MCU : découvrez les familles de microcontrôleurs les plus importantes

Une multitude de cartes de développement que nous utilisons fréquemment, de l'Arduino lui-même à bien d'autres, utilisent Unités MCU ou microcontrôleurs. Quelques puces indispensables pour pouvoir programmer ces appareils et que les instructions créées par le programmeur peuvent être traitées pour obtenir les résultats attendus.

Toutefois, Le secteur des microcontrôleurs est assez vaste., comme c'est également le cas des CPU ou des microprocesseurs, car non seulement il existe de nombreux concepteurs ou fabricants, ainsi que des modèles, mais il existe également de nombreuses familles différentes qu'il convient de connaître. Nous allons donc lui consacrer cet article, afin que vous sachiez lequel pourrait vous intéresser le plus pour vos projets…

Qu'est-ce qu'un microcontrôleur ou MCU ?

Un microcontrôleur ou MCU (MicroController Unit) Il s'agit d'un appareil compact qui intègre les fonctions d'un processeur central (CPU), de mémoire et de périphériques sur une seule puce. Ce dispositif est la pièce maîtresse de nombreux systèmes électroniques et est fondamental dans le domaine de l’électronique embarquée. Bref, une belle alternative à l'électronique filaire, permettant ainsi à une seule puce d'assurer une multitude de fonctions de manière flexible, puisqu'elle est programmable.

Les microcontrôleurs sont utilisés dans un grande variété d'applications en raison de sa polyvalence et de son efficacité. Quelques exemples d'utilisation des microcontrôleurs incluent les systèmes de contrôle dans les automobiles, les appareils électroménagers, les systèmes d'automatisation industrielle, les systèmes de contrôle de processus, les jouets, les systèmes de sécurité, les cartes de développement et de nombreux autres équipements électroniques.

Pièces de microcontrôleurs

Les microcontrôleurs sont des dispositifs intégrés et tous leurs composants sont implémentés sur une puce ou un circuit intégré. Entre les parties les plus fondamentales de ces puces sont :

• CPU (Central Processing Unit): L'unité centrale de traitement est le cerveau du microcontrôleur et sa partie la plus importante. Cette unité est chargée d'utiliser les données et les instructions du programme pour les interpréter et les traiter de manière appropriée dans les unités d'exécution afin d'obtenir les résultats attendus. Autrement dit, la CPU effectue toutes les opérations de calcul et prend des décisions basées sur la logique du programme. La vitesse et l'efficacité du processeur déterminent en grande partie les performances du microcontrôleur. De plus, ils comportent généralement des éléments élémentaires tels que des systèmes d'interruption, qui permettent au microcontrôleur de répondre en temps opportun à certains événements. Lorsqu'un événement spécifique se produit, tel qu'une entrée de signal ou une minuterie atteignant une valeur spécifique, le microcontrôleur peut interrompre sa tâche en cours pour répondre à cet événement.
• mémoire: Ils disposent généralement de deux types de mémoire tels que la RAM et le flash. La RAM sert à stocker des données temporaires, comme les instructions qui composent les programmes et les données (variables, constantes,...) lors de l'exécution du programme. Alors que la mémoire flash est utilisée pour stocker le programme à exécuter, elle est non volatile comme la RAM, donc lorsque l'alimentation est interrompue ou que l'appareil est éteint, le programme restera.
• Périphériques d'entrée/sortie (E/S): permettre au microcontrôleur d'interagir avec le monde extérieur. Ceux-ci peuvent inclure des ports d'E/S numériques, des convertisseurs analogique-numérique (ADC), des convertisseurs numérique-analogique (DAC), des interfaces de communication telles que UART, SPI et I2C, des contrôleurs variés, des minuteries, des compteurs, des GPIO et autres.

En quoi est-il différent d'un microprocesseur ou d'un CPU ?

Un microprocesseur et un microcontrôleur sont deux composants fondamentaux dans le domaine de l'électronique, mais ils ont différences significatives en termes de structure et d'utilisation, même si beaucoup de gens confondent les deux ou pensent qu'ils sont identiques.

Alors que le CPU intègre uniquement unités fonctionnelles pour le contrôle et l'interprétation des instructions, des registres, ainsi que des instructions d'exécution telles que l'ALU, le FPU, etc., et peuvent être combinés avec d'autres éléments auxiliaires de manière plus flexible, les microcontrôleurs sont un peu plus fermés dans le sens où ils intègrent de nombreuses parties laissées de côté par le processeur. En fait, même si le CPU est le cerveau d'un ordinateur, le MCU peut être considéré comme un ordinateur complet, car il comprend tous les éléments de base sur une seule puce.

Il ne faut cependant pas confondre une plus grande intégration avec des termes de complexité et performance. Alors que les microprocesseurs actuels sont extrêmement complexes et offrent des performances très élevées, les microcontrôleurs actuels ont généralement un processeur intégré avec des performances beaucoup plus faibles et plus simples. En fait, de nombreux microcontrôleurs actuels peuvent offrir des performances similaires à celles des microprocesseurs d'il y a plusieurs décennies. De plus, comme nous le verrons plus tard, nous disposons même de microcontrôleurs 8 bits ou 16 bits comme les CPU des années 70.

