Processeurs et microcontrôleurs

Processeurs et microcontrôleurs – Présentation

Les processeurs et microcontrôleurs sont similaires, mais sont des types de composants électroniques différents. Un microprocesseur est un dispositif programmable qui joue le rôle d'unité de traitement centrale. Un microcontrôleur intègre un processeur et d'autres composants qui lui permettent d'assurer le rôle d'un ordinateur dans l'espace d'un seul composant.

 

Comprendre les différences

Une brève présentation de leurs applications et spécifications permet de mieux comprendre les différences entre un microcontrôleur et un microprocesseur. Les microprocesseurs sont des dispositifs programmables utilisés dans une gamme d'applications industrielles. Ils fournissent diverses fonctions, permettant de contrôler des disjoncteurs, des packs de batterie et fournissent la puissance de traitement nécessaire aux instruments de test les plus sophistiqués et bien d'autres applications.

Les attributs des microprocesseurs aident aussi à comprendre leurs différences par rapport aux microcontrôleurs. Les microprocesseurs sont généralement choisis pour leur vitesse, ou fréquence d'horloge. D'autres variables peuvent influencer leur choix, incluant la largeur du bus de données, l'architecture du jeu d'instructions, la technologie de fabrication, le nombre de broches, etc. Dans des applications particulièrement exigeantes, certaines spécifications, comme les températures opérationnelles maximum et minimum peuvent jouer un rôle déterminant dans l'exécution des fonctions souhaitées.

Les microcontrôleurs sont utilisés dans des systèmes intégrés. Ces dispositifs programmables offrent différentes options, incluant diverses largeurs de bus, tailles de mémoire vive, différents types de processeur, ainsi que la capacité d'accepter différentes tailles de mémoires de programmation. L'architecture du jeu d'instructions, la fréquence, la tension d'alimentation et autres spécifications font partie des critères de sélection essentiels pour acheter un microcontrôleur adapté à l'application envisagée.

Dans des environnements industriels, les microcontrôleurs sont souvent utilisés dans des systèmes d'automatisation, le contrôle des machines, des outils, des instruments et d'autres systèmes nécessitant un contrôle automatique.

 

Fabrication

Les microprocesseurs et microcontrôleurs sont des composants au silicium qui ont en commun un grand nombre de processus de fabrication.

Le silicium est un matériau dérivé du sable de quartz. Le sable de quartz est fondu en cristaux, créant une structure en treillis parfaite à l'intérieur du matériau. Pour préserver la pureté du matériau, le processus de fabrication doit avoir lieu en salle blanche, un environnement pouvant être des milliers de fois plus propre qu'une salle d'opération chirurgicale.

Ces cristaux de silicium sont découpés en wafers ou tranches, pour recevoir les composants de circuit qui en feront des processeurs, après plusieurs centaines d'étapes de fabrication. Ces étapes de fabrication sont réalisées dans des équipements hermétiques et conçus pour éviter tout risque de contamination.

Lorsque les tranches sont prêtes à être intégrées avec leurs circuits, elles passent par un processus appelé photolithographie. Ce processus utilise la lumière pour graver les circuits à la surface des tranches. La tranche reçoit une couche de protection photorésistante. Une lumière UV sert ensuite à transférer le design du circuit sur la tranche. Un agent développant élimine les zones de la tranche qui ont été exposées à la lumière UV, créant ainsi un modèle de fabrication pour d'autres circuits.

La complexité de ces dispositifs est stupéfiante et ils font partie des objets les plus sophistiqués jamais fabriqués par l'homme. Chacune des tranches peut combiner plusieurs milliards de transistors gravés à leur surface. Ces transistors fonctionnent comme des interrupteurs capables de prendre en charge des traitements binaires complexes.

Après la gravure des circuits sur la tranche, plusieurs étapes supplémentaires spécifient ses propriétés électriques.

Dans certains cas, un processus appelé dopage sert à modifier les caractéristiques du matériau en silicium. Le dopage consiste à introduire des impuretés dans le matériau en silicium. Ce processus est extrêmement exigeant et très précis.

Après la gravure du circuit sur la tranche, un matériau conducteur doit être apporté pour établir les liaisons électriques entre les différents composants. Divers matériaux conducteurs peuvent être utilisés, comme le cuivre. Le produit obtenu est ensuite poli pour éliminer les risques de courts-circuits.

En dépit de l'extrême précision des processus, de la nécessité d'une fabrication en salle blanche et sous-systèmes hermétiques, les installations de fabrication des processeurs sont énormes. Certaines usines sont plus vastes que deux terrains de football.

