Electronique - Les microcontrôleurs 8 bits

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Les microcontrôleurs 8 bits
Le marché traverse les années avec une surprenante sérénité. De plus en plus de puces utilisées, des prix en baisse : la recette pour un avenir assuré. Les fabricants savent habilement faire évoluer leurs produits pour des concepteurs système, qui répondent avec des solutions toujours plus innovatrices dans un nombre croissant d'applications de contrôle.

Hélène Trézéguet , Electronique Mensuel, le 19/02/2007 à 07h00

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	Sommaire du dossier
	Les microcontrôleurs 8 bits
	Penser coût global et évolutivité

Presque trentenaire, le microcontrôleur 8 bits est pourtant un produit très moderne par son concept de système sur puce (SoC : system-on-chip). Il réunit sur un même silicium un coeur de processeur 8 bits optimisé pour gérer des interruptions, ainsi que des mémoires et des périphériques divers utiles à la réalisation d'applications de contrôle dédié. Un concept qui est aussi très pratique, justifiant certainement la croissance constante du marché de ces composants. Ils représentent plus de 5 milliards de dollars par an (d'après la société iSuppli). Les chiffres de ce marché se font l'écho des options choisies par les fournisseurs de ces produits. En effet, sous l'angle des revenus, le marché des microcontrôleurs 8 bits est plutôt stable avec une légère hausse de 4 % au profit des composants ciblant des applications spécifiques. Par contre, le nombre de pièces fabriquées est en énorme augmentation - une vraie invasion - et leurs prix ne cessent de diminuer. Cette régularité de l'histoire des microcontrôleurs 8 bits ne signifie pas qu'il ne se passe rien dans ce domaine. Bien au contraire !

L'explosion du nombre de ces microcontrôleurs en est la meilleure preuve. Elle trouve son explication dans l'habile stratégie des constructeurs à intégrer les progrès technologiques sans perdre de vue les objectifs premiers de ce type de composant : être doté des fonctions nécessaires et suffisantes, être de faible coût, être très facile d'utilisation ; le tout pour servir au mieux une foule d'applications simples, voire très simples. Il en résulte une offre très diversifiée pour un prix unitaire très bas dans de multiples applications généralement de fort volume. Le coeur du marché des microcontrôleurs se situe à moins de 1 $ pièce. L'autre phénomène qui dynamise le domaine vient de l'engouement récent des applications électro-mécaniques traditionnelles, éloignées jusqu'ici de toute idée de processeur, pour ces circuits intégrés. Les clefs de voiture, les jouets, les gadgets, les fers à repasser ou les brosses à dents intègrent désormais leur microcontrôleur 8 bits.

350 microcontrôleurs par personne
Depuis l'époque du 8048 d'Intel et de la famille 68HC05 de Motorola (maintenant Freescale), de nombreuses sociétés ont rejoint les deux pionniers et les références se sont multipliées de façon exponentielle. Ces circuits peu coûteux, souvent dotés d'architectures extrêmement populaires, bénéficient régulièrement des progrès technologiques comme la mémoire flash pour le stockage des programmes, la gestion de la puissance de calcul et de la consommation, les boîtiers de petite taille, la mixité analogique/numérique sur la même puce ou encore la souplesse de la logique programmable.

Les applications concernées couvrent absolument tous les domaines - grand public, industriel, informatique - et il serait vain de les énumérer. Si les télécommunications se servent copieusement avec les téléphones portables, le secteur de l'automobile n'est pas en reste pour toutes les fonctions autour du tableau de bord, du confort dans l'habitacle et des alarmes. Enfin, il y a toutes ces applications électromécaniques qui, aujourd'hui, gagnent en intelligence et en compacité grâce à des microcontrôleurs parfaitement adaptés à leurs exigences fonctionnelles et financières. Une évaluation étonnante donne 350 microcontrôleurs 8 bits pour le quotidien de chacun d'entre nous : voiture, téléphone portable, PC, produits blancs et autres appareils électroménagers. Freescale est resté le leader incontesté du domaine avec plus de 20 % des ventes. Il est cependant talonné par Renesas, Nec et Microchip. Egalement très actives dans le domaine, citons les sociétés Atmel, Cypress, Fujitsu, Infineon, NXP (ex Philips), STMicroelectronics, Toshiba et Zilog. Sans oublier les fidèles : Analog Devices, Intel, Maxim-Dallas et National Semiconductor. Notons par contre que Texas Instruments ne propose plus de microcontrôleurs 8 bits recentrant son offre sur les produits 16 et 32 bits et, bien sûr, les DSP.

Allier tradition et innovation
Depuis le dernier « Dossier » sur ce sujet ( Electronique n° 122, page 78), cinq ans ont passé. Si l'on retrouve les mêmes piliers du domaine, tant en sociétés (même si leurs noms ont parfois changé) qu'en architectures ultraclassiques comme les 8051 ou 68HCxx, l'offre semble pourtant parfaitement « moderne » , dynamique et en adéquation avec les exigences actuelles. De nombreux fournisseurs, tels Freescale, Renesas, Microchip, Atmel, Fujitsu, Infineon, Nec, ST ou NXP ont annoncé, dans les deux dernières années, des familles de produits d'entrée de gamme à faible coût, encombrement réduit et basse consommation. Pour cela, ils s'appuient sur les progrès technologiques, choisissant astucieusement ceux qui leur sont directement utiles. Ainsi, un microcontrôleur 8 bits n'est pas un composant dont on attend de hautes performances en matière de puissance de calcul. Par contre ses exigences sont strictes sur le coût, la consommation, l'encombrement, la facilité d'utilisation et la richesse en périphériques.

