Un chip di circuito integrato che integra un’unità di elaborazione centrale (CPU), RAM, ROM, porte I/O e un sistema di interrupt è noto come microcontrollore a chip singolo. I microcomputer sono diventati popolari negli anni ’70 e ’80 grazie alla crescente potenza dei microprocessori. I microcontrollori a chip singolo sono passati da progetti a 4 bit e 8 bit all’attuale microcontrollore a chip singolo ad alta velocità da 300M.
Storia del microcontrollore a chip singolo
Il microcontrollore a chip singolo è stato sviluppato per la prima volta all’inizio degli anni ’70. I primi esempi sono stati l’Intel 4004 e il Motorola 6800, entrambi rilasciati nel 1971. Questi primi microcomputer sono stati utilizzati principalmente per applicazioni scientifiche e industriali.
Intel 4004 - anni '70
Lo sviluppo del microprocessore all’inizio degli anni ’70 ha reso possibili i microcontrollori a chip singolo. Il microprocessore è un processore di computer fabbricato su un singolo circuito integrato. Il primo microprocessore è stato l’Intel 4004, rilasciato nel 1971.
Commodore PET - anni '70
Il primo microcontrollore a chip singolo prodotto in serie è stato il Commodore PET, rilasciato nel 1977. Il PET è stato seguito dall’Apple II, rilasciato nel 1978. L’Apple II è stato il primo microcomputer progettato per l’uso domestico. È stato presto seguito da altri computer domestici come il TRS-80 e il Commodore 64.
Il microcontrollore a chip singolo ha rivoluzionato l’industria informatica. Sono molto più piccoli ed economici dei computer precedenti e consumano meno energia. Questo li ha resi ideali per l’uso in una vasta gamma di dispositivi elettronici, tra cui automobili, elettrodomestici e giocattoli.
Man mano che i microprocessori sono diventati più potenti, i microcontrollori a chip singolo sono diventati più sofisticati. Sono stati in grado di eseguire compiti più complessi e sono diventati più potenti. Oggi, i microcontrollori a chip singolo sono alcuni dei computer più popolari e ampiamente utilizzati al mondo.
Struttura di base
La struttura di base di un microcontrollore a chip singolo consiste tipicamente in un’unità di elaborazione centrale (CPU), memoria di sola lettura (ROM), memoria ad accesso casuale (RAM), porte di input/output (I/O) e un controller di interrupt.
- La CPU è il cervello del microcomputer, responsabile dell’esecuzione delle istruzioni di un programma.
- La ROM memorizza le istruzioni del programma che dicono alla CPU cosa fare.
- La RAM viene utilizzata per memorizzare dati e programmi a cui la CPU può accedere e modificare.
- Le porte I/O forniscono un mezzo per il microcomputer per comunicare con il mondo esterno.
- Il controller di interrupt è responsabile della gestione degli interrupt, che sono segnali speciali che indicano che si è verificato un evento che richiede l’attenzione del microcomputer.
Caratteristiche principali
- Piccolo e compatto: sono molto compatti e richiedono pochissima circuiteria esterna. Questo li rende adatti ad applicazioni in cui lo spazio è limitato, come nei dispositivi portatili o nei sistemi embedded.
- Relativamente economici: possono essere molto economici da produrre, poiché tutti i componenti sono contenuti in un singolo circuito integrato.
- Basso consumo energetico: generalmente consuma meno energia di un microprocessore convenzionale. Questo è dovuto al fatto che i singoli componenti sul chip sono molto più piccoli e richiedono meno energia per funzionare.
Applicazioni
I microcomputer a chip singolo si trovano in un’ampia varietà di dispositivi e applicazioni. Sono utilizzati in tutto, dai sistemi di controllo del motore automobilistico all’elettronica di consumo portatile.
Elettronica di consumo
I microcomputer a chip singolo si trovano in molti prodotti di elettronica di consumo, come fotocamere digitali, lettori multimediali portatili e dispositivi GPS. In questo caso, eseguono tutte le funzioni di un computer completo, come l’elaborazione dei dati, l’archiviazione delle informazioni e l’esecuzione di applicazioni.
