Microcontrôleurs 8 bits de la marque Microchip Technology

Les microcontrôleurs sont devenus un élément indispensable des appareils électroniques – aujourd'hui, il est difficile de trouver des circuits dépourvus de quelque type de circuits programmables. Microchip Technology a accompagné cette révolution depuis le début, et les circuits 8 bits de cette marque sont disponibles même aujourd'hui.

L'architecture 8 bits des microcontrôleurs est aujourd'hui une limitation secondaire, car les circuits modernes sont équipés d'interfaces et de périphériques avancés qui élargissent la fonctionnalité des circuits bien au-delà de ce qui était possible il y a deux ou trois décennies. De plus, de nombreux appareils ne nécessitent tout simplement pas la fonctionnalité avancée offerte par les unités 32 bits. En outre, les capacités limitées des microcontrôleurs classiques deviennent un atout dans le contexte des préoccupations croissantes concernant la sécurité de nos données et de nos réseaux locaux.

Dans le catalogue TME, l'offre de microcontrôleurs Microchip Technology comprend environ 10 000 références. Bien sûr, il serait difficile de décrire la fonctionnalité de tous ces circuits dans un seul article – cependant, nous pouvons ici attirer l'attention sur leurs caractéristiques générales et présenter globalement les capacités de cet assortiment. Cela aidera non seulement à connaître l'offre de Microchip Technology, mais aussi à comprendre pourquoi les solutions du fabricant sont toujours parmi les plus populaires au monde.

Microcontrôleurs 8 bits Microchip Technology

Dans cet article, nous abordons des sujets tels que :

• Contexte historique de la division entre les microcontrôleurs AVR et PIC
• Environnement MPLAB X
• Circuits Microchip Technology ultra-miniaturisés
• Aperçu des principales technologies utilisées par Microchip Technology
• Principaux groupes de produits au sein de la famille PIC
• Spécifications et domaines d'application des microcontrôleurs ATmega et ATtiny

Division de l'offre Microchip Technology en circuits PIC et AVR

La division du portefeuille Microchip Technology en circuits PIC et AVR a, bien sûr, une origine historique. Microchip Technology a acquis l'assortiment de son concurrent de longue date, la marque Atmel. Étant donné que les solutions de ce dernier jouissaient d'une reconnaissance internationale, elles ont été conservées dans le catalogue et continuent d'être développées – cependant, actuellement, la direction du développement AVR est déjà étroitement liée aux changements que nous pouvons observer parmi les PIC. En conséquence, sous la marque Microchip Technology, nous trouvons deux groupes de produits légèrement différents, mais caractérisés par des caractéristiques similaires, voire identiques dans certains domaines.

Dans ce texte, nous nous concentrons sur l'offre globale de Microchip Technology, et nous ne mettrons donc pas l'accent sur la recherche des différences entre l'offre AVR et PIC – nous attirerons seulement l'attention sur les familles de produits présentes dans ces deux groupes.

Programmation

L'environnement de développement principal pour les familles AVR/PIC est actuellement le logiciel gratuit MPLAB X IDE. Il permet de créer du code, de programmer et de déboguer. Un complément indispensable est le MPLAB Code Configurator (MCC), également gratuit, disponible sous forme de plugin. C'est un outil pour configurer les ressources du microcontrôleur sélectionné à l'aide d'un environnement graphique et pour générer automatiquement du code d'initialisation et des pilotes. Pour la programmation en langage C, Microchip Technology propose un compilateur MPLAB XC8 gratuit et entièrement fonctionnel, destiné aux circuits 8 bits PIC et AVR. Dans le cas des AVR, il est toujours possible d'utiliser l'environnement classique AVR-GCC, disponible dans divers outils et environnements de développement. Le fabricant propose également (bien qu'il ne le recommande pas !) l'environnement Microchip Technology Studio, issu d'Atmel Studio. Il convient de noter que le fabricant intègre actuellement très intensément l'environnement MPLAB X avec l'éditeur Visual Studio Code. Ainsi, le développeur peut travailler en utilisant cet outil universel mais, grâce au package Microchip Technology Extensions for VS Code, créer des logiciels pour les circuits PIC/AVR en utilisant des ressources telles que :

• le compilateur MPLAB XC8
• l'assistant de programmation virtuel (MPLAB AI Code Assistant)
• d'autres outils MPLAB (y compris MPLAB Code Configurator et MPLAB Data Visualizer)
• importer dans l'éditeur VS Code des projets antérieurs développés dans l'environnement natif MPLAB X.

Microchip Technology oriente de plus en plus clairement les utilisateurs vers MPLAB Tools for VS Code comme plateforme préférée et future. En même temps, MPLAB X continue d'être développé.