En fin de fabrication, des inspections rigoureuses contrôlent la qualité du produit, incluant des microscopes électroniques.

La fabrication de chaque tranche de silicium complète peut durer plus d'un mois. Lorsque les tranches sont terminées, elles sont intégrées dans de simples microprocesseurs ou dans des microprocesseurs utilisés comme composants dans des microcontrôleurs.

 

Innovations

En dépit de l'énorme complexité et de la sophistication des processus de fabrication des microprocesseurs et microcontrôleurs, ils font l'objet de processus de développement avancés. Actuellement, un des processus révolutionnaires permet de fabriquer des microprocesseurs qui utilisent la lumière, au lieu de l'électricité, pour transmettre les communications à tous les niveaux des circuits.

Il ouvre la porte à de nouveaux microprocesseurs et microcontrôleurs qui sont remarquablement plus efficaces que les designs actuels.

Depuis plusieurs décennies, le nombre de transistors implantés à la surface d'un microprocesseur est régulièrement multiplié par deux. Les processeurs sont donc devenus de plus en plus puissants et sophistiqués. Lorsque la technologie de fabrication a atteint ses limites, certains fabricants ont commencé à fabriquer des processeurs multi-cœurs. Cette solution permet d'augmenter efficacement la puissance de traitement sans élargir considérablement l'espace occupé par les circuits ou la consommation d'énergie.

 

Comprendre les différences

Comme un microcontrôleur est l'équivalent d'un ordinateur entier sur un seul processeur, il serait facile de croire (à tort) qu'il est intrinsèquement plus sophistiqué qu'un microprocesseur. Mais ce n'est pas nécessairement le cas.

Ces deux types de composants sont très sophistiqués. Leur potentiel d'utilisation illustre leurs différences.

Un microcontrôleur intègre une quantité fixe de mémoires RAM et ROM ainsi qu'une unité centrale. C'est pourquoi ces dispositifs sont parfois appelés « mini-ordinateurs ». Le terme « ordinateur sur une puce » désigne aussi ces mêmes dispositifs.

Les microcontrôleurs peuvent être programmés. Ils peuvent donc être utilisés dans des applications où leurs entrées et sorties peuvent servir à contrôler des dispositifs. Ils sont conçus et fabriqués pour des applications spécifiques. Par exemple, un microcontrôleur peut être installé sur un moteur d'équipement industriel, pour gérer automatiquement sa vitesse selon les besoins et en fonction des entrées et des sorties que le microcontrôleur reçoit et produit.

Les microcontrôleurs permettent de mettre en œuvre des fonctions sophistiquées à un prix très bas. Bien qu'ils soient sophistiqués, ces dispositifs ne sont pas particulièrement puissants. Ils intègrent des mémoires RAM et ROM de faible capacité, des ports E/S limités. Ils opèrent généralement à des fréquences beaucoup plus basses que les microprocesseurs. Ils ont donc l'avantage majeur d'apporter des solutions très économiques à des besoins industriels complexes. Reprogrammer ou remplacer un microcontrôleur n'est pas particulièrement difficile et certainement pas coûteux.

Un microprocesseur est normalement plus cher qu'un microcontrôleur et fonctionne à une fréquence nettement plus haute. Un microprocesseur n'a pas d'autre composant que l'unité centrale ou CPU. Son seul rôle consiste à traiter des données numériques. La mémoire doit être ajoutée séparément.

Les microprocesseurs sont des composants essentiels des ordinateurs et autres types de dispositifs informatiques. Ils se caractérisent par leur énorme flexibilité. La puissance de traitement d'un microprocesseur peut être mise au service de n'importe quelle tâche exigée par un logiciel exécuté sur un ordinateur.

Pour différencier ces deux dispositifs, il ne faut pas oublier qu'un microcontrôleur est habituellement utilisé dans un rôle très spécifique. Il utilise un programme simple pour recevoir et traiter des signaux ou données et générer les valeurs de sortie requises. Il ne fera rien d'autre qu'exécuter ces simples fonctions.

Un microprocesseur peut être utilisé dans une multitude d'applications différentes. Il est plus pratique de définir les applications en termes généraux. Par exemple, un microprocesseur peut servir à programmer ou traiter des vidéos.

 

Sont-ils interchangeables ?

En général les microprocesseurs et les microcontrôleurs ne sont pas interchangeables pour des applications identiques. Outre le fait évident qu'un microcontrôleur est généralement utilisé parce qu'il apporte les avantages d'un ordinateur sur une puce, la différence de coût est telle que l'interchangeabilité des dispositifs est rarement une option pratique.

