Maîtriser les microcontrôleurs : Structure, fonctionnalité et applications pratiques

Avant de plonger dans l'électronique embarquée, il faut comprendre ce qu'elle implique. Ce domaine implique d'écrire votre propre code. C'est presque impossible sans connaître les bases des microcontrôleurs, leur langage de programmation ou leurs concepts fondamentaux. Sinon, vous serez perdu sur où commencer et submergé.

Bonne nouvelle : cet article vous apprendra les bases pour démarrer en électronique embarquée. Nous discuterons de ce qu'est un microcontrôleur, comment il fonctionne, sa structure de base, et plus.

C'est parti !

Qu'est-ce qu'un microcontrôleur ?

Avant de définir le microcontrôleur, notez qu'il diffère du microprocesseur (abordé plus loin).

Un microcontrôleur est un circuit intégré à très grande échelle d'intégration (VLSI). Il comprend : ports E/S, unité logique, mémoire, unité de calcul électronique, et autres modules fusionnés sur une seule puce. On l'appelle aussi Single-Chip Computer (ordinateur sur une puce).

C'est aussi un contrôleur embarqué car le dispositif et sa circuitique de support s'intègrent dans l'appareil qu'il contrôle.

On trouve des microcontrôleurs dans de nombreux appareils/applications qui affichent, mesurent, contrôlent, stockent ou calculent. L'industrie automobile est le plus grand utilisateur (contrôle moteur, régulation systèmes). L'électronique grand public suit : fours, appareils photo numériques, lecteurs DVD, etc. Les équipements de test et mesure aussi : générateurs de fonctions, multimètres, etc.

Comment fonctionne un microcontrôleur ?

Typiquement, un microcontrôleur exécute un programme unique et s'attache à une seule tâche. Il reçoit des entrées de l'appareil qu'il contrôle, maintient le contrôle en envoyant des signaux aux différentes parties.

Exemple : le microcontrôleur d'une TV reçoit l'entrée de la télécommande, puis affiche la sortie sur l'écran.

Types de microcontrôleurs

On les classe selon : jeux d'instructions, mémoire, et nombre de bits.

Jeux d'instructions (Instruction Sets)

Deux catégories :

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Réduit le cycle d'horloge par instruction, diminuant le temps de travail.

CISC (Complex Instruction Set Computer)

Permet de remplacer plusieurs instructions simples par une instruction complexe.

Configuration mémoire

Deux types :

Microcontrôleur à mémoire embarquée (Embedded Memory)

Beaucoup de composants sur puce : timers, compteurs, ports E/S, mémoire de données, interruptions, etc. Exemple : Intel 8051.

Microcontrôleur à mémoire externe (External Memory)

Pas de mémoire programme sur puce. Exemple : Intel 8031.

Nombre de bits

Trois types :

Microcontrôleur 32 bits

Appareils à contrôle automatique : matériel médical, etc.

Microcontrôleur 16 bits

Applications haute performance et précision. Opérations logiques et arithmétiques. Exemple : Intel 8096.

Microcontrôleur 8 bits

Le moins puissant de la catégorie. Tâches simples : opérations logiques/arithmétiques (division, soustraction). Exemples : Intel 8051, 8031.

Structure de base d'un microcontrôleur

Trois composants fondamentaux : ports E/S, mémoire, unité centrale (CPU). Les autres composants sont des périphériques de support. Examinons les composants principaux.

Mémoire

La plupart des systèmes computationnels ont besoin de deux mémoires : Données et Programme. La mémoire de données garde l'information temporaire pendant l'exécution. La mémoire de programme contient les instructions que le CPU exécutera.

Bus système

Le bus système est peu discuté mais vital. C'est un ensemble de fils reliant le CPU aux périphériques (ports E/S, composants support).

CPU

Le CPU est le « cerveau » du microcontrôleur. Deux parties : UC (Unité de Contrôle) et UAL (Unité Arithmétique et Logique).

Le CPU décode, lit et exécute les instructions pour opérations de transfert de données, logiques et arithmétiques.

Interruptions

Composant vital avec un mécanisme de gestion d'interruptions. Peut être logiciel, externe, matériel, ou interne.

Ports E/S (I/O Ports)

Interface vers les connexions externes. Périphériques d'entrée (claviers, commutateurs) envoient des infos utilisateur au CPU en données binaires. Le CPU exécute les instructions appropriées et répond via les sorties (imprimantes, afficheurs, LEDs).

Port série

Permet la communication série. Le microcontrôleur ne communique avec périphériques externes que via le port série. L'UART est la communication série la plus courante.

CNA (DAC - Digital to Analog Converter)

Circuit convertissant signaux numériques en analogiques. Relie le CPU du microcontrôleur aux dispositifs analogiques externes.

CAN (ADC - Analog to Digital Converter)

Inverse du CNA : convertit analogique en numérique. Relie les entrées analogiques externes au CPU. Crucial car les capteurs sontmostly analogiques ; le CPU a besoin de données numériques.

Compteurs/Minuteries (Counters/Timers)

Composants vitaux : comptage d'événements externes, délais temporels, contrôle d'horloge, génération de fonctions.

Bits de configuration (Configuration Bits)

Bits uniques structurant les options spéciales du microcontrôleur :

• Programmation basse tension On/Off
• Minuteur mise sous tension On/Off
• Basculement interne/externe On/Off
• Type d'oscillateur
• Moniteur d'horloge sûr On/Off
• Réinitialisation brown-out On/Off
• Watchdog Timer On/Off

Sur microcontrôleur PIC, les bits de configuration protègent le code programme et données contre la lecture par matériel de programmation externe, empêchant le vol de code.

Comparaison Microprocesseur vs Microcontrôleur

Le microcontrôleur est un ordinateur avec timers, ROM, périphériques : un « mini-ordinateur ». Le microprocesseur est un CI avec seulement un CPU (puissance de traitement).

Tableau des différences :

Avantages (Microcontrôleur)

• Pas de système d'exploitation complexe nécessaire (instructions stockées en mémoire)
• Pas d'interfaçage externe des composants primaires (ports E/S)
• Ports E/S programmables
• Intégration de tous les composants vitaux : réduit surface, coût, temps de conception

Inconvénients

• Pas de système d'exploitation : faut écrire toutes les commandes
• Mémoire limitée (selon quantité) peut restreindre les instructions exécutables

Conclusion

En résumé, les bases du microcontrôleur expliquent la puissance de l'ordinateur sur puce unique. Il comprend plusieurs périphériques constituant sa structure : mémoire, CPU, ports E/S, circuits oscillateurs, etc. Les fabricants intègrent le microcontrôleur dans les appareils qu'ils contrôlent.

Chaque périphérique joue un rôle vital contribuant à la fonction du microcontrôleur. Qu'en pensez-vous ? Besoin d'aide pour choisir le meilleur pour votre projet ? Contactez-nous.