Dimensions

Souvent, l'une des caractéristiques qui déterminent le choix d'un modèle spécifique de microcontrôleur est la dimension ou le type de son boîtier. Ici, la diversité de l'offre Microchip Technology est très large : elle comprend des modèles ultra-miniaturisés dans des boîtiers SOT23-6, des circuits avec des broches placées sous le corps, minimisant l'encombrement sur le PCB (VFQFN), ainsi que des modèles classiques THT dans des boîtiers DIP (pas standard de 2,54 mm).

Fonctionnalité

Indépendamment des caractéristiques externes, les caractéristiques clés des microcontrôleurs 8 bits restent, bien sûr, leur fonctionnalité, un large choix de périphériques et une faible consommation d'énergie. La vitesse et la puissance de calcul ne jouent pas ici un rôle aussi important – car en cas de besoin vraiment important, les concepteurs se tourneront de toute façon vers des solutions 32 bits. Voyons donc quelles possibilités nous offrent les circuits à l'architecture beaucoup plus simple.

Périphériques indépendants du cœur (CIP)

CIP est un groupe de périphériques qui peuvent effectuer certaines tâches matériellement, littéralement indépendamment du cœur. Grâce à cela, le microcontrôleur peut réagir aux événements, générer des signaux, réaliser des opérations temporelles ou traiter des données sans la participation ou avec une charge beaucoup plus faible de l'unité CPU. Cela permet également de réduire la consommation d'énergie et d'augmenter la prévisibilité temporelle du fonctionnement de l'application. Dans les microcontrôleurs PIC, le concept de CIP est particulièrement développé et comprend notamment des minuteries, des modules PWM et des éléments analogiques (mixtes). Une approche similaire se retrouve également dans les microcontrôleurs AVR, où les fonctions autonomes sont réalisées notamment par le système d'événements (transmission matérielle d'événements entre les périphériques sans la participation du CPU) et la présence du bloc Configurable Custom Logic (CCL).

CLC ou Cellule de logique configurable

CLC est un bloc de logique matérielle programmable, permettant au concepteur de créer ses propres fonctions logiques à l'intérieur du microcontrôleur. CLC peut combiner des signaux provenant d'entrées, de minuteries, de PWM et d'autres périphériques et générer sur leur base des signaux de sortie spécifiques. Grâce à cela, certaines fonctions qui nécessiteraient traditionnellement une gestion logicielle peuvent être réalisées à un niveau matériel très bas. Les domaines d'application potentiels incluent notamment la création de circuits logiques simples, la synchronisation des signaux, le contrôle des formes d'onde et la réaction à des événements spécifiques. Cette solution est présente dans certains microcontrôleurs PIC (sous le nom de Configurable Logic Cell – CLC) et AVR (ici sous le nom de Configurable Custom Logic, CCL).

Convertisseurs A/C avec fonctions mathématiques (ADCC)

ADCC signifie Analog-to-Digital Converter with Computation, c'est une version étendue du convertisseur analogique-numérique utilisée dans certains microcontrôleurs PIC. En plus de la conversion de la tension analogique en valeur numérique, le module peut effectuer des opérations supplémentaires sur les résultats des mesures (par exemple, moyenner les résultats des mesures de plusieurs échantillons, réaliser un suréchantillonnage, comparer les valeurs mesurées avec des seuils définis, ou enfin générer des événements ou des interruptions lorsque certaines conditions sont remplies sans la participation du cœur). Et encore une fois : cela permet de réduire le nombre d'opérations effectuées par le CPU et simplifie le programme, ce qui est lié par exemple à une consommation d'énergie réduite. ADCC est particulièrement utile dans les applications nécessitant une surveillance continue de la tension (par exemple pour la gestion de capteurs avec sortie analogique).

DMA

DMA (Direct Memory Access) permet le transfert direct de données entre la mémoire et les périphériques sans impliquer le cœur. Le contrôleur DMA peut par exemple récupérer des données de l'ADC et les enregistrer dans la mémoire RAM ou un autre registre, ou transférer des données de la mémoire vers un module de communication. Le CPU peut pendant ce temps effectuer d'autres tâches, ce qui augmente l'efficacité de l'ensemble du système. DMA est particulièrement important dans les microcontrôleurs réalisant des mesures en temps réel, la transmission de données ou la gestion de plusieurs périphériques simultanément.