C'est pourquoi les fournisseurs profitent, par exemple, des technologies de fabrication plus fines pour gagner en surface de silicium. Cependant, ils n'optent pas pour la technologie de plus petite dimension car les performances en fréquence seraient inutiles et tous les problèmes de courants de fuite, temps de développement important, consommation excessive et coût élevé ne seraient qu'inconvénients. De plus, la présence de signaux analogiques est indispensable pour ces composants et les modules analogiques s'implantent difficilement sur des technologies trop fines. Des géométries de 0,35 ou 0,25 µm sont la norme pour les nouvelles familles.

Autre exemple de ce cocktail subtil entre tradition et innovation : la prolifération de circuits toujours plus performants basés sur la très populaire architecture 8051 (voir tableau). NXP en possède plus de 100 dérivés. Il a récemment élargi sa famille LPC900 avec des circuits toujours dotés d'un CPU 80C51, mais enrichi pour exécuter les instructions en 111 ns. La puce est en plus de très petite taille tout en embarquant de la flash, un convertisseur A/N 8 bits et autres périphériques. Dans la même ligne, Atmel a présenté, en novembre dernier, le nouveau venu de sa série AT89C51 qui, bien qu'architecturé 8051, bénéficie de tous les attributs les plus modernes d'un microcontrôleur 8 bits actuel, dont 128 Ko de mémoire flash.

Déjà existante il y a cinq ans, la tendance technologique, consistant à préférer la mémoire flash pour le stockage des programmes, s'est largement généralisée. Deux raisons avaient engendré cette migration : l'une technologique venait de la plus grande souplesse d'utilisation de la flash par rapport à la Rom et à l'Eprom ; la seconde est à la fois technologique et financière, puisque les constructeurs ont su fabriquer des mémoires flash performantes pour un prix quasiment équivalent à celui des modèles non reprogrammables.

Un fort esprit de famille
Comme le montre le tableau ci-après, les microcontrôleurs 8 bits sont des adeptes de la famille nombreuse. Le but poursuivi par les constructeurs est d'assurer une diversité de solutions pour un large panorama d'applications. Chaque membre d'une même famille diffère uniquement par ses quantités et natures de mémoires et, surtout, par la combinaison des périphériques intégrés sur la puce pour cibler une application précise. Résultat : il existe des centaines de références par famille mais ces familles sont en nombre très limité, et sont caractérisées chacune par une même architecture.

En plus, les constructeurs sont attentifs à assurer une compatibilité ascendante d'une famille à l'autre. Tout est fait pour faciliter l'utilisation de ces composants, soit grâce à un projet antérieur, soit pour une première intégration simple. Ainsi Freescale a mis au point son concept baptisé « controller continuum » offrant une palette de produits compatibles aussi bien au niveau matériel, notamment pour le brochage, qu'au niveau de l'environnement de développement (IDE). Bruno Baylac, directeur marketing pour l'Europe, secteur industriel et grand public chez Freescale explique : « L'objectif est de rassurer totalement les utilisateurs sur les possibilités d'évolution de leur application, en taille mémoire ou en périphérique. Ce concept va jusqu'à leur permettre de faire migrer leur application 8 bits vers une architecture 32 bits en conservant le même environnement de développement. » Ce concept facilitant la migration entre familles 8 bits et même 32 bits est aussi adopté par Atmel, avec sa ligne de produits AVR. D'une autre manière, c'est aussi la stratégie de Renesas qui facilite la transition entre 8 bits et 16 bits avec sa famille R8C, basée sur un coeur 16 bits, mais dont chaque membre possède tous les attributs, notamment en taille, coût, consommation et outils de développement, d'un microcontrôleur 8 bits.

Une approche encore différente pour un service similaire est proposée par la société Cypress avec sa série CY8C (PSoC) qui autorise la configuration de périphériques numériques (mais aussi analogiques), grâce à une zone de cellules programmables entourant le coeur du processeur 8 bits. Ces microcontrôleurs à mémoire flash embarquent donc des blocs analogiques (CAN, CNA, filtres, amplificateurs...) et numériques (temporisateurs, modulateurs, multiplexeurs, Uart...) programmables permettant au concepteur de choisir, même après implantation du composant dans l'application, les périphériques nécessaires. STMicroelectronics arpente les mêmes plates-bandes avec sa famille µPSD intégrant de la logique programmable sur ses puces.

La fausse menace des 32 bits
Dans le « Dossier » consacré aux microcontrôleurs 16/32 bits ( Electronique n° 154, page 64), apparaît une nouvelle race de produits qui tentent de cibler la part de marché des 8 bits haut de gamme. Ainsi, Atmel et NXP proposent des Arm7 à 3 $. Effectivement une application peut exiger plus de mémoire si elle doit gérer des contraintes du type temps réel, réseau ou cryptage. Le concepteur doit alors s'orienter vers une architecture 16 ou 32 bits. Mais, ces nouveaux « produits frontières » ne menacent aucunement le marché des produits 8 bits. Nous avons vu que, pour une immense majorité d'applications de contrôle moteur, les circuits 8 bits sont totalement satisfaisants et que leur coeur de marché n'est absolument pas en danger. En outre, les constructeurs facilitent la migration si elle s'impose et la famille R8C de Renesas en est un bon exemple. Reste une question : Comment, avec des géométries encore plus fines, des futurs microcontrôleurs basés Arm7 annoncés à 1 $ pourront-ils supporter des E/S à 5V ?