presente nei microprocessori, le CPU dei microcontrollori sono:
- più lente in termini di numero di operazioni al secondo (chiamato anche clock);
- meno ricche di istruzioni macchina;
- meno capienti in termini di memoria (registri e cache).
Memoria
I microcontrollori hanno diverse tipologie di memoria, tra cui:
- Memoria Flash: Utilizzata per memorizzare il codice del programma, rimane anche dopo che viene tolta l’alimentazione.
- RAM (Random Access Memory): Utilizzata per memorizzare dati temporanei e variabili durante l’esecuzione del programma.
- EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): Utilizzata per memorizzare dati non volatili, come le impostazioni di configurazione.
Caratteristica fondamentale dei microcontrollori è che tutte queste memorie si trovano nello stesso chip della CPU. Infatti la caratteristica di sistema embedded (tutto in un unico chip) è uno dei punti di forza dei microcontrollori.
Per meglio comprendere la differenza tra microcontrollori e microprocessori, vediamo nella tabella sotto un confronto indicativo (i numeri possono variare sulla base del chip specifico) tra due microcontrollori (ATMega328 montato su Arduino, a destra, e ESP32) e un microprocessore (Intel i7 di undicesima generazione). Il confronto è fatto in termini di frequenza di clock, dimensione della parola macchina e memoria statica (SRAM).
| ATMega328 | ESP32 | i7 11700k |
|---|
| Clock | 16 MHz | 240 MHz | 3.6 GHz |
| Parola | 8 bit | 32 bit | 64 bit |
| SRAM | 2 KB | 520 KB | 16 MB |
I microcontrollori sono progettati per interagire con il mondo esterno tipicamente con sensori ed attuatori ai quali è direttamente collegato. Questi collegamenti sono normalmente realizzati attraverso porte GPIO (General-Purpose Input/Output), convertitori analogico-digitali (ADC) e digitali-analogici (DAC).
Differenze principali con i Microprocessori
Una delle differenze principali tra i microcontrollori e i microprocessori è l’ambito delle applicazioni:
Microcontrollori: Sono progettati per applicazioni specifiche e contengono tutto ciò che è necessario per eseguire una determinata funzione o controllo. Sono comunemente utilizzati in sistemi embedded, come elettrodomestici, automobili, dispositivi medici e molto altro.
Microprocessori: Sono progettati per applicazioni generali e richiedono componenti esterni, come RAM e ROM, per funzionare correttamente. Sono tipicamente utilizzati in computer desktop, laptop e server.
Inoltre, i microcontrollori tendono ad avere requisiti energetici più bassi rispetto ai microprocessori, rendendoli adatti per applicazioni alimentate a batteria. Inoltre, spesso sono più economici e disponibili in una vasta gamma di opzioni per soddisfare le esigenze specifiche di un’applicazione.
Data la relativa semplicità, i microcontrollori non hanno bisogno di un sistema operativo per la loro gestione. Infatti il loro funzionamento è tipicamente determinato da un singolo programma che viene eseguito in loop per tutto il tempo in cui il microcontrollore è in funzione.