Microcontroladores de 8 bits da marca Microchip Technology

Microcontroladores tornaram-se elementos indispensáveis em dispositivos eletrônicos – hoje é difícil encontrar circuitos sem algum tipo de circuito programável. A Microchip Technology acompanhou essa revolução desde o início, e os circuitos de 8 bits dessa marca estão disponíveis até hoje.

Arquitetura de microcontroladores de 8 bits é hoje uma limitação secundária, pois os circuitos modernos são equipados com interfaces avançadas e periféricos que ampliam a funcionalidade dos circuitos muito além do que era possível há duas/três décadas. Além disso, muitos dispositivos simplesmente não exigem a funcionalidade avançada oferecida por unidades de 32 bits. Mais: as capacidades limitadas dos microcontroladores clássicos tornam-se uma vantagem no contexto das crescentes preocupações com a segurança de nossos dados e redes locais.

No catálogo TME, a oferta de microcontroladores da Microchip Technology inclui cerca de 10 mil itens. Claro, seria difícil descrever a funcionalidade de todos esses circuitos em um único artigo – no entanto, podemos destacar suas características gerais e apresentar resumidamente as capacidades desse sortimento. Isso ajudará não apenas a conhecer a oferta da Microchip Technology, mas também a entender por que as soluções do fabricante ainda estão entre as mais populares do mundo.

Microcontroladores de 8 bits da Microchip Technology

Neste artigo, abordamos temas como:

• Contexto histórico da divisão entre microcontroladores AVR e PIC
• Ambiente MPLAB X
• Circuitos Microchip Technology maximamente miniaturizados
• Revisão das principais tecnologias utilizadas pela Microchip Technology
• Principais grupos de produtos dentro da família PIC
• Especificação e áreas de aplicação dos microcontroladores ATmega e ATtiny

Divisão da oferta da Microchip Technology em circuitos PIC e AVR

A divisão do portfólio da Microchip Technology em circuitos PIC e AVR tem, obviamente, uma origem histórica. A Microchip Technology adquiriu o sortimento de seu concorrente de longa data, a marca Atmel. Como as soluções deste último gozavam de reconhecimento internacional, elas foram mantidas no catálogo e continuam a ser desenvolvidas – no entanto, atualmente, a direção de desenvolvimento do AVR já está intimamente ligada às mudanças que podemos observar entre os PIC. Como resultado, sob a marca Microchip Technology, encontramos dois grupos de produtos ligeiramente diferentes, mas que se caracterizam por uma característica semelhante, e até mesmo em algumas áreas idêntica.

Neste texto, focamos na oferta completa da Microchip Technology, portanto, não enfatizaremos a busca por diferenças entre a oferta AVR e PIC – apenas chamaremos a atenção para as famílias de produtos presentes em ambos esses grupos.

Programação

O ambiente de programação básico para as famílias AVR/PIC é atualmente o software gratuito MPLAB X IDE. Ele permite criar código, programar e depurar. Um complemento indispensável é o MPLAB Code Configurator (MCC), também gratuito, disponível como um complemento. É uma ferramenta para configurar os recursos do microcontrolador selecionado usando um ambiente gráfico e geração automática de código de inicialização e drivers. Para programação em linguagem C, a Microchip Technology disponibiliza o compilador MPLAB XC8 gratuito e totalmente funcional, destinado a circuitos de 8 bits PIC e AVR. No caso do AVR, ainda é possível usar o ambiente clássico AVR-GCC, disponível em várias ferramentas e ambientes de programação. O fabricante também oferece (embora não recomende!) o ambiente Microchip Technology Studio, derivado do Atmel Studio. É importante destacar que o fabricante está integrando intensamente o ambiente MPLAB X com o editor Visual Studio Code. Isso permite que o programador trabalhe usando essa ferramenta universal, mas através do pacote Microchip Technology Extensions for VS Code, crie software para circuitos PIC/AVR usando recursos como:

• compilador MPLAB XC8
• assistente virtual de programação (MPLAB AI Code Assistant)
• outras ferramentas MPLAB (incluindo MPLAB Code Configurator e MPLAB Data Visualizer)
• importar para o editor VS Code projetos anteriores desenvolvidos no ambiente nativo MPLAB X.

A Microchip Technology está cada vez mais direcionando os usuários para o MPLAB Tools for VS Code como a plataforma preferida e futura. Ao mesmo tempo, o MPLAB X continua a ser desenvolvido.

