Microcontrôleur - Définition
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Introduction
Un microcontrôleur est un circuit intégré qui rassemble les éléments essentiels d'un ordinateur : processeur, mémoires (mémoire morte pour le programme, mémoire vive pour les données), unités périphériques et interfaces d'entrées-sorties. Les microcontrôleurs se caractérisent par un plus haut degré d'intégration, une plus faible consommation électrique (quelques milliwatts en fonctionnement, quelques nanowatts en veille), une vitesse de fonctionnement plus faible (quelques mégahertz à quelques centaines de mégahertz) et un coût réduit par rapport aux microprocesseurs polyvalents utilisés dans les ordinateurs personnels.
Par rapport à des systèmes électroniques à base de microprocesseurs et autres composants séparés, les microcontrôleurs permettent de diminuer la taille, la consommation électrique et le coût des produits. Ils ont ainsi permis de démocratiser l'utilisation de l'informatique dans un grand nombre de produits et de procédés.
Les microcontrôleurs sont fréquemment utilisés dans les systèmes embarqués, comme les contrôleurs des moteurs automobiles, les télécommandes, les appareils de bureau, l'électroménager, les jouets, la téléphonie mobile, etc.
Introduction : le domaine visé, les systèmes embarqués
La plus grande partie des systèmes électroniques complexes utilisés de nos jours sont des systèmes embarqués : téléphones mobiles, horloges, baladeurs, récepteurs GPS, électroménager, automobile, transport aérien/maritime/fluvial. Les systèmes embarqués se démarquent des systèmes informatiques traditionnels selon plusieurs aspects :
- Ils sont soumis à des contraintes de taille (intégration), de consommation électrique (autonomie) et de coût importantes (grande série) ;
- Ils sont en général dédiés à une tâche bien précise. La taille des programmes et la quantité de mémoire (vive et morte), dont ils disposent, sont modestes (face à un micro-ordinateur) ;
- Ils doivent communiquer avec des dispositifs d'entrées-sorties (IO) : boutons, relais, résistances variables, optocoupleurs, moteurs électriques, LED, circuits intégrés logiques, etc. ;
- Ils n'ont parfois aucun dispositif d'interface homme-machine (IHM) : ni clavier, ni écran, ni disque, ni imprimante, etc. Par exemple, le contrôleur d'injection de carburant du moteur d'une automobile est totalement invisible pour le conducteur.
Composants intégrés
Un microcontrôleur intègre sur un unique die :
- un processeur (CPU), avec une largeur du chemin de données allant de 4 bits pour les modèles les plus basiques à 32 ou 64 bits pour les modèles les plus évolués ;
- de la mémoire vive (RAM) pour stocker les données et variables ;
- de la mémoire morte (ROM) pour stocker le programme. Différentes technologies peuvent être employées : EPROM, EEPROM, mémoire flash (la plus récente) ;
- souvent un oscillateur pour le cadencement. Il peut être réalisé avec un quartz, un circuit RC ou encore une PLL ;
- des périphériques, capables d'effectuer des tâches spécifiques. On peut mentionner entre autres :
- les convertisseurs analogiques-numériques (CAN) (donnent un nombre binaire à partir d'une tension électrique),
- les convertisseurs numériques-analogiques (CNA) (effectuent l'opération inverse),
- les générateurs de signaux à modulation de largeur d'impulsion (MLI, ou en anglais, PWM pour Pulse Width Modulation),
- les timers/compteurs (compteurs d'impulsions d'horloge interne ou d'événements externes),
- les chiens de garde (watchdog),
- les comparateurs (comparent deux tensions électriques),
- les contrôleurs de bus de communication (UART, I²C, SSP, CAN, FlexRay, USB, Ethernet, etc.).
Le fonctionnement des périphériques peut être paramétré et commandé par le programme et/ou les entrées-sorties. Les périphériques peuvent générer une interruption qui, contraint le processeur à quitter le programme en cours pour effectuer une routine de traitement de l’interruption, lorsque l’événement qui la déclenche survient.
Les microcontrôleurs peuvent généralement se placer dans un état de sommeil, dans lequel ils présentent une très faible consommation électrique. Un signal envoyé par l'un de leurs périphériques (timer, broche d'entrée-sortie, watchdog, ...) permet de les faire sortir de cet état de sommeil.
Certains microcontrôleurs ont un nombre très restreint de broches, si bien qu'une broche donnée peut correspondre à plusieurs périphériques internes. La fonction choisie doit alors être sélectionnée par logiciel.
Le choix des périphériques à intégrer dans un microcontrôleur est délicat. Les fabricants doivent réaliser un compromis entre des besoins contradictoires : utiliser des fréquences élevées, réduire la taille du circuit, apporter des fonctionnalités nombreuses, élaborer une architecture flexible, assurer des coûts modérés, etc.