Un microcontrôleur n'a simplement pas la puissance de traitement requise pour la plupart des applications qui utilisent des microprocesseurs. Un microprocesseur a besoin d'équipements supplémentaires pour exécuter les tâches qu'un microcontrôleur pourrait réaliser seul. Le prix d'un microprocesseur est généralement beaucoup plus élevé que celui d'un microcontrôleur. À tel point qu'il pourrait potentiellement porter les coûts de conception et de fabrication de dispositifs très simples à des niveaux prohibitifs.

 

Les choisir pour leurs avantages

Outre leurs applications, les avantages offerts par ces dispositifs sont aussi des facteurs de différenciation.

Un microcontrôleur offre l'avantage d'être particulièrement économique compte tenu de sa fonctionnalité élevée. Par conséquent, le coût de production des contrôleurs et autres dispositifs pour des utilisations industrielles est largement réduit, ainsi que leur coût de développement.

Les microcontrôleurs sont suffisamment peu coûteux pour qu'ils puissent être achetés en grandes quantités. Les services de recherche et de développement disposent ainsi d'un grand nombre de composants. Si une unité vient à être détruite, les pertes financières sont aisément supportables. Les composants peuvent être programmés et reprogrammés indéfiniment, permettant de tester différents jeux d'instructions, et d'utiliser le dispositif pour différentes applications.

Dans le cas d'un microprocesseur, le coût du dispositif est compensé par sa flexibilité. Mais le plus souvent, les microprocesseurs sont utilisés dans des applications nécessitant une grande puissance de traitement et où leur flexibilité inhérente est un avantage recherché. Voyons un exemple simple avec ces deux types de composants.

Les microcontrôleurs sont normalement programmés avec un ordinateur. L'ordinateur utilise un microprocesseur pour créer un environnement de programmation, avec des fonctionnalités de débogage et autres capacités complexes. Le microcontrôleur lui-même peut être programmé avec un programme très simple, mais les capacités du microprocesseur permettent aux ingénieurs de reprogrammer le microcontrôleur selon les besoins. Lorsque le microcontrôleur est programmé, il est généralement assigné à un très simple rôle où sa fiabilité inhérente, son coût économique et sa puissance adaptée à des tâches simples en font un choix constamment idéal pour des applications industrielles.

 

Achat

Les microprocesseurs sont fabriqués par de grandes marques, telles qu'Intel, AMD et d'autres. Ces fabricants produisent des processeurs de plus en plus puissants et avec des prix de plus en plus avantageux, même pour des modèles très rapides et très sophistiqués.

Les microcontrôleurs sont fabriqués par divers producteurs, tels qu'Analogue Devices, Cyprus Semiconductor, Energy Micro, Fujitsu et bien d'autres. Ils sont organisés en différentes gammes, telles que les AT80, AT32UC3C, etc. Ils offrent différentes options, spécifications et autres variantes. Tous ces facteurs doivent être analysés pour sélectionner ces dispositifs.

Les prix des microcontrôleurs débutent à deux dollars l'unité et sont donc extrêmement accessibles. Les prix des microprocesseurs commencent à 50 dollars l'unité et varient avec leur puissance.

Du fait de leur prix très bas, les microcontrôleurs peuvent être achetés et stockés en grandes quantités pour des besoins de développement et pour remplacer des composants, selon les besoins. Par contre, les microprocesseurs sont normalement achetés pour des projets spécifiques et pour remplacer des composants tombés en panne dans des ordinateurs.

Pour sélectionner des microprocesseurs, il est important de vérifier que leur type de montage est conforme à l'emplacement envisagé, que leurs spécifications électriques sont adaptées aux besoins, et qu'ils peuvent gérer le nombre de processus requis, en fonction de leur vitesse d'horloge.

Les microcontrôleurs et microprocesseurs rendent possibles la conception et la fabrication de systèmes d'automatisation. Ils sont donc deux options apparemment similaires qui répondent à des exigences industrielles différentes. Les microcontrôleurs sont utilisés dans un grand nombre de rôles, à tous les niveaux des usines de fabrication, installations de services publics, et autres sites industriels de toutes tailles. Les microprocesseurs sont incroyablement répandus. Outre leur utilisation dans des ordinateurs, ils sont présents dans une gamme de dispositifs de plus en plus étendue, favorisés par la croissance de leur puissance, la baisse de leurs prix et la réduction de leurs dimensions.

Parallèlement à leur puissance croissante, ils offrent une facilité d'utilisation constamment améliorée. D'excellents environnements de programmation pour microcontrôleurs, ainsi que des microprocesseurs très rapides et durables, ont révolutionné une multitude de processus industriels, bureautiques et autres. Les progrès continuent à un rythme régulier.