Dimensões

Frequentemente, uma das características que determinam a escolha de um modelo específico de microcontrolador é a dimensão ou tipo de encapsulamento. Aqui, a diversidade da oferta da Microchip Technology é muito ampla: inclui modelos ultra-miniaturizados em encapsulamentos SOT23-6, circuitos com pinos localizados sob o corpo, minimizando a necessidade de espaço na PCB (VFQFN), bem como modelos "clássicos" THT em encapsulamentos DIP (passo padrão de 2,54 mm).

Funcionalidade

Independentemente das características externas, as características-chave dos microcontroladores de 8 bits permanecem, é claro, sua funcionalidade, ampla escolha de periféricos e baixo consumo de energia. A velocidade e a potência de processamento em si não desempenham um papel tão grande aqui – porque, em caso de realmente grande demanda, os projetistas ainda se voltarão para soluções de 32 bits. Vamos, então, ver quais possibilidades os circuitos com arquitetura muito mais simples nos oferecem.

Periféricos Independentes do Núcleo (CIP)

CIP é um grupo de periféricos que podem executar tarefas específicas em hardware, literalmente independentemente do núcleo. Isso permite que o microcontrolador reaja a eventos, gere sinais, realize operações temporais ou processe dados sem a participação ou com uma carga significativamente menor da unidade CPU. Isso também permite reduzir o consumo de energia e aumentar a previsibilidade temporal da aplicação. Nos microcontroladores PIC, o conceito de CIP é particularmente desenvolvido e inclui, entre outros, temporizadores, módulos PWM e elementos analógicos (mistos). Abordagem semelhante também ocorre nos microcontroladores AVR, onde funções autônomas são realizadas, entre outros, pelo Event System (transmissão de eventos entre periféricos sem a participação da CPU) e pela presença do bloco Configurable Custom Logic (CCL).

CLC ou Célula de Lógica Configurável

CLC é um bloco de lógica de hardware programável, permitindo que o projetista crie suas próprias funções lógicas dentro do microcontrolador. O CLC pode combinar sinais provenientes de entradas, temporizadores, PWM e outros periféricos e gerar sinais de saída específicos com base neles. Isso permite que parte das funções, que tradicionalmente exigiriam suporte de software, sejam realizadas em um nível de hardware muito baixo. As áreas potenciais de aplicação incluem, entre outros, a criação de circuitos lógicos simples, sincronização de sinais, controle de formas de onda e reação a eventos específicos. Esta solução está presente em microcontroladores PIC selecionados (sob o nome de Configurable Logic Cell – CLC) e AVR (aqui como Configurable Custom Logic, CCL).

Conversores A/C com funções matemáticas (ADCC)

ADCC significa Analog-to-Digital Converter with Computation, é uma versão expandida do conversor analógico-digital usado em microcontroladores PIC selecionados. Além da própria conversão de tensão analógica para valor digital, o módulo pode realizar operações adicionais nos resultados das medições (por exemplo, calcular a média dos resultados de várias amostras, realizar oversampling, comparar valores medidos com limites estabelecidos ou, finalmente, gerar eventos ou interrupções ao atender condições específicas sem a participação do núcleo). E novamente: isso permite reduzir o número de operações realizadas pela CPU e simplifica o programa, o que está associado, por exemplo, a um menor consumo de energia. O ADCC é particularmente útil em aplicações que exigem monitoramento contínuo de tensão (por exemplo, para suporte a sensores com saída analógica).

DMA

DMA (Direct Memory Access) permite a transferência direta de dados entre a memória e os periféricos sem envolver o núcleo. O controlador DMA pode, por exemplo, buscar dados do ADC e armazená-los na memória RAM ou em outro registro, ou transferir dados da memória para o módulo de comunicação. A CPU pode, nesse tempo, executar outras tarefas, o que aumenta a eficiência de todo o sistema. O DMA é particularmente importante em microcontroladores que realizam medições em tempo real, transmissão de dados ou suporte a vários periféricos simultaneamente.

Modos de baixo consumo de energia

Os microcontroladores da Microchip Technology são equipados com numerosos mecanismos que permitem reduzir o consumo de energia durante períodos de inatividade. Dependendo da família e do modelo, estão disponíveis diferentes modos de suspensão, nos quais o núcleo da CPU é interrompido, mas os periféricos selecionados podem continuar a operar. Após a ocorrência de um evento específico, como uma interrupção, sinal de temporizador ou mudança de estado de entrada, o microcontrolador pode ser despertado e retomar a execução do programa. Essa solução será especialmente importante em dispositivos alimentados por bateria: sensores, dispositivos portáteis e sistemas IoT. Os PIC e AVR modernos oferecem vários níveis de gerenciamento de energia, permitindo um compromisso entre consumo de corrente, tempo de despertar e alcance das funções periféricas ativas.

