Dominando Microcontroladores: Estrutura, Funcionalidade e Aplicações Práticas

Antes de mergulhar no mundo da eletrônica embarcada, você precisa entender o que é necessário. Por exemplo, este campo envolve escrever seus códigos. E é quase impossível fazer isso se você não entender os fundamentos dos microcontroladores, a linguagem de programação que usa ou seus conceitos fundamentais de programação. Ou você ficará confuso sobre por onde começar e sobrecarregado também.

Mas, há boas notícias:

Este artigo aprenderá as coisas básicas que você precisa para começar com eletrônica embarcada. Discutiremos o que é, como o microcontrolador funciona, a estrutura básica e mais.

Vamos começar!

O que é um Microcontrolador?

Antes de definir o microcontrolador, é vital notar que ele difere do microprocessador (que discutiremos mais tarde no artigo).

Dito isso, o microcontrolador é um CI de integração em muito grande escala (VLSI). E compreende portas I/O, unidade lógica, memória, unidade de computação eletrônica e outros módulos fundidos em um único chip. Você também pode referir o dispositivo como Computador de Chip Único (Single-Chip-Computer).

Adicionalmente, o microcontrolador também é um Controlador Embarcado. E é porque o dispositivo junto com a circuitaria de suporte entra no aparelho que controla.

Você pode encontrar microcontroladores em muitos dispositivos ou aplicações que exibem dados, medem, controlam, armazenam ou calculam. Curiosamente, a Indústria Automobilística lidera a lista como maior usuária de microcontroladores. Afinal, veículos precisam do dispositivo para controle do motor e regulação de outros sistemas.

Outra área onde microcontroladores são comuns é em eletrônicos de consumo. Então, você pode encontrar microcontroladores em fornos, câmeras digitais, players DVD, etc. Equipamentos de teste e medição também usam microcontroladores, ex: geradores de função, multímetros, etc.

Fundamentos de Microcontroladores – Como o Microcontrolador Funciona?

Tipicamente, microcontroladores executam um programa particular e se ater a uma tarefa. Então, funcionam obtendo entrada do dispositivo que controlam. Consequentemente, isso ajuda os microcontroladores a manter o controle. E faz isso enviando sinais para diferentes partes do dispositivo.

Por exemplo, o microcontrolador de uma TV funciona obtendo entrada do controle remoto. Então, entrega a saída na tela da TV.

Tipos de Microcontroladores

Temos diferentes microcontroladores baseados nas seguintes categorias: conjuntos de instruções, memória e bits.

Conjuntos de Instruções

Existem duas categorias de microcontroladores baseadas na configuração do conjunto de instruções:

RISC

Este acrônimo significa Computadores com Conjunto de Instruções Reduzido (Reduced Instruction Set Computers). Faz isso reduzindo o ciclo de clock para cada instrução. E ajuda a diminuir o tempo de trabalho.

CISC

Este acrônimo representa Computador com Conjunto de Instruções Complexo (Complex Instruction Set Computer). E permite aos usuários corrigir uma instrução como opção a diferentes comandos simples.

Memória

Na categoria de configuração de memória, existem dois tipos de microcontroladores:

Microcontrolador com Memória Embarcada (Embedded Memory)

Este tipo de microcontrolador geralmente tem tantos componentes no chip como temporizadores e contadores, portas I/O, memória de dados, interrupções, etc. Um exemplo de microcontrolador com memória embarcada é o Intel 8051.

Microcontrolador com Memória Externa (External Memory)

O projeto deste tipo de microcontrolador não tem memória de programa em seu chip. Um excelente exemplo de microcontrolador com memória externa é o Intel 8031.

Bits

Existem três tipos de microcontroladores na categoria de configuração de bits:

Microcontrolador de 32 Bits

Você pode encontrar o microcontrolador de 32 bits em aparelhos que usam controle automático como aparelhos médicos, etc.

Microcontrolador de 16 Bits

O microcontrolador de 16 bits é útil para aplicações de alto desempenho e precisão. Então, você pode usar este microcontrolador para fazer operações lógicas e aritméticas. Um excelente exemplo deste microcontrolador é o Intel 8096.

Microcontrolador de 8 Bits

O microcontrolador de 8 bits é o menor nesta categoria. E você pode usá-lo para realizar tarefas simples como executar operações lógicas e aritméticas como divisão, subtração, etc. Também, exemplos deste microcontrolador são Intel 8051 e 8031.

Estrutura Básica de um Microcontrolador

O microcontrolador tem três componentes fundamentais: portas I/O, memória e a Unidade Central de Processamento (CPU).

Outros componentes deste dispositivo são vitais também. Mas os mencionados acima são dispositivos de suporte. Então, veremos de perto os componentes primários de um microcontrolador baseados em sua estrutura.

Fundamentos de Microcontroladores – Memória

Tipicamente, a maioria dos sistemas computacionais precisa de dois tipos de memória: Dados e Programa. A memória de dados ajuda a manter informação temporária enquanto executa instruções. Mas a memória de programa consiste no programa. Ou seja, contém as instruções que a CPU executará.

