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Microcontrollore

tipo di circuito integrato

Un microcontrollore (in inglese microcontroller in acronimo MCU ovvero MicroController Unit), in elettronica digitale, è un dispositivo elettronico integrato su singolo circuito elettronico, nato come evoluzione alternativa al microprocessore e utilizzato generalmente in sistemi embedded ovvero per applicazioni specifiche di controllo digitale.

Microcontrollore PIC 18F8720 in contenitore 80-pin TQFP.

Storia

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I primi modelli

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Il primo microcontrollore

Il primo computer on-chip ottimizzato per applicazioni di controllo è stato il TMS1000 del 1974 a 4 bit, con RAM e ROM sullo stesso chip lanciato dalla Texas Instruments sebbene la ditta il 17 Settembre 1971 avesse annunciato il TMS1802NC entrato poi nella famiglia TMS 0100 da cui è nata la famiglia TMS1000 previa ottimizzazione.

Da notarsi:Il primo Intel 4004 data 15 novembre del 1971 e quindi il detentore del titolo di primo processore spetterebbe al TMS1802NC

Il primo componente ad 8 bit fu l'8048 di Intel, uscito nel 1975. 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 già 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. La programmazione del firmware veniva fatta direttamente in linguaggio macchina.

L'evoluzione della tecnologia CMOS

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Lo sviluppo del CMOS e successivamente della HCMOS, nella prima metà degli anni ottanta, ha fornito un impulso decisivo alla diffusione dei microcontrollori, consentendo una notevole riduzione dei consumi e della dissipazione nei chip.

Per molti anni Motorola è stata leader mondiale per i microcontrollori: il suo 68HC11 si rivelò essere una pietra miliare, allorché fu presentato sul mercato nel 1985; oltre alla RAM ed alla ROM integrava convertitori A/D, porte di I/O, SPI (Serial Peripheral Interface), SCI (Serial Communication Interface), timer multifunzione, EEPROM, interrupt ed altro ancora, comprendendo persino il firmware di un monitor (Buffalo) che permetteva di effettuare il caricamento di programmi in RAM e il debug on-chip, tramite interfaccia seriale. Con un ciclo macchina di 333 ns (3 MHz di clock) è in grado di eseguire mezzo milione di istruzioni al secondo, consumando qualche decina di mA; il suo progetto si è dimostrato talmente innovativo da essere ancora prodotto ed utilizzato dopo più di un quarto di secolo.

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 ha presentato 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.

Le interfacce JTAG e ONCE

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Di pari passo venivano sviluppate interfacce, quali JTAG e On Chip Emulator (ONCE) della famiglia Coldfire di Freescale, che consentivano di effettuare sia il debugging on-chip, che il caricamento e la programmazione della flash interna. Queste interfacce potevano essere controllate da applicazioni software su PC, che rendevano molto più semplice il debug in background di programmi in linguaggi di alto livello (tipicamente il C++), e di conseguenza meno costoso lo sviluppo del firmware, limitando la necessità degli emulatori in-circuit.

Descrizione

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In parole povere, un microcontrollore è un microprocessore evoluto ovvero che, oltre a elaborazione di istruzioni (calcolo), integra fisicamente altre funzioni che, nel caso del microprocessore, sono demandate ad altri componenti elettronici. Il notevole passo successivo al microcontrollore è rappresentato dalla tecnologia SoC: un sistema completo integrato su un unico chip.

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.

Generalmente sono dotati di CPU CISC con architettura von Neumann, anche se più di recente sono apparsi microcontrollori con CPU ad architettura RISC, come ad esempio il Texas Instruments MSP430, meglio predisposti per l'utilizzo dei moderni compilatori, piuttosto che dell'Assembly. Taluni microcontrollori complessi (come il Freescale 68302) hanno un processore RISC separato dal processor core.

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 pubblicati sistemi di sviluppo amatoriali e professionali anche in modalità open source.

Differenze col microprocessore

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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 200 MHz 4 GHz
Capacità elaborativa massima in MegaFLOPS 200 5 000
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

DSP

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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; la sua CPU ha un'architettura esclusivamente RISC.

Componenti

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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:

Motivazioni del successo

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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.

Mercato

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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 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:[6]

Applicazioni di impiego

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Elettronica di massa

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

Spesso tali dispositivi vengono utilizzati nei sistemi di pagamento come nelle carte di credito, ma anche nelle smart card o per le cartoline musicali di auguri.

Comunicazioni e trasporti

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Un buon segmento di mercato è rappresentato dall'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.

Sistemi di sviluppo

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L'implementazione in un sistema di sviluppo consiste nella stesura del programma in linguaggio Assembly o di alto livello (tipicamente il C), utilizzando un editor di testo generico o specifico per quel linguaggio. Una volta scritto, se in linguaggio Assembly, il programma deve essere assemblato, cioè tradotto nell'effettivo codice macchina numerico (generalmente esadecimale). La conversione viene fatta da un Assemblatore specifico per processore, o famiglia di processori. Se codificato in alto livello, il programma deve essere compilato, per mezzo di un compilatore che lo converte prima in linguaggio Assembly, e quindi nell'effettivo codice macchina, in due passaggi successivi. Anche il compilatore deve essere specifico per processore, o famiglia di processori.

Nella maggior parte dei casi, la complessità delle funzioni di un programma per microprocessore, richiede la suddivisione in moduli funzionali (o sottoprogrammi). Ciascun modulo viene quindi assemblato in modalità rilocabile (ad indirizzi non determinati). L'incorporamento di tutti i moduli assemblati agli indirizzi definitivi, viene effettuato, in un ulteriore passaggio, da un Linker, che genera il codice macchina definitivo (codice eseguibile), in un formato opportuno per poter essere trasferito nella memoria del processore, ed eseguito.

La fase di debug consiste nel far eseguire il software dal processore, in condizioni quanto più simili a quelle reali di funzionamento (emulazione), verificando (in tempo reale) che il suo comportamento ad ogni evento previsto, sia conforme alle specifiche di progetto. Nel caso di errori o anomalie, il software viene corretto, un nuovo codice eseguibile generato e trasferito in memoria, per essere nuovamente verificato. Questo processo continua fino a che il programma non sia stato completamente collaudato. Successive fasi di validazione e verifica, possono richiedere ulteriori interventi sul software da parte dello sviluppatore.

Di base un debugger deve permettere:

  • Il caricamento del codice eseguibile in memoria
  • L'avvio e l'interruzione del codice eseguibile
  • L'inserimento di breakpoint, eventualmente condizionati a specifici eventi
  • L'ispezione e modifica di variabili, dati e registri
  • L'ispezione di parti del programma

Esistono due modalità di debug: tramite emulatore in-circuit (ICE) o tramite l'interfaccia di debug integrata nel microprocessore. Per entrambe le modalità sono disponibili ambienti integrati di sviluppo (IDE) per PC, che gestiscono tutte le fasi descritte, dall'editing al debugging in alto livello.

Note

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  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
  5. ^ fonte: Luminary Micro, su luminarymicro.com. URL consultato l'11 luglio 2020 (archiviato dall'url originale il 22 febbraio 2015).
  6. ^ fonte: Databeans Archiviato l'8 marzo 2014 in Internet Archive.

Voci correlate

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Altri progetti

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Collegamenti esterni

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