Modes de faible consommation d'énergie

Les microcontrôleurs Microchip Technology sont équipés de nombreux mécanismes permettant de réduire la consommation d'énergie pendant les périodes d'inactivité. Selon la famille et le modèle, différents modes de veille sont disponibles, dans lesquels le cœur CPU est arrêté, mais certains périphériques peuvent continuer à fonctionner. Lorsqu'un événement spécifique se produit, par exemple une interruption, un signal de minuterie ou un changement d'état d'entrée, le microcontrôleur peut être réveillé et reprendre l'exécution du programme. Cette solution est particulièrement importante dans les appareils alimentés par batterie : capteurs, appareils portables et systèmes IoT. Les PIC et AVR modernes offrent plusieurs niveaux de gestion de l'énergie, permettant un compromis entre la consommation de courant, le temps de réveil et l'étendue des fonctions périphériques actives.

Interfaces de communication

Pour conclure cet aperçu des fonctionnalités, il convient de souligner que les microcontrôleurs Microchip Technology offrent un très large éventail d'interfaces de communication matérielles, en particulier sérielles. Les plus couramment utilisées incluent UART/USART, SPI et I²C, utilisées pour l'échange rapide de données avec des circuits périphériques – capteurs, mémoires, etc. Selon la famille, des interfaces plus spécialisées, telles que CAN ou USB, sont également disponibles. L'implémentation matérielle décharge le CPU et assure une gestion plus rapide et optimisée en termes d'énergie des protocoles.

Microcontrôleurs PIC

Bien que les différences dans les capacités des microcontrôleurs AVR et PIC s'estompent progressivement, la division en familles spécifiques reste caractéristique de chacun de ces groupes de produits. Voyons donc comment cet assortiment se présente dans les deux offres.

Les familles de microcontrôleurs PIC les plus populaires sont PIC10, PIC12, PIC16 et PIC18. Il convient de noter que cette division n'est pas synonyme de l'utilisation de différentes architectures, mais plutôt de déterminer à quel segment de produits et à quel champ d'application général le circuit sera le plus approprié. Les familles PIC12 et PIC16 sont particulièrement diversifiées, comprenant plusieurs générations de produits.

Groupe PIC10

Les circuits PIC10 offrent une minimisation des coûts et des dimensions. Ils comprennent les plus petits microcontrôleurs PIC 8 bits, principalement destinés à des fonctions de contrôle très simples (génération de PWM simple, gestion de LED multicolores, différenciation du signal de sortie en fonction de la manière/durée de pression d'un bouton dans des interfaces minimalistes). Dans ce groupe, les petits boîtiers SMD, le nombre limité de broches, la mémoire programme restreinte et, bien sûr, le faible coût sont caractéristiques.

Microcontrôleurs PIC10

Groupe PIC12

Des circuits plus fonctionnels mais toujours compacts se trouvent parmi les modèles PIC12. Nous avons toujours affaire à un nombre limité de broches/entrées-sorties (5 ou 6), mais les microcontrôleurs sont cadencés par des horloges plus rapides et disposent d'un éventail beaucoup plus large de périphériques/interfaces, y compris des convertisseurs A/C et C/A, des minuteries, des générateurs PWM, des ports de communication des standards populaires. Grâce à cette construction, les produits seront suffisants pour réaliser des fonctions simples : gestion de capteurs alimentés par batterie avec sortie analogique, contrôle conditionnel de petites charges, etc.

Microcontrôleurs PIC12

Groupe PIC16

Le groupe le plus vaste de microcontrôleurs PIC est le PIC16 – circuits 8 bits universels avec un ensemble de périphériques très développé. Cette famille comprend à la fois des circuits plus anciens et des éléments plus avancés adaptés aux exigences contemporaines. Par exemple : dans les séries appartenant à cet assortiment, Microchip Technology propose souvent des solutions utilisant la technologie Core Independent Peripherals. De plus, on y trouve généralement des solutions telles que des cellules logiques (CLC), des oscillateurs contrôlés numériquement (NCO), des périphériques PWM avancés, CWG, ADC (avec fonctions mathématiques, c'est-à-dire ADCC), des comparateurs, des DAC, des amplificateurs opérationnels ou des circuits de détection de passage par zéro (ZCD).

Grâce à cela, les périphériques eux-mêmes peuvent déjà réaliser de nombreuses fonctions sans charge permanente du CPU. Le PIC16 constitue donc une "classe moyenne" universelle des microcontrôleurs PIC 8 bits. Ils se prêtent parfaitement, entre autres, comme contrôleurs de moteurs (en utilisant PWM, ADC et des blocs de contrôle matériels), ainsi que dans l'automatisation industrielle, comme circuits centraux de nombreux appareils simples, machines, etc., dans les appareils électroménagers, dans les alimentations et convertisseurs, ou comme composants d'interface homme-machine (HMI).