Des différences par rapport à un SoC ?

Puisque le microcontrôleur intègre plusieurs éléments sur une même puce, Il est aussi souvent confondu avec le SoC (System on a Chip)Cependant, ce n’est pas pareil non plus. Comme pour le CPU par rapport au MCU, les SoC intègrent également un CPU avec des performances bien supérieures à celles de la plupart des microcontrôleurs actuels. De plus, le SoC est un système infiniment plus complexe et avancé. En revanche, le SoC n'intègre généralement pas certaines des pièces intégrées dans un microcontrôleur, puisque les applications auxquelles il est destiné ne le nécessitent pas, comme la RAM et la mémoire flash, les convertisseurs ADC, etc.

Un peu d'histoire

Les premiers microprocesseurs multicircuits, tels que l'AL1 de Four-Phase Systems en 1969 et le MP944 de Garrett AiResearch en 1970, ont été développés avec plusieurs puces MOS LSI. Le premier microprocesseur monopuce était l'Intel 4004, sorti en 1971. Ces processeurs nécessitaient plusieurs puces externes pour mettre en œuvre un système fonctionnel, ce qui était coûteux. Cependant, presque en parallèle, ce que nous appelons aujourd’hui un microcontrôleur a été développé. IL attribué aux ingénieurs informatiques, Gary Boone et Michael Cochran, la création réussie du premier microcontrôleur en 1971, le TMS 1000, qui combinait mémoire morte, mémoire lecture/écriture, processeur et horloge sur une seule puce. En fait, bien que ce soit une autre histoire, cela a généré une guerre des brevets et des procès concernant la paternité du microprocesseur...

Durant les années 1970, le Les fabricants d'électronique japonais ont commencé à produire des microcontrôleurs pour automobiles. Ils sont progressivement devenus populaires et, en réponse à l'existence du TMS 1000 monopuce, Intel a développé un système informatique sur puce optimisé pour les applications de contrôle, l'Intel 8048, qui combinait RAM et ROM sur la même puce avec un processeur. Au fil du temps, les mémoires non volatiles se sont améliorées et sont passées d'un enregistrement en usine avec un programme permanent comme les premières ROM jusqu'à l'introduction de la PROM, ou EEPROM de 1993, qui permettait de l'effacer et de la reprogrammer. avec un autre programme de manière simple et autant de fois que vous le souhaitez.

Petit à petit, des entreprises sont nées autour de ce type de puces, comme Atmel, Microchip Technology et bien d'autres. D'autres entreprises du secteur ont également commencé à distribuer leurs propres microcontrôleurs, comme Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony. , STMicroelectronics, Synopsis, Toshiba, etc.

Aujourd’hui, les microcontrôleurs sont bon marché et facilement accessibles aux amateurs et à une multitude de secteurs industriels différents. On estime en outre qu'ils sont vendus près de 5 milliards d'unités 8 bits dans le monde, étant le plus utilisé actuellement. Vous pouvez les trouver dans les appareils électroménagers, les véhicules, les ordinateurs, les téléphones, les machines industrielles et bien plus encore. De plus, ils ont réussi à miniaturiser au maximum, créant certains des plus petits ordinateurs du monde, bien plus petits qu'un grain de sel...

Familles ISA et microcontrôleurs

Maintenant que vous en savez un peu plus sur ce qu'est un MCU ou un microcontrôleur, voyons quelques-uns des familles les plus importantes de ces microcontrôleurs. Et, comme les CPU, ils peuvent être divisés selon l'ISA, c'est-à-dire le répertoire d'instructions, de registres et de types de données utilisés, et de cela dépendra la compatibilité des programmes binaires pouvant être exécutés. entre les familles. Et ces familles sont totalement indépendantes du modèle, de la marque ou des unités incluses dans la puce.

Parmi les familles les plus populaires nous avons ce qui suit:

• Enfants: est une génération de softcores pour FPGA d'Altera, désormais absorbée par Intel.
• Aileron noir : est une famille de microprocesseurs 16/32 bits développés, fabriqués et commercialisés par Analog Devices. Les processeurs disposent également d'une fonctionnalité de processeur de signal numérique (DSP) intégrée, réalisée par multiplication-accumulation (MAC) sur 16 bits.
• TigreSHARC: signifie Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, également d'Analog Devices. Dans ce cas, ils sont idéaux pour les applications qui nécessitent des performances informatiques élevées avec une faible consommation d'énergie. Ces processeurs offrent une architecture de mémoire unique qui permet un accès efficace aux données et aux instructions sans la pénalité de performances associée aux architectures de bus Von Neumann.
• Cortex-M- Les microcontrôleurs Cortex-M d'ARM sont une famille populaire de microcontrôleurs 32 bits très économes en énergie et offrant de bonnes performances. Ils sont particulièrement populaires dans les applications industrielles et grand public et représentent actuellement la majorité des puces modernes vendues par de nombreuses entreprises.
• AVR32: Il s'agit d'une architecture de microcontrôleur RISC 32 bits produite par Atmel, et vous pouvez la trouver sur de nombreuses cartes de développement, telles qu'Arduino et ses clones.
• RISC-V: Cet ISA ouvert vise à surpasser ARM, et petit à petit il a commencé à prendre de l'importance dans le monde des microcontrôleurs, car il est très flexible et permet son utilisation sans payer de redevances.
• PIC- sont une famille de microcontrôleurs 8 bits développés par Microchip Technology, connus pour leur architecture RISC avancée, et très populaires dans l'industrie.
• PuissanceQUICC: sont basés sur la technologie Power Architecture d'IBM et ont été utilisés par Motorola (maintenant Freescale), ils prennent en charge la gamme complète d'équipements de réseau embarqués, d'applications embarquées industrielles et générales.
• envergure: Il s'agit des MCU de Fujitsu, axés sur les produits analogiques et numériques, et conçus pour une efficacité et des performances équilibrées.
• 8051: Il s'agit d'un microcontrôleur 8 bits développé par Intel, même si vous le trouverez désormais également fabriqué par d'autres sociétés. C'est l'un des microcontrôleurs les plus populaires et il est utilisé dans un large éventail d'applications. Le 8051 est un microcontrôleur CISC basé sur l'architecture Harvard.
• TriCore: est un microcontrôleur développé par Infineon Technologies. TriCore réunit les éléments d'un cœur de processeur RISC, d'un microcontrôleur et d'un DSP sur une seule puce. À l’époque, c’était une révolution.
• MC-48 ou 8048: Il s'agit d'un microcontrôleur de la gamme Intel, avec 64 octets de RAM et accès à 4096 octets de mémoire programme externe.
• Mico8- est une famille de microcontrôleurs 8 bits entièrement implémentée dans la mémoire et la logique à usage général pour les FPGA Lattice.
• Hélice: Architecture multicœur 32 bits développée par Parallax Inc. Chaque Propeller dispose de 8 processeurs 32 bits identiques connectés à un hub commun.
• Timbre de base- est un microcontrôleur avec un petit interpréteur BASIC spécialisé (PBASIC) intégré à la ROM. Il est fabriqué par Parallax, Inc et était un produit très populaire auprès des créateurs qui souhaitaient réaliser une multitude de projets à la maison avant la sortie d'Arduino.
• SuperH: est une architecture de jeu d'instructions informatiques RISC 32 bits développée par Hitachi et actuellement produite par Renesas, et axée sur les microcontrôleurs pour systèmes embarqués.
• tiva: est un microcontrôleur série développé par Texas Instruments. Il dispose d'une fréquence d'horloge de processeur intégrée allant jusqu'à 80 MHz avec une unité à virgule flottante (FPU), avec d'excellentes performances.
• Microblaze: est un système de processeur hautement intégré destiné aux applications de contrôleur. MicroBlaze est entièrement implémenté dans la mémoire et la logique générale des FPGA Xilinx (maintenant AMD), c'est-à-dire un softcore.
• Picoblaze: similaire au précédent, mais dans ce cas il est 8 bits et plus simple, pour des applications plus intégrées.
• XCore: Ce sont des MCU multicœurs XMOS, 32 bits qui sont programmés dans un environnement en langage C et fonctionnent de manière déterministe et avec une faible latence. Ils sont très complets et peuvent être réalisés sous forme de tuiles.
• Z8: vient de Zilog, et ce sont des appareils 8 bits qui offrent une large gamme d'options de performances et de ressources. Ces microcontrôleurs sont idéaux pour les applications à volume élevé et sensibles aux coûts, notamment les produits grand public, automobiles, de sécurité et de CVC.
• Z180: C'est un autre des plus populaires au sein de Zilog avant la sortie du nouveau eZ qui a mis à jour les gammes précédentes. Il comprend un processeur 8 bits, compatible avec la large base logicielle écrite pour le Z80. La famille Z180 ajoute des performances supérieures et des fonctionnalités périphériques intégrées telles qu'un générateur d'horloge, des compteurs/minuteries 16 bits, un contrôleur d'interruption, des générateurs d'état d'attente, des ports série et un contrôleur DMA.
• STM: Cette famille STMicroelectronics dispose de quelques unités MCU basées sur la propre architecture de cette société, bien que dans les derniers modèles, elle ait été choisie, comme dans de nombreux autres cas, pour intégrer la série ARM Cortex-M 32 bits. Elle propose des produits qui combinent des performances très élevées, des capacités en temps réel, un traitement du signal numérique, un fonctionnement basse consommation/basse tension et une connectivité, tout en conservant une intégration complète et une facilité de développement.

Il y en a d’autres, mais ce sont les plus importants…