Interfaces de comunicação

Para concluir a revisão das funções, é importante destacar que os microcontroladores da Microchip Technology oferecem um conjunto muito amplo de interfaces de comunicação de hardware, especialmente seriais. As mais comumente usadas incluem UART/USART, SPI e I²C, utilizadas para troca rápida de dados com circuitos periféricos – sensores, memórias, etc. Dependendo da família, também estão disponíveis interfaces mais especializadas, como CAN ou USB. A implementação de hardware alivia a CPU e garante suporte mais rápido e otimizado em termos de energia para protocolos.

Microcontroladores PIC

Embora as diferenças nas capacidades dos microcontroladores AVR e PIC estejam gradualmente se esvaindo, a divisão em famílias distintas ainda permanece característica de cada um desses grupos de produtos. Vamos, então, ver como esse sortimento se configura em ambas as ofertas.

As famílias de microcontroladores PIC mais populares são PIC10, PIC12, PIC16 e PIC18. É importante notar que essa divisão não é sinônimo de uso de diferentes arquiteturas, mas sim define para qual segmento de produtos e alcance geral de aplicações o circuito será mais adequado. As famílias PIC12 e PIC16 são particularmente diversificadas, abrangendo várias gerações de produtos.

Grupo PIC10

Os circuitos PIC10 oferecem minimização de custos e dimensões. Eles incluem os menores microcontroladores PIC de 8 bits, destinados principalmente a funções de controle muito simples (geração de PWM simples, controle de LED multicolorido, variação do sinal de saída com base no modo/tempo de pressionamento de um botão em interfaces minimalistas). Nesta família, são característicos os pequenos encapsulamentos SMD, número reduzido de pinos, memória de programa limitada e, claro, baixo custo.

Microcontroladores PIC10

Grupo PIC12

Circuitos pequenos, mas mais funcionais estão entre os modelos PIC12. Ainda estamos lidando com número limitado de pinos/entradas e saídas (5 ou 6), mas os microcontroladores são acionados por relógios mais rápidos e possuem uma gama muito mais ampla de periféricos/interfaces, incluindo conversores A/C e C/A, temporizadores, geradores PWM, portas de comunicação de padrões populares. Com essa construção, os produtos serão suficientes para realizar funções simples: suporte a sensores alimentados por bateria com saída analógica, controle condicional de carga pequena, etc.

Microcontroladores PIC12

Grupo PIC16

O grupo mais extenso de microcontroladores PIC é o PIC16 – circuitos universais de 8 bits com um conjunto muito abrangente de periféricos. Esta família inclui tanto circuitos mais antigos quanto elementos mais avançados adaptados às exigências contemporâneas. Por exemplo, nas séries pertencentes a esse sortimento, a Microchip Technology frequentemente oferece soluções que utilizam a tecnologia Core Independent Peripherals. Além disso, é comum encontrar aqui soluções como células lógicas (CLC), osciladores controlados digitalmente (NCO), periféricos PWM avançados, CWG, ADC (com funções matemáticas, ou seja, ADCC), comparadores, DAC, amplificadores operacionais ou circuito de detecção de passagem por zero (ZCD).

Graças a isso, os próprios periféricos podem realizar muitas funções sem sobrecarregar permanentemente a CPU. O PIC16, portanto, constitui uma "classe média" universal de microcontroladores PIC de 8 bits. Eles são excelentes, por exemplo, como controladores de motores (usando PWM, ADC e blocos de controle de hardware), bem como na automação industrial, como circuitos centrais de muitos dispositivos simples, máquinas etc., em eletrodomésticos, em fontes de alimentação e conversores, ou como componentes de interface homem-máquina (HMI).

Microcontroladores PIC16

Grupo PIC18

A série PIC18 no sortimento de microcontroladores de 8 bits representa o mais alto desempenho, memória e capacidades de comunicação. Esses circuitos utilizam um conjunto de instruções separado de 16 bits e arquitetura otimizada para programação em linguagem C.

O PIC18 oferece os maiores recursos de memória e número de pinos entre os PICs de 8 bits, além dos periféricos mais avançados. Dependendo do modelo específico, estão disponíveis, entre outros, USB, CAN, Ethernet, LCD, DMA e blocos analógicos avançados. Essas capacidades permitem realizar por exemplo, controladores industriais com interface CAN/USB, exigindo maior memória e software mais complexo.