Microcontrôleurs PIC16

Groupe PIC18

La série PIC18 dans l'assortiment des microcontrôleurs 8 bits représente les performances, la mémoire et les capacités de communication les plus élevées. Ces circuits utilisent un ensemble d'instructions 16 bits distinct et une architecture optimisée pour la programmation en langage C.

Le PIC18 offre les plus grandes ressources de mémoire et le plus grand nombre de broches parmi les PIC 8 bits ainsi que les périphériques les plus développés. Selon le modèle spécifique, on y trouve notamment USB, CAN, Ethernet, LCD, DMA et des blocs analogiques avancés. Ces capacités permettent de réaliser par exemple des contrôleurs industriels avec interface CAN/USB, nécessitant plus de mémoire et un logiciel plus complexe.

Microcontrôleurs PIC18

Microcontrôleurs AVR

Les plus grandes familles de produits AVR se trouvent toujours sous leurs noms traditionnels (ou très proches). Et bien que toutes ne soient pas encore développées, Microchip Technology continue de les soutenir, et dans de nombreux cas – poursuit la production des circuits.

Groupe AT90

AT90 est une génération plus ancienne de microcontrôleurs AVR 8 bits RISC. Elle a été conçue pour des applications plus spécialisées que les microcontrôleurs plus universels des familles ATTiny/ATmega. Actuellement, ces solutions sont rarement utilisées, mais elles sont toujours disponibles à la fois dans le portefeuille de Microchip Technology et dans l'assortiment et les stocks de TME. La série a actuellement une importance principalement en tant que base de projets éprouvés et toujours utilisés (par exemple dans certains appareils de diagnostic ou composants dans le domaine de l'automobile). Les séries les plus connues au sein de cette famille sont AT90CAN, AT90USB et AT90PWM.

Microcontrôleurs AT90

Groupe ATtiny

Les produits ATtiny étaient initialement conçus pour une miniaturisation maximale et une faible consommation d'énergie (caractéristique désormais partagée par la plupart des nouveaux modèles proposés par le fournisseur). De nombreux circuits ATtiny avaient un nombre limité de broches, mais conservaient l'architecture AVR. Microchip Technology continue de développer des solutions dans ce groupe, mais ce sont maintenant des circuits plus complexes et universels. Ils sont conçus pour des applications relativement simples (par exemple, un interrupteur intelligent).

Il convient également de mentionner qu'aujourd'hui, les circuits ATtiny sont plutôt appelés tinyAVR (séries 0, 1 et 2). Ces microcontrôleurs sont cadencés à des fréquences allant jusqu'à 20 MHz, et sont disponibles en versions adaptées à un très large éventail de températures (par exemple, de -40°C à 125°C).

Dans les modèles de cette famille, une fonctionnalité populaire est les entrées avec détection des changements capacitifs du capteur associé pour les besoins du PTC, c'est-à-dire le Peripheral Touch Controller, utilisé pour réaliser des boutons tactiles. Cette technologie permet de transformer presque n'importe quelle surface en élément d'interface HMI.

Microcontrôleurs ATtiny

Groupe ATmega

ATmega est la famille AVR la plus universelle et largement connue. Dans cet assortiment, on trouve des circuits aux capacités très variées, en termes de paramètres (fréquence d'horloge, capacité de mémoire programme, opérationnelle, non volatile).

Ces microcontrôleurs sont généralement équipés du plus large éventail possible de périphériques de communication (principalement des interfaces série matérielles, telles que UART/USART, SPI, I²C), ainsi que de composants facilitant la réalisation de circuits de commande avancés : convertisseurs A/C, minuteries/compteurs servant notamment à générer des formes d'onde carrées, c'est-à-dire PWM. Dans les modèles plus récents, on trouve également des horloges RTC et – de plus en plus souvent – des interfaces USB matérielles.

Dans une large mesure, les produits ATmega doivent leur popularité aux amateurs, qui utilisent ces circuits dans leurs projets depuis des années : autrefois en les intégrant directement, aujourd'hui plus souvent dans le cadre de la plateforme Arduino (le cœur de l'Arduino Uno, les versions les plus populaires de ce kit de développement, sont justement les circuits ATmega). Les concepteurs se tournent volontiers vers les microcontrôleurs de cette famille en raison de la large disponibilité des bibliothèques, des exemples et du soutien d'une immense communauté d'utilisateurs – cependant, la fonctionnalité étendue des circuits, constamment améliorée et développée avec de nouveaux périphériques (décrits précédemment), a également une importance considérable.

Microcontrôleurs ATmega

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