微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個領(lǐng)域。例如電機控制、條碼閱讀器/掃描器、消費類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化和白色家電（洗衣機、微波爐）等。

　　微控制器的作用

　　在工業(yè)應(yīng)用中，微控制器的作用是控制和協(xié)調(diào)整個設(shè)備的動作，通常需要程序計數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、定時與控制電路，以及脈沖源、中斷等共同完成。

　　根據(jù)控制器在工作中發(fā)揮的作用來看，微控制器主要有以下幾種：

　　1、 指令控制器

　　指令控制器是控制器中相當重要的部分，它要完成取指令、分析指令等操作，然后交給執(zhí)行單元（ALU或FPU）來執(zhí)行，同時還要形成下一條指令的地址。

　　2、 時序控制器

　　時序控制器的作用是為每條指令按時間順序提供控制信號。時序控制器包括時鐘發(fā)生器和倍頻定義單元，其中時鐘發(fā)生器由石英晶體振蕩器發(fā)出非常穩(wěn)定的脈沖信號，就是CPU的主頻；而倍頻定義單元則定義了CPU主頻是存儲器頻率（總線頻率）的幾倍。

　　3、 總線控制器

　　總線控制器主要用于控制CPU的內(nèi)外部總線，包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等等。

　　4、中斷控制器

　　中斷控制器用于控制各種各樣的中斷請求，并根據(jù)優(yōu)先級的高低對中斷請求進行排隊，逐個交給CPU處理 控制器的基本功能 設(shè)備控制器的基本功能

　　目前就為控制領(lǐng)域來看，主要有以下幾種功能：

　　1、數(shù)據(jù)緩沖

　　緩沖器常常內(nèi)置在控制器中，在輸出時，緩沖器常用來暫存由主機高速傳來的數(shù)據(jù)，然后才以I/O設(shè)備所具有的速率將緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送給I/O設(shè)備；在輸入時，緩沖器則用于暫存從I/O設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，待接收到一批數(shù)據(jù)后，再將緩沖器中的數(shù)據(jù)高速地傳送給主機。

　　2、差錯控制

　　設(shè)備控制器還兼管對由I/O設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)進行差錯檢測。若發(fā)現(xiàn)傳送中出現(xiàn)了錯誤，通常是將差錯檢測碼置位，并向 CPU報告，于是CPU將本次傳送來的數(shù)據(jù)作廢，并重新進行一次傳送。這樣便可保證數(shù)據(jù)輸入的正確性。

　　3、數(shù)據(jù)交換

　　這是指實現(xiàn)CPU與控制器之間、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。對于前者，是通過數(shù)據(jù)總線，由CPU并行地把數(shù)據(jù)寫入控制器，或從控制器中并行地讀出數(shù)據(jù)；對于后者，是設(shè)備將數(shù)據(jù)輸入到控制器，或從控制器傳送給設(shè)備。為此，在控制器中須設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器。

　　4、標識和報告設(shè)備的狀態(tài)

　　控制器應(yīng)記下設(shè)備的狀態(tài)供CPU了解。例如，僅當該設(shè)備處于發(fā)送就緒狀態(tài)時，CPU才能啟動控制器從設(shè)備中讀出數(shù)據(jù)。為此，在控制器中應(yīng)設(shè)置一狀態(tài)寄存器，用其中的每一位來反映設(shè)備的某一種狀態(tài)。當CPU將該寄存器的內(nèi)容讀入后，便可了解該設(shè)備的狀態(tài)。

　　5、接收和識別命令

　　CPU可以向控制器發(fā)送多種不同的命令，設(shè)備控制器應(yīng)能接收并識別這些命令。為此，在控制器中應(yīng)具有相應(yīng)的控制寄存器，用來存放接收的命令和參數(shù)，并對所接收的命令進行譯碼。例如，磁盤控制器可以接收 CPU發(fā)來的Read、Write、Format等15條不同的命令，而且有些命令還帶有參數(shù)；相應(yīng)地，在磁盤控制器中有多個寄存器和命令譯碼器等。

　　6、地址識別

　　就像內(nèi)存中的每一個單元都有一個地址一樣，系統(tǒng)中的每一個設(shè)備也都有一個地址，而設(shè)備控制器又必須能夠識別它所控制的每個設(shè)備的地址。此外，為使CPU能向（或從）寄存器中寫入（或讀出）數(shù)據(jù)，這些寄存器都應(yīng)具有唯一的地址。例如，在IB-MPC機中規(guī)定，硬盤控制器中各寄存器的地址分別為320～32F之一。控制器應(yīng)能正確識別這些地址，為此，在控制器中應(yīng)配置地址譯碼器。

