MCU - Microcontroller

Definizione

Un MICROCONTROLLER (spesso abbreviato MCU) è un sistema completo su singolo chip che integra: CPU, memoria non volatile (per firmware), memoria volatile (per dati temporanei) e numerose periferiche di INPUT/OUTPUT. A differenza di una classica CPU o di un MICROPROCESSORE (spesso abbreviato MPU), che richiedono tipicamente memorie e periferiche esterne per costruire un sistema funzionante, un MICROCONTROLLER nasce per essere “stand-alone” e controllare direttamente sensori, attuatori e interfacce, con costi, consumi e ingombri ridotti.

Concetto chiave: “computer in miniatura”

Un MICROCONTROLLER racchiude in un unico die ciò che, in un sistema basato su MPU, è distribuito su più componenti:

• CPU: esegue istruzioni e gestisce interrupt e flussi di controllo.

• Memoria permanente (non volatile): tipicamente FLASH o ROM, contiene il firmware.

• Memoria volatile: tipicamente RAM, contiene variabili, stack e buffer runtime.

• INPUT/OUTPUT: linee GPIO e periferiche integrate (timer, seriali, conversioni analogiche, ecc.).

Questo rende la MCU ideale per compiti di controllo, automazione e acquisizione.

Architettura interna tipica

All’interno di una MCU trovi quasi sempre:

• Clock e reset: oscillatore interno/esterno, PLL (su molte famiglie), circuiti di reset e watchdog.

• Bus interni: collegano CPU, memorie e periferiche (spesso con priorità e arbitraggi).

• Controller di interrupt: gestione eventi asincroni (timer, pin, seriale, ADC, ecc.).

• Periferiche digitali: TIMER, PWM, contatori, capture/compare.

• Periferiche di comunicazione: UART, SPI, I2C, talvolta CAN, USB, ETHERNET (dipende dalla classe).

• Periferiche analogiche (se presenti): ADC, DAC, comparatori, riferimenti interni.

• Gestione energia: sleep/deep sleep, clock gating, domini di alimentazione, brown-out detector.

Memorie: permanente vs volatile

• Memoria non volatile (FLASH/ROM): conserva il programma anche a dispositivo spento. È la “memoria permanente” dove risiede il firmware.

• Memoria volatile (RAM): perde i dati a dispositivo spento. Serve per variabili, stack, buffer di comunicazione e dati temporanei.

• Altre memorie possibili: EEPROM (o emulazione EEPROM in FLASH) per parametri che devono persistere ma essere riscritti saltuariamente (calibrazioni, ID, configurazioni).

INPUT/OUTPUT: cosa significa davvero

I canali di INPUT/OUTPUT non sono solo “pin che leggono o scrivono 0/1”. In una MCU moderna, la maggior parte dei pin è multiplexata: lo stesso pin può diventare GPIO oppure linea di una periferica (es. TX/RX di UART, MOSI/MISO/SCK di SPI, ingresso ADC, uscita PWM). Questo permette flessibilità ma richiede configurazione accurata dei registri di porta e delle funzioni alternate.

Perché una MCU è diversa da CPU/MPU “classica”

• Una MCU è orientata al controllo in tempo reale, spesso con interrupt frequenti e periferiche strettamente integrate.

• Una MPU è orientata a prestazioni generali e sistemi complessi (tipicamente con RAM esterna, memoria di massa, interfacce ad alta velocità, e spesso un OS completo).

• La MCU tende a usare firmware “bare metal” o RTOS leggeri; la MPU tende a usare sistemi operativi più pesanti (Linux-like), quando serve.

Schizzo dei collegamenti più importanti

                 ┌──────────────────────────────────┐
                 │          MICROCONTROLLER (MCU)    │
                 │                                  │
                 │  ┌─────────┐   ┌──────────────┐  │
Alimentazione ───►  │ Clock/  │   │  CPU Core     │  │
Reset/WDG     ───►  │ Reset   │   │  + Interrupt  │  │
                 │  └─────────┘   └──────┬───────┘  │
                 │                       │           │
                 │  ┌──────────────┐     │           │
                 │  │ FLASH / ROM  │◄────┘           │
                 │  └──────────────┘                 │
                 │  ┌──────────────┐                 │
                 │  │     RAM      │◄────────────────┘
                 │  └──────────────┘
                 │
                 │  Periferiche:
                 │  GPIO ──► sensori/attuatori digitali
                 │  TIMER/PWM ──► motori, LED, power control
                 │  UART/SPI/I2C ──► moduli, sensori, display
                 │  ADC/DAC ──► segnali analogici (se presenti)
                 └──────────────────────────────────┘

Vantaggi tipici

• Integrazione: meno componenti esterni, schema più semplice.

• Consumi ridotti: modalità sleep e periferiche ottimizzate per low-power.

• Costo e ingombro: BOM più corta e PCB più semplice.

• Affidabilità: meno connessioni esterne e meno punti di guasto.

• Determinismo: gestione interrupt e timer adatti al controllo real-time.

Limiti tipici

• Risorse limitate: RAM e FLASH spesso contenute rispetto a sistemi con MPU + RAM esterna.

• Prestazioni: CPU spesso meno potente di una MPU dedicata (dipende dalla classe).

• Vincoli di periferiche: numero di canali e velocità fissati dal chip scelto.

• Aggiornamenti e debug: richiedono toolchain e interfacce (SWD/JTAG) coerenti con la famiglia.

Tabella 1 – Blocchi tipici in un MICROCONTROLLER

Tabella 2 – Confronto sintetico: MICROCONTROLLER vs MICROPROCESSORE

Esempi di applicazioni

Un MICROCONTROLLER è tipico in: elettrodomestici, termostati, sensori IoT, centraline di controllo, gestione motori, strumentazione, dispositivi medicali embedded, tastiere/telecomandi, sistemi automotive (a seconda dei requisiti), e in generale dove serve controllo affidabile con risorse contenute.