Microprocesorul și microcontrolerul sunt cipuri electronice programabile utilizate pentru scopuri variate. Microcontrolerul diferă de un microprocesor în multe feluri. În primul rând și probabil cel mai important este funcționalitatea sa. Pentru a fi folosit, unui microprocesor trebuie să i se adauge alte componente precum memorie, sau componente pentru primirea și trimiterea de date. Pe de altă parte, microcontrolerul este proiectat să fie toate acestea într-unul singur. Nu sunt necesare alte componente externe pentru aplicarea sa pentru ca toate perifericele necesare sunt deja incluse în el.

Discutăm pe larg despre fiecare în parte, pentru a vedea cum funcționeză fiecare și care este mai potrivit pentru proiectele pe care dorești să le realizezi.

Ce înseamnă și care este rolul microprocesorului

Microprocesorul este denumit adesea ”creierul” unui calculator. Rolul acestuia este de

a executa calculul şi prelucrarea datelor din sistem cu excepţia calculelor matematice complexe pe care le execută coprocesorul. Un microprocesor este un procesor ale cărui componente aufost suficient de miniaturizate pentru a fi grupate într-un singur circuit integrat. Termenul de „microprocesor” a fost introdus în 1972 de către firma americană INTEL, cea care a creat primul microprocesor de 4 biți, în anul 1971. Au urmat apoi microprocesoarele de 8, 16 și 32 de biți (în 1972, 1974 și 1981. Numărul de componente pe cip a crescut de peste 500 de ori iar frecvența de lucru a circuitelor de peste 100 de ori.

Evoluția microprocesoarelor a constat în creșterea numărului tranzistoarelor și în lărgirea bandei de date de la 8 la 16, și ulterior la 32 de biți. Din anul 2000, a apărut procesorul de 64 de biți. Caracteristica fundamentală a funcționării microprocesorului este frecvența sa de lucru, frecvența fiind o mărime fizică direct proporțională cu viteza de calcul a microprocesorului. Pentru că odată cu evoluția microprocesoarelor, s-a atins o valoare limită a frecvenței conform legii lui Joules, care spunea că la trecerea unui curent electric printr-un conductor acesta emite căldură direct proporțională cu energia ce traversează conductorul adică se manifestă o rezistență la trecerea curentului electric ce crește temperatura conductorului, s-a găsit o soluție: tehnologia core (nucleu). 

Astfel au apărut procesoarele:

• Dual core – cipuri care conțin două nuclee, adică două microprocesoare ce lucrează în paralel;
• Core 2 duo – cipuri care conțin două nuclee, al căror mod de lucru în parelel este mai avansat decât la dual core;
• Quad core – cipuri care conțin 4 nuclee;

Există și procesoare de 6 nuclee, acestea au fost dezvoltate de firma AMD (Advanced Micro Devices).  

Utilizarea microprocesoarelor a fost orientată inițial cu predilecție ca microcontrolere în structuri dedicate, pentru aplicații de control al proceselor. Setul de instrucțiuni al acestora era relativ limitat, iar programarea se făcea direct în cod mașină. Dezvoltarea ulterioară a arhitecturilor evoluate, apariția limbajelor de programare de nivel înalt, deosebit de performante, creșterea puterii de calcul și a flexibilității, apariția și expansiunea sistemelor de dezvoltare, au lărgit considerabil aria de aplicații ale microprocesoarelor.

Pentru a înțelege performanțele și capacitățile unui calculator, trebuie să cunoști opțiunile existente în materie de microprocesoare. Fiecare microprocesor este alcătuit din mai multe micromodule interconectate prin intermediul unor căi de comunicație numite magistrale (bus) interne. Pe aceste magistrale circulă date sau intrucțiuni. Începând cu microprocesoare de 4 biți, de viteză relativ redusă, cu costuri ridicate și dispunând de puține elemente de dezvoltare a aplicațiilor, piața microprocesoarelor a înregistrat progrese uimitoare, evoluând permanent.

Ce înseamnă și care este rolul microcontrolerului

Un microcontroler poate fi considerat a fi un microcalculator care pe lângă procesor şi memorie este completat cu circuite şi funcţii speciale care îi permit să interacţioneze uşor cu mediul exterior. Microcontrolerele pot fi găsite în componența oricărui tip de aparate. Orice aparat care măsoară, stochează, comandă, calculează sau afişează informaţii poate deține un microcontroler. De exemplu, orice automobil fabricat în ziua de azi este echipat cu cel puţin un microcontroler (pentru comenzile către motor) sau chiar cu mai multe pentru comanda sistemelor adiţionale din automobil. În calculatoarele de birou (PC) se pot găsi microcontrolere în tastatură, modemuri, imprimante şi alte periferice. În echipamentele de testare se găsesc microcontrolere pentru a face posibilă adăugarea unor facilităţi ca de exemplu memorarea rezultatelor măsurării și afişarea mesajelor. De asemenea, produsele de larg consum care includ microcontrolere sunt camerele video, video recorderele, compact-disk playere.

