Un microcontrolador és un xip de circuit integrat que integra un nucli de microprocessador, memòria, dispositius d'entrada/sortida i un rellotge, entre altres funcions. Posseeix potents capacitats d'informàtica i control i s'utilitza àmpliament en diversos dispositius electrònics, com ara electrodomèstics, electrònica d'automòbils, equips de comunicacions i automatització industrial.
L'estructura bàsica d'un microcontrolador consta dels components principals següents:
1. Nucli de microprocessador (CPU): el nucli d'un microcontrolador és un microprocessador, que s'encarrega d'executar instruccions, realitzar càlculs, controlar el flux de dades i gestionar els dispositius perifèrics. Els nuclis de microcontroladors comuns inclouen variants de 8-bit, 16 bits i 32 bits, com ara la sèrie Intel 8051 i la sèrie ARM Cortex-M.
2. Memòria: un microcontrolador conté diversos tipus de memòria utilitzada per emmagatzemar instruccions, dades i variables del programa. Aquests inclouen principalment la memòria del programa (ROM, Flash), la memòria de dades (RAM) i la memòria no-volàtil (EEPROM). La memòria de programa s'utilitza per emmagatzemar codi de programa i dades constants, mentre que la memòria de dades s'utilitza per emmagatzemar variables i dades durant l'execució del programa.
3. Dispositius d'entrada/sortida (I/O): els microcontroladors interactuen amb l'entorn extern mitjançant dispositius d'entrada i sortida. Els dispositius d'entrada habituals inclouen botons, interruptors i sensors, mentre que els dispositius de sortida inclouen LED, timbres i pantalles de cristall líquid (LCD). Els microcontroladors solen tenir diversos pins-d'entrada/sortida de propòsit general (GPIO) que es poden programar perquè funcionin com a entrades o sortides.
4. Circuit de rellotge: un microcontrolador requereix un senyal de rellotge estable per sincronitzar les seves operacions internes. El circuit de rellotge proporciona el senyal de rellotge utilitzat per controlar la velocitat de funcionament i el cicle de rellotge del nucli del microprocessador. Els circuits de rellotge comuns inclouen oscil·ladors de cristall i ressonadors de ceràmica.
5. Interrupcions externes: un microcontrolador pot rebre senyals externs, com els de botons o sensors, mitjançant disparadors d'interrupció externs. Quan s'activa una interrupció externa, el microcontrolador pot suspendre la seva tasca actual, executar una rutina de servei d'interrupció i gestionar l'esdeveniment extern.
6. Interfície de comunicació en sèrie: els microcontroladors solen incloure interfícies de comunicació en sèrie per intercanviar dades amb altres dispositius. Les interfícies de comunicació sèrie habituals inclouen UART (receptor universal asíncron-transmissor), SPI (interfície perifèrica sèrie) i I2C (circuit integrat-inter).
7. Temporització i control: un microcontrolador requereix un circuit de temporització i control per generar diversos senyals de control utilitzats per coordinar el funcionament dels seus diferents components. Els circuits de temporització i control inclouen generadors de temporització i circuits lògics de temporització.
L'anterior descriu l'estructura bàsica d'un microcontrolador. Tot i que hi pot haver lleugeres variacions entre diferents models i marques, l'estructura general segueix sent la mateixa. Les potents capacitats i la flexibilitat dels microcontroladors els converteixen en un component bàsic indispensable en el disseny de sistemes integrats.