什么是微控制器？

在本指南中，我們將詳細(xì)探討什么是微控制器以及它與微處理器等相關(guān)產(chǎn)品之間的根本區(qū)別。歐時(shí)電子指南還將介紹一些最常見的市售微控制器類型，以及它們可以處理的任務(wù)類型。

簡而言之，微控制器（通常簡稱為MCU或MC）是指完全獨(dú)立于單個(gè)芯片的非常小的微型計(jì)算機(jī)。

如果需要使用更多的基本術(shù)語，您可以將微控制器定義成一臺(tái)非常簡化的計(jì)算機(jī)，一遍又一遍地運(yùn)行單個(gè)基本程序。換句話說，微控制器可在單個(gè)設(shè)備中執(zhí)行由用戶/操作員預(yù)先編程的單個(gè)自動(dòng)化任務(wù)，并重復(fù)執(zhí)行這一項(xiàng)任務(wù)（通常是在定時(shí)循環(huán)中執(zhí)行）。

這就是“嵌入式應(yīng)用程序”，它不是由完整的微處理器（也稱為CPU）處理的通用型應(yīng)用程序。

-正如本指南所述，微控制器包含微處理器等關(guān)鍵組件，但與大多數(shù)獨(dú)立MP相比，它是一種復(fù)雜程度更低的動(dòng)態(tài)CPU。

-這是因?yàn)槲⒖刂破鲉卧獌H限于執(zhí)行一項(xiàng)高度特定的工作，無需微處理器（個(gè)人計(jì)算機(jī)中的微處理器）提供全部功能。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，微控制器通常通過印制電路板(PCB)與其他類型的組件和電子電路配合使用。通過將兩種或更多基于PCB的設(shè)備組合在一起，可以使用微控制器控制、監(jiān)測(cè)并影響各類系統(tǒng)和組件行為。

微控制器類型

盡管市場(chǎng)上存在數(shù)十個(gè)公認(rèn)的制造品牌和微控制器編程架構(gòu)，但實(shí)際上目前只有三種MCU正在使用。它們分別是：

-8位微控制器

-16位微控制器

-32位微控制器

本指南不旨在深入剖析這三種組件類型之間不同的適用范圍和影響。但三者之間的差異可以簡要概括為：總線寬度——或通俗地講——“數(shù)據(jù)管道”寬度。

這才是限制給定微控制器速度精度的關(guān)鍵。簡而言之，一個(gè)8位微控制器需要增加總線訪問權(quán)限和更多的指令才能執(zhí)行16位或32位計(jì)算，因此與16位或32位MCU相比，它到達(dá)“答案”（即輸出行為）的速度更加緩慢。

事實(shí)上，要妥善解決8位、16位和32位微控制器之間的差異問題，需要使用冗長的解釋和完整的非程序員術(shù)語表。在計(jì)算方面，它實(shí)際上與“低速”CPU（而非強(qiáng)大的“快速”CPU）的局限性相同；如果您要與給定的微控制器單元一起使用，這一重要標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)影響編程語言的選擇和適用范圍（例如C++、Python、R、Arduino等）。

對(duì)于采購人員而言，8位MCU一般是最基本和最具成本效益的選擇，但它在某些應(yīng)用中的功能有限。16位和32位微控制器通常是不錯(cuò)之選，雖然價(jià)格昂貴，但性能卻更為出眾。

架構(gòu)

如上所述，雖然只有三種核心類型的微控制器可供選擇，但該領(lǐng)域內(nèi)仍存在眾多可選的MCU制造品牌和架構(gòu)。

再次重申，本指南僅為基礎(chǔ)的入門指南，不旨在深入剖析市售不同架構(gòu)和品牌之間的細(xì)微差異。此外，如果您對(duì)任何核心架構(gòu)和機(jī)器語言都不甚精通，那么您將無法完成專業(yè)微控制器的采購任務(wù)！

值得注意的是，用戶經(jīng)常會(huì)尋找的一些更受歡迎的產(chǎn)品，包括：

ARM核心處理器（許多供應(yīng)商提供基于ARM的組件，尤其是針對(duì)微控制器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M核心）