　　微處理器和微控制器的區(qū)別

　　這樣的區(qū)別主要集中在硬件結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域和指令集特征3個方面：

　　1）硬件結(jié)構(gòu)

　　微處理器是一個單芯片CPU，而微控制器則在一塊集成電路芯片中集成了CPU和其他電路，構(gòu)成了一個完整的微型計算機系統(tǒng)。圖1-6虛線框中所示是大多數(shù)微控制器的完整結(jié)構(gòu)。除了CPU，微控制器還包括RAM、ROM、一個串行接口、一個并行接口，計時器和中斷調(diào)度電路。這些都集成在一塊集成電路上。雖然片上RAM的容量比普通微型計算機系統(tǒng)還要小，但是這并未限制微控制器的使用。在后面可以了解到，微控制器的應(yīng)用范圍非常廣泛。

　　微控制器的一個重要的特征是內(nèi)建的中斷系統(tǒng)。作為面向控制的設(shè)備，微控制器經(jīng)常要實時響應(yīng)外界的激勵（中斷）。微控制器必須執(zhí)行快速上下文切換，掛起一個進程去執(zhí)行另一個進程以響應(yīng)一個“事件”。例如，打開微波爐的門就是一個事件，在基于微控制器的產(chǎn)品中這個事件將觸發(fā)一個中斷。微處理器也能擁有強大的中斷功能，但是通常需要外部元件的配合，而微控制器在片上集成了所有處理中斷必需的電路。

　　2）應(yīng)用領(lǐng)域

　　微處理器通常作為微型計算機系統(tǒng)中的CPU使用。其設(shè)計正是針對這樣的應(yīng)用，這也是微處理器的優(yōu)勢所在。然而，微控制器通常用于面向控制的應(yīng)用。其系統(tǒng)設(shè)計追求小型化，盡可能減少元器件數(shù)量。在過去，這些應(yīng)用通常需要用數(shù)十個甚至數(shù)百個數(shù)字集成電路來實現(xiàn)。使用微控制器可以減少元器件的使用數(shù)量，只需一個微控制器、少量的外部元件和存儲在ROM中的控制程序就能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的功能。微控制器適用于那些以極少的元件實現(xiàn)對輸入/輸出設(shè)備進行控制的場合，而微處理器適用于計算機系統(tǒng)中進行信息處理。

　　3）指令集特征

　　由于應(yīng)用場合不同，微控制器和微處理器的指令集也有所不同。微處理器的指令集增強了處理功能，使其擁有強大的尋址模式和適于操作大規(guī)模數(shù)據(jù)的指令。微處理器的指令可以對半字節(jié)、字節(jié)、字，甚至雙字進行操作。通過使用地址指針和地址偏移，微處理器提供了可以訪問大批數(shù)據(jù)的尋址模式。自增和自減模式使得以字節(jié)、字或雙字為單位訪問數(shù)據(jù)變得非常容易。另外，微處理器還具有其他的特點，如用戶程序中無法使用特權(quán)指 令等。

　　微控制器的指令集適用于輸入/輸出控制。許多輸入/輸出的接口是單/位的。例如，電磁鐵控制著馬達的開關(guān)，而電磁鐵由一個1位的輸出端口控制。微控制器具有設(shè)置和清除單位的指令，也能執(zhí)行其他面向位的操作，如對“位”進行邏輯與、或和異或的運算，根據(jù)標志位跳轉(zhuǎn)等。很少有微處理器具備這些強大的位操作能力，因為設(shè)計者在設(shè)計微處理器時，僅考慮以字節(jié)或更大的單位來操作數(shù)據(jù)。

　　在對設(shè)備的控制和監(jiān)視方面（可能是通過一個1位的接口），微控制器具有專門的內(nèi)部電路和指令用于輸入/輸出、計時和外部中斷的優(yōu)先權(quán)分配。微處理器一般需要配合附加的電路（串行接口芯片、中斷控制器、定時器等）才能執(zhí)行相同的任務(wù)。不過，單純就處理能力而言，微控制器永遠達不到微處理器的水平（在其他條件相同的情況下），因為微控制器芯片中的集成電路的很大一部分用于實現(xiàn)其他的片上功能，代價就是犧牲掉一部分處理能力。

　　由于微控制器芯片上的資源非常緊張，它的指令必須非常精簡，大部分指令的長度都短于1個字節(jié)。控制程序的設(shè)計原則通常是要求程序能夠裝入片上的ROM，因為即使只增加1片外部ROM也將顯著提高產(chǎn)品的硬件成本。微控制器指令集的基本特點就是具有精簡的編碼方案。微處理器不具備這樣的特點，因為它們強大的尋址模式使得指令編碼不夠簡潔。

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