Qual è la differenza tra microprocessori e microcontrollori?

Microprocessori e microcontroller sono chip per computer centralizzati che forniscono intelligenza a personal computer e dispositivi elettronici. Sono costruiti con circuiti integrati a semiconduttore e condividono alcune parti interne. 

Circuito integrato

Microprocessori e microcontroller sono entrambi componenti a semiconduttore costruiti su un circuito integrato. Un circuito integrato è un piccolissimo chip quadrato o rettangolare che contiene migliaia o addirittura milioni di componenti elettronici. I circuiti integrati consentono agli ingegneri di ridurre le dimensioni dei circuiti elettronici.

CPU

Sia i microprocessori che i microcontroller hanno una CPU. Una CPU è la parte centralizzata del chip per computer che elabora le istruzioni fornite dalle applicazioni o dal firmware. La CPU dispone inoltre di uno speciale modulo di unità logica e aritmetica (ALU). Un'ALU calcola valori matematici e valuta problemi logici in base alle istruzioni del computer. 

Registri

I registri sono moduli di memoria che la CPU utilizza per l'elaborazione. La CPU archivia temporaneamente le istruzioni o i dati binari prima, durante e dopo la loro elaborazione. Sebbene microprocessori e microcontroller siano entrambi provvisti di registri interni, i secondi hanno spesso più registri dei primi.

I microprocessori supportano operazioni di calcolo versatili su personal computer e server aziendali. D'altro canto, i microcontroller consentono ai sistemi embedded di analizzare gli input e rispondervi in tempo reale.

Quando sviluppano sistemi con microprocessori e microcontroller, gli ingegneri sono attenti a questo genere di differenze.

Velocità clock

I microprocessori forniscono capacità di calcolo affidabili e ad alta velocità per diverse applicazioni. Un processore per computer moderno opera nell'ordine dei gigahertz (GHz). Ciò consente a un sistema informatico di eseguire calcoli matematici complessi e restituire i risultati tempestivamente. 

Sebbene sia aumentata nel corso dei decenni, la velocità del microcontroller è molto inferiore alla velocità di elaborazione del microprocessore. A seconda dello scopo, la velocità di clock di un microcontroller varia dai kilohertz (kHz) a centinaia di megahertz (MHz). Nonostante l'ordine di velocità inferiore, un microcontroller può funzionare in modo ottimale nell'ambito di applicazione dedicato.

Dimensioni del circuito

Un microprocessore non può funzionare da solo. Si appoggia a parti esterne, come chip di comunicazione, porte I/O, RAM e ROM, per formare un sistema informatico completo. Pertanto, un circuito basato su microprocessore è costituito da un bus di indirizzi e dati che collega molte periferiche e chip di memoria. Anche con i progressi nella tecnologia dei circuiti stampati (PCB), un sistema a microprocessore richiede uno spazio considerevole.

Il microcontroller, d'altro canto, offre un design poco ingombrante con un circuito più semplice. La maggior parte dei componenti aggiuntivi necessari a un sistema basato su microprocessore sono facilmente disponibili sullo stesso chip. Nella progettazione di dispositivi elettronici, gli ingegneri utilizzano un singolo microcontroller, anziché componenti separati. In tal modo si ha più spazio sulla scheda elettronica e gli ingegneri possono produrre sistemi compatti. 

Consumo di energia

I microprocessori spesso funzionano a una velocità superiore rispetto ai microcontroller e consumano più energia, quindi richiedono un alimentatore esterno. In maniera analoga, un sistema informatico basato su un'unità a microprocessore ha un consumo energetico totale più elevato a causa del grande numero di componenti aggiuntivi. 

I microcontroller, invece, sono progettati per funzionare in modo efficiente con una potenza minima. Inoltre, la maggior parte dei microcontroller dispone di funzionalità di risparmio energetico che i microprocessori non hanno.

Ad esempio, un microcontroller può attivare la modalità di risparmio energetico e consumare meno energia quando non elabora dati. I microcontroller possono anche spegnere le periferiche interne non utilizzate per risparmiare energia. Ciò li rende ideali per creare un'applicazione dedicata a basso consumo che funzioni con l'alimentazione immagazzinata.

Sistema operativo

Nelle applicazioni pratiche, i microprocessori richiedono un sistema operativo per fornire le funzionalità appropriate. Senza un sistema operativo, gli utenti dovrebbero istruire il microprocessore in linguaggio assembly o binario.

Il funzionamento dei microcontroller, invece, non richiede un sistema operativo. Esistono, tuttavia, sistemi operativi specifici che aiutano i microcontroller di fascia media e alta a funzionare in modo più efficiente. 

Connettività

I microprocessori gestiscono tecnologie di comunicazione più diversificate rispetto ai microcontroller. Ad esempio, un microprocessore elabora dati USB 3.0 o Gigabit Ethernet ad alta velocità senza un processore secondario.

Viceversa, la maggior parte dei microcontroller necessita di un processore speciale per la connettività dei dati ad alta velocità. 

Costo

Un circuito integrato a microprocessore è costituito solo da CPU, unità logica e aritmetica (ALU) e registri, il che riduce il costo di produzione per unità. D'altro canto, un singolo microcontroller ha un'architettura interna più complessa ed è generalmente più costoso di un microprocessore.

Tuttavia, un sistema basato su microprocessore è più costoso in quanto richiede componenti aggiuntivi. Un microcontroller, invece, è autosufficiente per l'applicazione di destinazione.

Il microcontroller richiede meno componenti aggiuntivi, il che significa che i sistemi basati su microcontroller sono più economici. Ad esempio, il circuito stampato di un condizionatore d'aria con un microcontroller costa meno della scheda madre di un computer con microprocessori. 

	Microprocessore	Microcontroller
Memoria	Richiede memoria e archiviazione di dati esterne.	Moduli di memoria su chip (ROM, RAM).
Periferiche	Necessita di parti aggiuntive. Collegamento con il bus esterno.	Periferiche su chip (timer, porte I/O, convertitore di segnale).
Capacità computazionale	Capace di svolgere attività di calcolo complesse.	Limitata alla logica dell'applicazione specifica.
Velocità clock	Molto veloce. Nell'ordine dei GHz.	Veloce ma più lento dei microprocessori. Nell'ordine da kHz a MHz.
Consumo di energia	Consumo di energia elevato. Modalità di risparmio energetico non disponibile.	Consuma una potenza minima. Modalità di risparmio energetico integrate.
Sistema operativo	Richiede sistemi operativi.	Il sistema operativo è opzionale per alcuni microcontroller.
Connettività	Gestisce il trasferimento di dati ad alta velocità. Supporta USB 3.0 e Gigabit Ethernet.	Supporta comunicazioni a velocità da bassa a moderata. Serial Peripheral Interface (SPI) e I²C. Ricevitore-trasmettitore asincrono universale (UART).
Costo	Costoso a causa dei componenti aggiuntivi.	Più economico perché un singolo circuito integrato offre molteplici funzionalità.
Caso d'uso	Per calcolo generico o sistemi che richiedono una capacità di calcolo affidabile.	Per sistemi compatti, alimentati a batteria o dispositivi di elaborazione logica.