Microchip Technology Atmel AVR（8位）、AVR32（32位）和AT91SAM（32位）

Microchip Technology PIC，（8位PIC16、PIC18、16位dsPIC33/PIC24）、（32位PIC32）

Freescale ColdFire（32位）和S08（8位）

Intel 8051

PowerPC ISE

瑞薩電子：RL78 16位 MCU；RX 32位 MCU；SuperH；V850 32位 MCU；H8;R8C 16位 MCU

Silicon Laboratories Pipelined 8位 8051 微控制器和混合信號(hào)ARM 32位微控制器

德州儀器 TI MSP430（16位）、MSP432（32位）、C2000（32位）

東芝 TLCS-870（8位/16位）

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微控制器的工作原理

如本指南引言所述，微控制器單元（MCU）本質(zhì)上是一臺(tái)完全嵌入至單個(gè)集成電路的非常小的計(jì)算機(jī)（即芯片）。

基于這一點(diǎn)，微控制器有點(diǎn)類似于片上系統(tǒng)(SoC)，即用于家用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，基本采用英特爾或AMD產(chǎn)品。但微控制器的復(fù)雜性要比普通的SoC（SoC的眾多核心組件通常包含一個(gè)或多個(gè)微控制器）小得多。

微控制器的運(yùn)行方式與簡單的SoC非常類似，它們可以通過多種不同的通信協(xié)議來檢測(cè)外部刺激或狀況，并對(duì)其做出反應(yīng)。這些協(xié)議包括USB、觸摸響應(yīng)、環(huán)境傳感器等。

當(dāng)用戶通過編程以對(duì)某些輸入或信號(hào)檢測(cè)做出反應(yīng)時(shí)，可以使用MCU在多樣的功能和應(yīng)用程序陣列中執(zhí)行響應(yīng)行為。這些行為包括簡單的輸入輸出（I/O）觸發(fā)器和組件控制算法，還可以影響更為復(fù)雜的完全集成系統(tǒng)的其他組件。

本入門指南并不旨在對(duì)微控制器的確切工作方式進(jìn)行全面細(xì)分，其更多的是概述MCU的用途。如果您想學(xué)習(xí)如何為特定任務(wù)編程和操作微控制器，可以在線查找有用指南。

如果您想要了解MCU的工作原理，尤其是MCU與類似組件（例如微處理器）之間的差異，那您有必要了解一下微控制器的物理構(gòu)成。

由于微控制器實(shí)際上是嵌入在單個(gè)集成芯片上的簡單微型計(jì)算機(jī)，所以它需要的基本組件與大型復(fù)雜“計(jì)算機(jī)”的組件相同，例如：

CPU（中央處理器）

本質(zhì)上是微型計(jì)算機(jī)的“大腦”，是控制和監(jiān)測(cè)MCU內(nèi)部過程的微處理器

負(fù)責(zé)讀取和執(zhí)行所有正在執(zhí)行的邏輯/數(shù)學(xué)功能

RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）

僅在通電時(shí)使用的臨時(shí)存儲(chǔ)，用于運(yùn)行和計(jì)算MCU通知執(zhí)行的程序

使用中不斷被覆蓋

ROM（只讀存儲(chǔ)器）

預(yù)先編寫的“永久”內(nèi)存，未通電也可以保留

指導(dǎo)MCU如何在被詢問時(shí)執(zhí)行其程序

內(nèi)部振蕩器（MCU的主計(jì)時(shí)器）

該組件用作微控制器的核心時(shí)鐘，并控制其內(nèi)部過程的執(zhí)行節(jié)奏

與其他計(jì)時(shí)器一樣，它們會(huì)跟蹤給定過程中流逝的時(shí)間，并幫助MCU以指定的時(shí)間間隔開始和結(jié)束特定功能

I/O（輸入/輸出）端口

一個(gè)或多個(gè)通信端口，通常為連接引腳形式

MCU可以通過這些端口鏈接到其他組件和電路，以實(shí)現(xiàn)輸入/輸出數(shù)據(jù)信號(hào)和電源的流動(dòng)

外圍控制器芯片（其他可選配件和組件）

根據(jù)MCU需要執(zhí)行的任務(wù)而定

其他計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器、脈寬調(diào)制（PWM）節(jié)點(diǎn)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、眾多數(shù)據(jù)捕獲模塊、其他I/O選項(xiàng)等

但與個(gè)人計(jì)算機(jī)配置的同類SoC相比，所有這些微控制器組件的范圍/容量都大大減小。MCU通常用于控制吹風(fēng)機(jī)或計(jì)算器等基本行為，但對(duì)于更復(fù)雜的機(jī)器（如完整的計(jì)算機(jī)），它將無法勝任。