Barramento (Bus)

O Barramento do Sistema é um dos componentes menos falados. Mas, é uma parte vital do microcontrolador.

Refere-se a uma coleção de fios de conexão que ligam a CPU a outros periféricos como portas I/O e outros componentes de suporte.

Fundamentos de Microcontroladores – CPU

A CPU é como o cérebro do microcontrolador. E tem duas partes: a UC (Unidade de Controle) e ULA (Unidade Lógica Aritmética).

Então, a CPU é responsável por decodificar, ler e executar instruções para realizar operações de transferência de Dados, Lógica e Aritmética.

Interrupções

As interrupções são outro componente vital do microcontrolador. E tem um Mecanismo de Tratamento de Interrupção. Também, este componente pode ser relacionado a software, externo, relacionado a hardware ou interno.

Fundamentos de Microcontroladores – Portas I/O

I/O refere-se às portas de Entrada/Saída. Este componente oferece ao microcontrolador uma interface para conexões externas. Por exemplo, dispositivos de entrada como teclados, chaves, etc., dão informação de um usuário para a CPU. E fazem isso na forma de Dados Binários.

Então, quando a CPU obtém a informação dos dispositivos de entrada, executa instruções adequadas. Então, responde via dispositivos de saída como impressoras, displays, LEDs, etc.

Porta Serial

Este componente ajuda o microcontrolador a interagir via comunicação serial. Um microcontrolador só pode se comunicar com outros periféricos e dispositivos externos via porta serial. E o UART é a comunicação serial mais comum do microcontrolador.

DAC

Este acrônimo significa Conversor Digital-Analógico (Digital to Analog Converter). E é um circuito que muda sinais Digitais para sinais Analógicos. Também, este componente conecta a CPU do microcontrolador e dispositivos analógicos (externos).

ADC

O acrônimo ADC significa Conversor Analógico-Digital (Analog to Digital converter). E é o oposto do DAC. Ou seja, o circuito ajuda a mudar sinais Analógicos para sinais Digitais. Também, este circuito cria uma conexão entre dispositivos de Entrada Analógica externos e a CPU do microcontrolador.

Além disso, é crucial notar que dispositivos analógicos são principalmente sensores. Logo, para a CPU entender a comunicação, os dados analógicos devem mudar para digital.

Fundamentos de Microcontroladores – Contadores/Temporizadores

Os contadores e temporizadores são componentes vitais do microcontrolador. E são responsáveis por oferecer operações de contagem de eventos externos e atrasos de tempo. Também, os componentes oferecem Controle de Clock, Geração de Função, etc.

Bits de Configuração

Microcontroladores geralmente têm um bit único. E são os Bits de Configuração. Este componente ajuda a estruturar as opções especiais do microcontrolador, que incluem (mas não se restringem a):

• Programação de Baixa Tensão Ligado/Desligado
• Timer de Power Up Ligado/Desligado
• Troca Interna/Externa Ligado/Desligado
• Tipo de Oscilador
• Monitor de Clock Fail-Safe Ligado/Desligado
• Reset Brown Out Ligado/Desligado
• Watchdog Timer Ligado/Desligado

Também, em um microcontrolador PIC, você notará bits de configuração. E é responsável por proteção de código de dados e proteção de código de programa.

Ou seja, os bits de configuração impedem hardware de programação externo de ler seus espaços de programa e dados. Logo, será difícil para outros roubarem seu código.

Comparação Entre Microprocessador e Microcontrolador

O microcontrolador é um computador que consiste de temporizadores, ROM e outros periféricos. Logo, você pode chamá-los de mini-computadores. Além disso, vêm em diferentes versões. Mas os microprocessadores são circuitos integrados. E têm poder de processamento com apenas uma CPU dentro deles.

Aqui está uma tabela mostrando suas diferenças:

Vantagens

• Como escreve e armazena instruções na memória, o microcontrolador não precisa de sistemas operacionais complexos.
• O chip não requer interfaceamento externo de componentes primários como portas I/O.
• Você pode programar as portas I/O.
• Colocar todos os componentes vitais reduz a área do produto, custo e tempo de projeto.

Desvantagens

• Não tem sistema operacional. Logo, você tem que escrever todos os comandos.
• A memória do microcontrolador (dependendo da quantidade) pode limitar a instrução que o dispositivo pode executar.

Conclusão

Em resumo, os fundamentos do microcontrolador explicam o poder do microcomputador de chip único. Além disso, compreende vários periféricos que compõem a estrutura do dispositivo como memória, CPU, portas I/O, circuitos oscilatórios, etc. Também, fabricantes constroem o microcontrolador nos dispositivos que controlam.

E cada um dos periféricos desempenha um papel vital que contribui para a função do microcontrolador. O que você acha sobre microcontroladores? Precisa ajuda para obter o melhor para seu projeto? Sinta-se à vontade para nos contatar.