I MICROCONTROLLORI

Il microcontrollore è un sistema a microprocessore completo e integrato su un unico chip. È conosciuto anche come dispositivo SOC (System On Chip) o single chip. Il microcontrollore è la forma più diffusa di microprocessore e si trova embedded in moltissime applicazioni. A differenza del microprocessore, che è adatto per un uso più generale, il microcontrollore, che ha un’autosufficienza funzionale, è idoneo per una specifica applicazione. Si compone delle seguenti parti, come nella sottostante figura.

• un datapath costituito da: – ALU; – registri generali; – decoder per le istruzioni; – eventuale controllore di interrupt; • una RAM per i dati; • una ROM che può essere PROM, EPROM, EEPROM o Flash per il codice; • una serie di porte di I/O standard; • una USART e/o una UART; • eventuali interfacce seriali speciali, che potrebbero essere bus I²C, SPI, CAN, LIN; • timer/counter; • comparatori; • amplificatori operazionali; • eventuali ADC e DAC multicanale; • eventuale PWM. Il dispositivo non necessita di ulteriore memoria esterna, quindi ha a disposizione un elevato numero di piedini per gli I/O. Ha una capacità di calcolo molto limitata e quindi le sue prestazioni rispetto al micropro- -cessore sono più basse. Normalmente eseguono sempre lo stesso firmware per tutto il loro funzionamento. • Vantaggi: – facilità di progettazione e montaggio, non è necessario progettare e montare una motherboard poiché il micro contiene tutto a bordo, anche il circuito che genera il clock; – dimensioni del sistema digitale ridotto; – meno componenti e quindi più affidabilità; – consumi di potenza ridotti; – interferenze elettromagnetiche ridotte; – compito facilitato per l’utente, è sufficiente programmarlo; – può essere riconvertito in un’altra applicazione cambiando semplicemente il programma; – possibilità di rendere intelligente una qualsiasi periferica e di comunicare dati con un elaboratore centrale; – la maggior parte dei microcontrollori ha la possibilità di garantire la protezione dalla lettura. • Svantaggi: – potenza di calcolo limitata; – scarsa flessibilità. Nella sottostante tabella, sono riportate le caratteristiche architetturali richieste a un microcontrollore. Dalla tabella emerge che le richieste si traducono in ridotte dimensioni fisiche del sistema digitale e ridotto set di istruzioni. I dispositivi sono utilizzati in tutte le applicazioni di tipo stand alone e in particolare: • elettrodomestici; • telefoni cellulari, calcolatrici, registratori; • tastiere, modem, ecc.; • automobili, in una sola macchina ce ne possono essere anche centinaia; • settore industriale, controllo velocità, assi dei motori, regolatori PID e ON/OFF

Da un punto di vista costruttivo il microcontrollore è implementato con una tecnologia HCMOS che consente un basso assorbimento sia statico sia dinamico perché il clock può essere variato da valori molto bassi a valori molto alti. Nei microprocessori invece non è possibile diminuire la frequenza del clock al di sotto di un certo valore. Parametri caratteristici: • architettura; • set di istruzioni; • dispositivi di I/O; • frequenza di clock; • formato del dato; • consumo di potenza.

L’architettura può essere classica di von Neumann ovvero di Harvard. L’architettura di von Neumann è implementata in micro di fascia bassa poiché presenta notevoli svantaggi. L’architettura Harvard, tenendo separati il codice e i dati, consente una diminuzione dei tempi di esecuzione. Può essere realizzata in due modi differenti: • nell’architettura scalare i due spazi (di indirizzamento e bus) sono effettivamente separati; • nell’architettura moderna superscalare la separazione si ferma a livello della L1 (cache di primo livello), la memoria è poi condivisa;esternamente a livello di L2 (cache di secondo livello) e memoria centrale gli spazi sono condivisi.

I microcontrollori possono essere CISC e RISC. I CISC sono caratterizzati da un codice compatto e da un tempo di esecuzione di tipo deterministico. La frequenza di clock non è molto elevata e il CPI > 1. Un esempio di questo tipo è 8051 della Intel. I RISC hanno prestazioni migliori, infatti hanno un clock più alto e il CPI = 1. L’architettura di tipo pipelined e superscalare comporta un tempo di esecuzione delle istruzioni difficilmente predicibile in quanto dipendente dal branch prediction, dall’ese- -cuzione speculativa e dall’out-of-order. Un micro di questo tipo è l’ARM.