Architecture d'un microcontrôleur

• Identifier les principaux blocs fonctionnels d'un microcontrôleur.
• Comprendre le rôle de chaque bloc dans le traitement de l'information.
• Relier cette architecture à des applications concrètes de l'embarqué.

Le cerveau et la mémoire : UC et mémoires

Au centre du microcontrôleur se trouve l'Unité Centrale (UC ou CPU), souvent basée sur une architecture simple comme ARM ou AVR. C'est le cerveau qui exécute les instructions du programme, une par une, à une cadence donnée par l'horloge (en MHz). Pour fonctionner, l'UC a besoin de mémoires. La mémoire Flash (non volatile) stocke le programme que vous téléchargez, même lorsque l'alimentation est coupée. C'est comme la carte SD de votre console. La mémoire RAM (volatile) est l'espace de travail rapide où sont stockées temporairement les variables du programme (comme le score dans un jeu). Enfin, la mémoire EEPROM est une petite zone non volatile pour sauvegarder des paramètres (comme le meilleur score) de manière durable. Sur une carte Arduino Uno, la Flash fait 32 Ko, la RAM 2 Ko et l'EEPROM 1 Ko : on travaille avec des ressources très limitées !

Les sens et les actions : Entrées/Sorties et périphériques

Un microcontrôleur ne serait rien sans ses interfaces avec le monde extérieur. Les broches d'Entrées/Sorties (E/S ou GPIO) sont ses points de contact. Elles peuvent être configurées en entrée pour lire l'état d'un bouton-poussoir ou la tension d'un capteur (ex: luminosité). En sortie, elles peuvent allumer une LED, activer un moteur ou émettre un son via un buzzer. Pour communiquer avec d'autres composants, le microcontrôleur intègre des périphériques de communication série : l'UART (pour dialoguer avec un module Bluetooth), le SPI (très rapide, pour un écran) et l'I2C (pour connecter plusieurs capteurs sur les mêmes fils). Un autre périphérique essentiel est le Convertisseur Analogique-Numérique (CAN ou ADC). Il transforme une tension analogique continue (comme celle d'un potentiomètre) en une valeur numérique que l'UC peut traiter. Enfin, les timers/compteurs permettent de générer des signaux précis (pour faire clignoter une LED à une fréquence donnée) ou de mesurer des durées.

Applications pratiques

Prenons l'exemple d'un petit robot suiveur de ligne. Le programme est stocké dans la Flash. L'UC le lit et l'exécute. Deux capteurs infrarouges, connectés à des broches d'entrée, lisent la réflexion de la lumière sur le sol. Leurs signaux analogiques sont convertis en numérique par le CAN. L'UC analyse ces valeurs dans sa RAM pour décider de la direction. Elle utilise ensuite des broches de sortie, via un pont en H (un amplificateur), pour contrôler la vitesse et le sens de rotation des deux moteurs. Un timer pourrait être utilisé pour faire avancer le robot pendant une durée précise. Autre exemple : une station météo. Un capteur de température/humidité communique via I2C. Les données sont traitées et affichées sur un écran LCD connecté en SPI. Si la température dépasse un seuil, une sortie active un ventilateur. L'EEPROM pourrait stocker les seuils d'alerte.