Deci, putem spune că microcontrolerele sunt mici “creiere” electronice care, dacă au primit instrucțiuni clare (prin firmware), pot înlocui cu succes foarte multe tipuri de circuite electrice şi electronice. Pe lângă acestea, un microcontroler programat corespunzător poate realiza funcţii care altfel ar fi deosebit de greu de realizat (comunicaţii de date fără erori, afişare de date pe diferite tipuri de display etc). Nu în ultimul rând versatilitatea unui microcontroler le permite cercetătorilor să-şi imagineze şi să dezvolte sisteme embedded cu noi functionalităţi. 

Pentru a înțelege și mai bine care este rolul unui microcontroler, iată cele mai cele mai întâlnite funcţii:

• Preluarea de date de la practic orice tip de senzor. Senzorii sunt dispozitive care transformă un semnal de natură neelectrică (presiune, forţă, viteză, temperatură etc.) într-un semnal de natură electrică. Cu ajutorul unui senzor potrivit, un microcontroler poate “citi” practic orice fel de mărime fizică.
• Introducerea de comenzi prin intermediul tastelor şi encoderelor. Comanda unui microcontroler se poate face cu ajutorul unor taste microswitch.
• Afişarea de date pe diferite tipuri de display-uri. Într-un sistem cu microcontroler și display poţi folosi acelaşi display pentru a afişa informaţii diferite, în timp ce într-un sistem analogic trebuie ca pentru fiecare informaţie de afişat să ai un dispozitiv de afişare (un bec, un led etc). 
• Prelucrarea facilă şi rapidă a datelor de intrare. Orice funcție de prelucrare a semnalelor poate fi implementată cu succes cu ajutorul unui microcontroler.
• Creează semnale de ieşire de tip On/Off şi PWM. Primul tip de semnale poate fi folosit pentru funcţii de activare/dezactivare (de exemplu a unor becuri, sonerii, electromagneţi etc.) iar al doilea poate fi folosit pentru funcţii de control precis (a turaţiei unui motor, a intensităţii luminoase a unui bec/led, a tensiunii de ieşire a unui regulator de tensiune etc).

Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVR de 8-, 16- sau 32-biți cu componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite. De asemenea, e bine de știu că Arduino dispune de conectori standard, care permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile numite shield-uri. Unele shield-uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, dar altele sunt adresabile individual prin magistrala serială permițând utilizarea mai multor module în paralel.

Diferențe cheie între microprocesor și microcontroler

Un microcontroler este asemănător unui microprocesor. Ambele conţin o unitate centrală de prelucrare sau CPU (central processing unit). CPU execută instrucţiuni care îndeplinesc operaţiile de bază logice, matematice şi de mişcare (rotire) a informaţiei. Pentru a construi un calculator complet microprocesorul necesită memorie pentru păstrarea datelor şi programelor şi interfeţe de intrare ieşire (I/O) pentru conectarea dispozitivelor externe cum ar fi tastatura şi monitorul. 

Prin comparație cu un microprocesor, microcontrolerul este un calculator pe un cip deoarece el conţine şi memorie şi interfeţe de intrare ieşire pe lângă CPU. Deoarece mărimea memoriei şi interfeţele care încap pe un cip sunt limitate, microcontrolerele tind să fie utilizate în sisteme mai mici care necesită doar un microcontroler şi câteva elemente adiţionale. 
Un microprocesor este cea mai bună alegere pentru aplicații extinse, industriale cu calcul intensiv, precum și pentru aplicații de larg consum, care se bazează pe sisteme de operare precum Linux sau Android și necesită numeroase conexiuni de mare viteză sau utilizează interfețe de operator cu un domeniu de funcționare extins. În loc de un sistem de operare, majoritatea microcontrolerelor utilizează doar programare logică secvențială, care rulează programe aproape fără nicio intervenție umană, datorită buclelor secvențiale de procesare și a condițiilor de stare a mașinii.

O altă diferență importantă între microprocesoare și microcontrolere constă, de obicei, în faptul că microprocesoarele se bazează pe o memorie externă pentru salvarea și executarea programului și nu – ca în cazul microcontrolerelor – pe o memorie încorporată. 

Microcontrolerele au un scor ridicat atunci când vine vorba de consumul de energie, care este mult mai mic decât cel al microprocesoarelor. Deși microprocesoarele au un mod de economisire a energiei, consumul lor este totuși considerabil mai mare decât cel al unui microcontroler tipic.

Dacă este vorba despre performanțe în timp real, componenta aleasă este cu siguranță un microcontroler. Datorită nucleului procesorului, memoriei integrate și a software-ului, microcontrolerul desfășoară o muncă excepțională îndeplinindu-și sarcinile în timp real. 

Fiecare proiect pentru o nouă aplicație necesită un microcontroler sau un microprocesor. Este dificil totuși de spus care dintre cele două este mai bun, cel mai corect este să cântăriți întotdeauna diferitele avantaje oferite de ambele variante. Concluzionând, microcontrolerele sunt potrivite pentru aplicații mobile cu consum mic de energie, precum și pentru aplicațiile cu cerințe dîn timp real. Microprocesoarele se potrivesc perfect pentru aplicațiile de calcul intens care rulează un sistem de operare și necesită interfețe cu viteză mare.