微控制器和微處理器之間的區(qū)別

令人毫不意外的是，我們很難精確區(qū)分微控制器和微處理器(MP)或片上系統(tǒng)(SoC)。

這個(gè)問題解答起來可能比較復(fù)雜。簡言之，微控制器（MCU）是一種簡化的單任務(wù)版SoC。從技術(shù)角度而言，MCU的集成電路中包含了某種CPU/處理器，但它屬于高度簡化的版本。這種低功耗微處理器可有效充當(dāng)微控制器的簡易CPU或“大腦”，使MCU具備執(zhí)行單一編程任務(wù)的基本能力。

要找出MCU與MP的其他主要差異，最簡單的方法就是根據(jù)組件來判斷。真正的微處理器不含任何內(nèi)存（RAM或ROM）或I/O端口，而且只能在更大的系統(tǒng)中運(yùn)行（例如，指示獨(dú)立微處理器如何執(zhí)行特定功能的指令通常存儲(chǔ)在外部）。而在微控制器中，所有這些組件（包括簡化的處理器）都組合在一個(gè)獨(dú)立的裝置中。

在性能方面，它可以分為以下內(nèi)容：

微控制器

微處理器是一個(gè)獨(dú)立單元，包含一個(gè)非常簡單的CPU或微處理器

由用戶預(yù)先編程用于單個(gè)特定應(yīng)用

性能方面不是特別強(qiáng)大；它們通常僅消耗少量電量，而包含的集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量卻很少

需要由操作員編程才能執(zhí)行任務(wù)

無法在其專門編程的范圍之外操作（所編寫的代碼及其質(zhì)量將完全決定其性能）

通常用于特定設(shè)備或旨在重復(fù)執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)的設(shè)備

微處理器

功能范圍方面更加復(fù)雜和通用，旨在用于更通用的計(jì)算（與專用的單任務(wù)設(shè)備相對(duì)）

具有比MCU更快的處理器（“時(shí)鐘”）速度，通常以千兆赫（GHz）（非Hz）為單位進(jìn)行測(cè)量

與相對(duì)簡單且經(jīng)濟(jì)的微控制器不同，它具有高度的挑戰(zhàn)性和高昂的制造成本

為了實(shí)現(xiàn)操作，需要更多的外部組件（RAM、I/O端口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等），這些組件均未集成到MP，必須單獨(dú)購買和連接

具有更高的功耗，連續(xù)運(yùn)行的成本效益較低

微控制器的用途

微控制器已經(jīng)迅速滲透到一系列現(xiàn)代應(yīng)用程序和各個(gè)行業(yè)之中，在各類技術(shù)和裝置中都能發(fā)現(xiàn)它們的身影。

毫不夸張地說，對(duì)于任何包含傳感器、顯示器、用戶界面和可編程輸出控制/執(zhí)行器的電子設(shè)備，MCU都是它們的關(guān)鍵組成部分。

一些較常見的應(yīng)用程序和環(huán)境微控制器一般用于：

自動(dòng)化與機(jī)器人

消費(fèi)類電子產(chǎn)品和家用電器（冰箱、水壺、微波爐、洗衣機(jī)、電視、遙控器、電動(dòng)剃須刀和電話等）

醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（手持式診斷設(shè)備、掃描儀和X射線機(jī)、測(cè)量/分析和監(jiān)測(cè)工具）

汽車工業(yè)和車輛控制系統(tǒng)（動(dòng)力總成調(diào)節(jié)、多媒體控制臺(tái)和導(dǎo)航軟件）

工業(yè)和生產(chǎn)環(huán)境控件（供暖和照明、HVAC系統(tǒng)、安全鎖定裝置等）

當(dāng)作為功能電路的一部分安裝在特定設(shè)備或系統(tǒng)中時(shí)，微控制器可以感應(yīng)和監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境（或與其連接的其他組件）中的各種事件、行為或輸入信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。

此外，您還可以對(duì)特定MCU進(jìn)行編程，例如推送特定類型的輸出信號(hào)/行為控制，以響應(yīng)某些輸入標(biāo)準(zhǔn)。這包括如下任務(wù)：

響應(yīng)觸摸用戶的需求，啟動(dòng)(O)LED顯示器

在溫度感應(yīng)應(yīng)用程序或其他報(bào)警/警告系統(tǒng)中啟動(dòng)燈光和聲音

響應(yīng)以打開或關(guān)閉泵或其他機(jī)械設(shè)備的電機(jī)

調(diào)整陀螺儀（或基于加速計(jì)的應(yīng)用）中的傾角/平衡/速度

相關(guān)產(chǎn)品

歐時(shí)單片機(jī)

STM單片機(jī)

NXP單片機(jī)

審核編輯：湯梓紅