Automobilistico
Un microcomputer potrebbe essere utilizzato per controllare il motore e il cambio di un’auto, gestendo e coordinando le operazioni di altri dispositivi nel sistema.
Controllo industriale
I microcomputer a chip singolo sono spesso utilizzati nei sistemi embedded perché sono piccoli, a basso consumo e poco costosi. Un sistema embedded è un sistema informatico progettato per eseguire un compito o compiti specifici all’interno di un sistema più ampio.
Apparecchiature mediche
I microcomputer a chip singolo stanno diventando sempre più comuni nelle apparecchiature mediche, principalmente grazie al monitoraggio intelligente dei dati fisici del paziente, alcuni dei quali possono essere indossati dal paziente e raccogliere dati dal corpo del paziente. Questi dati vengono quindi elaborati dal sistema di controllo in background.
Intel MCS 51
L’Intel MCS-51 (chiamato anche 8051 mcu) è un’architettura di microcontrollore a 8 bit sviluppata da Intel all’inizio degli anni ’80. È stato uno dei primi microcontrollori sul mercato e ha rapidamente guadagnato popolarità per la sua vasta gamma di funzionalità e il basso costo. L’8051 mcu è stato originariamente progettato per l’uso in sistemi embedded, ma ha rapidamente trovato applicazioni in una varietà di altri campi, tra cui il controllo automobilistico e industriale.
Storia di MCS 51
L’8051 è stato originariamente sviluppato come controller per il nuovo processore 8086 di Intel. L’8086 era un processore a 16 bit, il che significa che poteva elaborare due byte (16 bit) di dati alla volta. L’8051 è stato progettato per essere un’alternativa più efficiente ed economica all’8086 per applicazioni che non richiedevano la potenza di elaborazione extra del processore a 16 bit.
Esistono tre versioni: l’8051 standard, il basso consumo 8052 e l’alta velocità 8031. L’8052 era identico all’8051, tranne per il fatto che includeva un oscillatore on-chip che riduceva la necessità di componenti esterni. L’8031 è stato progettato per applicazioni che richiedevano un 8051 ad alta velocità e includeva un moltiplicatore di clock on-chip che aumentava la velocità di clock interna da 6 MHz a 12 MHz.
L’8051 è stato molto popolare e rapidamente è diventato il microcontrollore standard per un’ampia gamma di applicazioni. Nel 1998, Intel ha rilasciato una versione aggiornata dell’8051, chiamata MCS-51. L’MCS-51 includeva una serie di miglioramenti rispetto all’8051 originale, tra cui più memoria on-chip, un set di istruzioni migliorato e il supporto per velocità di clock più elevate.
Architettura MCS 51
I componenti logici del microcontrollore MCS-51 includono una CPU a 8 bit e un oscillatore on-chip, 80514B mask ROM, 87514KB EPROM, 8031 no ROM, registro funzione speciale SFR128BRAM, timer/contatore T0 e T1, interfaccia I/O parallela: P0, P1, P2, P3; interfaccia seriale: TXD, RXD; sistema di interrupt: INT0, INT1.
Funzioni
L’8051 ha un’ampia gamma di capacità e può essere programmato per eseguire una varietà di attività.
- CPU con bus dati a 8 bit e bus indirizzi a 16 bit;
- Possiede capacità di elaborazione booleana e capacità di elaborazione bit;
- Viene adottata la struttura Harvard e lo spazio di indirizzi della memoria del programma e della memoria dei dati sono indipendenti, il che è comodo per la programmazione;
- 64KB di memoria del programma e 64KB di memoria dei dati allo stesso indirizzo;
- 0-8KB di memoria del programma on-chip (8031 non ne ha, 8051 ha 4KB, 8052 ha 8KB, 89C55 ha 20KB);
- 128 byte di memoria dei dati on-chip (8051 ha 256 byte);
- 32 linee I/O bidirezionali e indirizzabili in bit;
- Due timer/contatori a 16 bit (8052 ne ha 3);
- Un’interfaccia I/O seriale full-duplex;
10. La struttura di interrupt di più fonti di interrupt ha due priorità di interrupt;
11. Oscillatore a clock on-chip.