Microcontroladores PIC18

Microcontroladores AVR

As maiores famílias de produtos AVR ainda podem ser encontradas sob seus nomes tradicionais (ou muito próximos deles). E embora nem todas ainda estejam em desenvolvimento, a Microchip Technology ainda oferece suporte para elas e, em muitos casos, continua a produção dos circuitos.

Grupo AT90

AT90 é uma geração mais antiga de microcontroladores AVRRISC de 8 bits. Foi projetada para aplicações mais especializadas do que os microcontroladores mais universais das famílias ATTiny/ATmega. Atualmente, essas soluções são raramente usadas, mas ainda estão disponíveis tanto no portfólio da Microchip Technology quanto no sortimento e estoques da TME. A série tem atualmente importância principalmente como base para projetos comprovados e ainda utilizados (por exemplo, em alguns dispositivos de diagnóstico ou componentes automotivos). As séries mais conhecidas dentro dessa família são AT90CAN, AT90USB e AT90PWM.

Microcontroladores AT90

Grupo ATtiny

Por definição, os produtos ATtiny foram unidos pelo objetivo de máxima miniaturização e baixo consumo de energia (atualmente, essa característica é compartilhada pela maioria dos novos modelos oferecidos pelo fornecedor). Muitos circuitos ATtiny possuíam um número limitado de pinos, mas mantinham a arquitetura AVR. A Microchip Technology ainda desenvolve soluções desse grupo, mas agora são circuitos mais complexos e universais. Eles são projetados com aplicações relativamente simples em mente (por exemplo, interruptor inteligente).

Vale também mencionar que, atualmente, os circuitos ATtiny são mais comumente chamados de tinyAVR (séries 0, 1 e 2). Microcontroladores desse tipo são acionados por relógios de até 20 MHz, disponíveis em versões adaptadas para operar em uma ampla faixa de temperaturas (por exemplo, de -40°C a 125°C).

Nos modelos dessa família, uma funcionalidade popular são entradas com detecção de mudanças capacitivas do sensor colaborador para necessidades do PTC, ou seja, Peripheral Touch Controller, usado para realizar botões de toque. Essa tecnologia permite transformar quase qualquer superfície em um elemento de interface HMI.

Microcontroladores ATtiny

Grupo ATmega

ATmega é a família AVR mais universal e amplamente conhecida. Neste sortimento, é possível encontrar circuitos com capacidades muito diversificadas, faixa de parâmetros (frequência de relógio, capacidade de memória de programa, operacional, não volátil).

Esses microcontroladores são equipados, por padrão, com o conjunto mais amplo possível de periféricos de comunicação (principalmente interfaces seriais de hardware, como UART/USART, SPI, I²C), bem como componentes que facilitam a realização de circuitos de controle avançados: conversores A/C, temporizadores/contadores usados, entre outros, para gerar formas de onda quadradas, ou seja, PWM. Nos modelos mais recentes, também são encontrados relógios RTC e – cada vez mais – interfaces USB de hardware.

Em grande parte, os produtos ATmega devem sua popularidade aos entusiastas, que há anos utilizam esses circuitos em seus projetos: antigamente incorporando-os diretamente, atualmente mais frequentemente dentro da plataforma Arduino (o coração do Arduino Uno, as versões mais populares deste kit de desenvolvimento, são justamente os circuitos ATmega). Os projetistas recorrem frequentemente aos microcontroladores dessa família devido à ampla disponibilidade de bibliotecas, exemplos e suporte de uma enorme comunidade de usuários – no entanto, a funcionalidade expandida dos circuitos, constantemente aprimorada e desenvolvida com novos periféricos (descritos anteriormente), também tem uma importância significativa.

Microcontroladores ATmega

A Transfer Multisort Elektronik (TME) é um dos maiores distribuidores globais de componentes eletrônicos, peças eletrotécnicas, equipamentos de oficina e automação industrial. O catálogo inclui mais de 1.500.000 de produtos de 1.300 fabricantes líderes. Os modernos centros logísticos da TME em Łódź e Rzgów (Polónia), com uma área total superior a 40.000 m², enviam quase 6.000 pacotes diariamente para clientes em mais de 150 países.

A TME também investe no desenvolvimento do conhecimento e das competências de jovens engenheiros e entusiastas da eletrónica através do projeto TME Education e apoia a comunidade tecnológica organizando a série de eventos TechMasterEvent, promovendo a inovação e a troca de experiências.