La programmazione dei microcontrollori è una procedura fondamentale nel campo dello sviluppo dei sistemi embedded. Questo articolo vuole essere una panoramica sulla programmazione dei microcontrollori, rivolta a piattaforme, linguaggi di programmazione, strumenti e tecniche. Acquisendo competenza nella programmazione dei microcontrollori, si raggiunge la capacità di progettare e sviluppare vari dispositivi embedded, e creare soluzioni innovative per affrontare problemi del mondo reale.
Introduzione
Un microcontrollore è un circuito integrato compatto progettato per eseguire attività specifiche all'interno di un sistema embedded. In genere, è costituito da un processore, memoria e periferiche I/O (input/output) che lavorano insieme per controllare ed eseguire attività. Un singolo microprocessore ha la maggior parte dei requisiti dei componenti di sistema embedded integrati. A differenza dei microprocessori che sono dispositivi generici di elaborazione, i microcontrollori sono progettati per applicazioni specifiche e possono essere implementati in un'ampia gamma di dispositivi. Le applicazioni più diffuse includono elettrodomestici, computer, apparecchiature mediche e sistemi automotive.
I microcontrollori hanno diversi vantaggi rispetto ai microprocessori, come un consumo energetico inferiore, dimensioni più piccole e costi inferiori, sono anche più facili da programmare e possono essere personalizzati per attività specifiche, il che li rende ideali per varie applicazioni. Più avanti nell’articolo, esploreremo le piattaforme di microcontrollori più diffuse, i linguaggi di programmazione, gli strumenti e le tecniche per acquisire dimestichezza nella programmazione dei microcontrollori.
La programmazione dei microcontrollori implica la scrittura di software che consente ai microcontrollori di controllare ed eseguire attività all'interno di un sistema embedded. Si tratta di un sistema informatico integrato in un dispositivo o prodotto per eseguire funzioni specifiche. I componenti di un sistema embedded includono in genere un microcontrollore, memoria, interfacce di input/output, alimentatore, clock in tempo reale, convertitori analogico-digitali e digitale-analogici, periferiche, ecc. Con l'evoluzione della tecnologia, la programmazione dei microcontrollori svolge un ruolo sempre più importante in vari settori, tra cui IoT, robotica industriale, automazione, elettronica di consumo, automotive e applicazioni per la produzione industriale.
I microcontrollori più popolari
Quando si tratta di programmazione di microcontrollori, sono disponibili diverse piattaforme con caratteristiche e capacità uniche. Di seguito, descriveremo alcune delle piattaforme di microcontrollori più popolari: Arduino, Raspberry Pi, STM32, PIC e AVR. In questa panoramica non sono stati inclusi i microcontrollori della famiglia ESP prodotti dalla Espressif Systems a cui prossimamente dedicheremo un intero articolo.
La piattaforma di microcontrollori Arduino
La piattaforma Arduino è una delle scelte più diffuse per la programmazione di microcontrollori grazie alla sua interfaccia intuitiva e all'ampio supporto della comunità. Arduino è stato introdotto per la prima volta nel 2005 ed è diventato una piattaforma di riferimento per aspiranti ingegneri elettronici, hobbisti e professionisti. La piattaforma offre una varietà di schede con diverse caratteristiche e capacità, rendendola adatta ad un'ampia gamma di progetti elettronici che coinvolgono sensori, controllo del movimento, LED, ecc. Alcuni dei vantaggi dell'utilizzo di Arduino per una scheda di sviluppo di microcontrollori includono la sua natura open source, l'ampio supporto della libreria, l'ambiente IDE e la facilità d'uso. Tuttavia, le schede Arduino potrebbero non essere adatte a tutte le applicazioni a causa della loro limitata potenza di elaborazione e archiviazione di memoria.
La Figura 1 illustra una scheda Arduino.
Figura 1: Una scheda Arduino
La piattaforma di microcontrollori Raspberry Pi
La piattaforma Raspberry Pi è un'altra scelta popolare per la programmazione di microcontrollori, nota per la sua versatilità e le potenti capacità di elaborazione. Lanciato nel 2012, il Raspberry Pi è stato inizialmente progettato come un computer conveniente per scopi didattici, ma da allora si è evoluto in una piattaforma ampiamente utilizzata per lo sviluppo di sistemi embedded.
I vantaggi di questa piattaforma includono le sue potenti capacità di elaborazione ed il vasto supporto della comunità. Raspberry Pi ha un proprio sistema operativo noto come "Raspbian" basato sulla distribuzione Linux ed un programma di installazione per "Pi-apps". Tuttavia, le schede Raspberry Pi potrebbero essere più impegnative per i principianti a causa della loro complessità, limitazione di archiviazione e consumo energetico più elevato rispetto ad altre piattaforme di microcontrollori.
In Figura 2 è riportata l’immagine di una scheda Raspberry Pi.
Figura 2: Una scheda Raspberry Pi
La piattaforma di microcontrollori STM32
La piattaforma STM32 è una famiglia di microcontrollori sviluppata da STMicroelectronics. È nota per i suoi microcontrollori ad alte prestazioni, che offrono una gamma di funzionalità e capacità adatte a varie applicazioni come stampanti e circuiti stampati complessi. La piattaforma STM32 è stata introdotta per la prima volta nel 2007 e da allora è diventata popolare tra ingegneri, professionisti e hobbisti.
Alcuni dei vantaggi dell'utilizzo di STM32 per la programmazione di microcontrollori includono la sua elevata potenza di elaborazione, l'efficienza energetica e l'ampio supporto periferico. Tuttavia, l’apprendimento della piattaforma STM32 potrebbe essere più impegnativo rispetto ad Arduino e Raspberry Pi, rendendo più difficoltoso il suo utilizzo per i principianti.
La Figura 3 riporta il microcontrollore STM32.
Figura 3: Un microcontrollore STM32
La piattaforma di microcontrollori PIC
Sviluppata da Microchip Technology, la piattaforma PIC è una famiglia di microcontrollori ampiamente utilizzata nei sistemi embedded da decenni. Introdotti per la prima volta nei primi anni '80, i microcontrollori PIC sono noti per la loro semplicità e il basso costo, il che li rende una scelta popolare per varie applicazioni di sistemi embedded. I vantaggi dell'utilizzo dei PIC per la programmazione di microcontrollori includono la facilità d'uso e l'ampio supporto della comunità. Tuttavia, i microcontrollori PIC sono meno adatti per applicazioni complesse a causa della limitata potenza di elaborazione e memoria rispetto ad altre piattaforme.
La Figura 4 riporta un esempio di microcontrollore PIC.
Figura 4: Un microcontrollore PIC
La piattaforma di microcontrollori AVR
Il microcontrollore AVR è stato sviluppato da ATMEL nel 1996 (acquisita da Microchip nel 2016) per supportare un'ampia gamma di applicazioni hardware. Questi microcontrollori a 8 bit hanno un'architettura Harvard modificata, un set di istruzioni ridotto, una EEPROM per l'archiviazione semipermanente e un compilatore AVR GCC. I microcontrollori AVR sono la scelta migliore per hobbisti e ingegneri per eseguire progetti firmware e hardware con facilità. Le prestazioni dei microcontrollori AVR includono timer a 8 e 16 bit, oscillatori interni, ADC e DAC a 10-12 bit, ecc. Ma i microcontrollori AVR hanno una velocità di clock ridotta che va da 0 a 20 MHz, a fronte di un funzionamento a basso consumo.
In Figura 5 è riportato un microcontrollore AVR.
Figura 5: Un microcontrollore AVR
Linguaggi di programmazione
Quando si tratta di programmazione dei microcontrollori, ci sono diversi linguaggi di programmazione tra cui scegliere. Ogni linguaggio di programmazione per microcontrollori ha caratteristiche, complessità e vantaggi unici. Di seguito, analizzeremo alcuni dei linguaggi di programmazione più diffusi come C e C++, Python e il linguaggio Assembly.
Linguaggio C e C++
C e C++ sono linguaggi comunemente utilizzati per la programmazione di microcontrollori grazie all’accesso di basso livello all'hardware e alle elevate prestazioni. Questi linguaggi sono ampiamente impiegati nello sviluppo di sistemi embedded e dispongono di una gamma di funzionalità e librerie che li rendono adatti a varie applicazioni. Contrariamente a quanto si crede, C e C++ sono due linguaggi diversi per la programmazione di microcontrollori.
I vantaggi dell'utilizzo di C e C++ per la programmazione di microcontrollori sono praticamente gli stessi, ovvero elevate prestazioni, ampio supporto di librerie e compatibilità con varie piattaforme di microcontrollori. Tuttavia, i linguaggi C e C++ possono essere più difficili da imparare e utilizzare rispetto ad altri linguaggi come Python, questo perché il loro codice è troppo lungo per essere eseguito dal compilatore.
Linguaggio Python
Python sta diventando sempre più diffuso per la programmazione dei microcontrollori grazie alla sua semplicità e facilità d'uso. Sebbene non sia tradizionalmente utilizzato per i sistemi embedded, Python ha guadagnato terreno negli ultimi anni per lo sviluppo di applicazioni in tempo reale basate sui microcontrollori. Sistemi software come MicroPython sono compatibili con Python 3 e sono ampiamente utilizzati per controllare firmware e dispositivi hardware. “Embedded Python” è un altro linguaggio di programmazione utilizzato nei sistemi embedded.
I vantaggi dell'utilizzo di Python per la programmazione dei microcontrollori includono le capacità di gestione degli errori, semplicità, facilità d'uso, elevata leggibilità, bassa manutenzione e ampio supporto di librerie. Python potrebbe non essere performante quanto C/C++ e potrebbe non essere adatto per applicazioni che richiedono in particolare un accesso hardware di basso livello o prestazioni elevate.
Linguaggio Assembly
Il linguaggio Assembly (in italiano si usa chiamarlo “Assembler”) è un linguaggio di programmazione di basso livello (linguaggio macchina) utilizzato per la programmazione di microcontrollori in determinate situazioni per istruzioni a livello di macchina. Fornisce accesso diretto alla CPU e all'hardware, consentendo agli sviluppatori di scrivere codice altamente ottimizzato per applicazioni specifiche. Sebbene il linguaggio Assembly possa essere difficile da apprendere e utilizzare, consente un controllo senza pari sull'hardware e può essere utile per determinati microcontrollori legacy come 8051.
I vantaggi dell'utilizzo del linguaggio di programmazione Assembly includono le elevate prestazioni e l'accesso diretto all'hardware. L’Assembly può essere difficile da apprendere e utilizzare a causa dei codici esadecimali e binari. Uno degli svantaggi è che linguaggi di livello superiore come C/C++ e Python possono ottenere risultati simili con una complessità di programmazione inferiore.
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