在本文中，我們將研究這些極受歡迎的IC的定義特征，然后研究?jī)?nèi)部架構(gòu)。

如果我必須選擇一種技能，這將是任何工程師的最寶貴的技能，那么毫無(wú)疑問(wèn)，這是精通基于微控制器的電路設(shè)計(jì)。

在塑造現(xiàn)代生活的技術(shù)革命中，微控制器發(fā)揮了根本作用，甚至可以說(shuō)是支配地位。微控制器是小型，多功能，廉價(jià)的設(shè)備，不僅可以由經(jīng)驗(yàn)豐富的電氣工程師，而且可以由其他學(xué)科的業(yè)余愛(ài)好者，學(xué)生和專業(yè)人員成功地實(shí)施和編程。

低成本可穿戴設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備，高端消費(fèi)電子產(chǎn)品，堅(jiān)固的工業(yè)設(shè)備，最先進(jìn)的軍事和航空航天系統(tǒng)-這些適應(yīng)性強(qiáng)，價(jià)格適中，用戶友好的組件幾乎是所有電子產(chǎn)品中受歡迎的組件。

這個(gè)任意波形發(fā)生器是我圍繞8位微控制器設(shè)計(jì)的許多電路板之一。

在本文中，我們將介紹微控制器的定義，并考慮其在設(shè)計(jì)中的作用。

什么是微控制器？

微控制器是一種集成電路（IC）設(shè)備，通常用于通過(guò)微處理器單元（MPU），存儲(chǔ)器和某些外圍設(shè)備來(lái)控制電子系統(tǒng)的其他部分。這些設(shè)備針對(duì)需要處理功能以及與數(shù)字，模擬或機(jī)電組件進(jìn)行敏捷，響應(yīng)性交互的嵌入式應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

提及此類集成電路的最常見(jiàn)方式是“微控制器”，但縮寫(xiě)“ MCU”在表示“微控制器單元”時(shí)可互換使用。您也可能偶爾會(huì)看到“ μC”（希臘字母mu代替“微”）。

“ Microcontroller”（微控制器）是一個(gè)易于選擇的名稱，因?yàn)樗鼜?qiáng)調(diào)定義該產(chǎn)品類別的特征。前綴“ micro”表示體積小，術(shù)語(yǔ)“ controller”在此處表示增強(qiáng)的執(zhí)行控制功能的能力。如上所述，此功能是將數(shù)字處理器和數(shù)字存儲(chǔ)器與專門(mén)設(shè)計(jì)用于幫助微控制器與其他組件進(jìn)行交互的其他硬件結(jié)合在一起的結(jié)果。

微控制器與微處理器

人們有時(shí)在指代微控制器時(shí)會(huì)使用術(shù)語(yǔ)“微處理器”或“ MPU”，但是這兩個(gè)設(shè)備不一定相同。微處理器和微控制器都可以用作小型，高度集成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但是它們可以用于不同的目的。

術(shù)語(yǔ)“處理器”用于標(biāo)識(shí)由中央處理單元和（可選）一些內(nèi)存組成的系統(tǒng)；微處理器是一種在單個(gè)集成電路中實(shí)現(xiàn)處理器所有功能的設(shè)備。相比之下，微控制器將重點(diǎn)更多地放在允許設(shè)備控制系統(tǒng)而不是簡(jiǎn)單地執(zhí)行指令和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的附加硬件模塊上。

下圖說(shuō)明了此概念。

總體而言，當(dāng)我們非正式地交談或試圖避免一遍又一遍地講相同的單詞時(shí)，互換使用術(shù)語(yǔ)“微處理器”和“微控制器”不是主要問(wèn)題。但是，在技術(shù)討論的背景下，保持兩個(gè)概念之間的區(qū)別很重要。

微控制器與數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

數(shù)字信號(hào)處理器（或“ DSP”）是一種微處理器，已針對(duì)諸如數(shù)字濾波，實(shí)時(shí)信號(hào)的數(shù)學(xué)分析和數(shù)據(jù)壓縮等苛刻的計(jì)算任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。高度復(fù)雜的微控制器可以代替數(shù)字信號(hào)處理器，但如果其內(nèi)部電路的很大一部分用于控制，監(jiān)視和與周?chē)到y(tǒng)通信，則仍將其視為微控制器。

微控制器的要素

微控制器由中央處理器（CPU），非易失性存儲(chǔ)器，易失性存儲(chǔ)器，外圍設(shè)備和支持電路組成。

中央處理單元

CPU根據(jù)程序員編寫(xiě)的指令序列執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，管理數(shù)據(jù)流并生成控制信號(hào)。設(shè)計(jì)人員看不到CPU功能所需的極其復(fù)雜的電路。實(shí)際上，由于集成了開(kāi)發(fā)環(huán)境和高級(jí)語(yǔ)言（例如C），為微控制器編寫(xiě)代碼通常是一項(xiàng)相當(dāng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

存儲(chǔ)器

非易失性存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)微控制器的程序，即（通常很長(zhǎng)的）機(jī)器語(yǔ)言指令列表，這些指令告訴CPU確切的操作。通常，您會(huì)看到單詞“ Flash”（這是指非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一種特定形式），而不是“非易失性存儲(chǔ)器”。

易失性存儲(chǔ)器（即RAM）用于臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)微控制器掉電時(shí)，該數(shù)據(jù)將丟失。內(nèi)部寄存器還提供臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但是我們不將它們視為獨(dú)立的功能塊，因?yàn)樗鼈円鸭傻紺PU中。

外設(shè)

我們使用“外圍設(shè)備”一詞來(lái)描述幫助微控制器與外部系統(tǒng)交互的硬件模塊。以下要點(diǎn)指出了各種外圍設(shè)備并提供了示例。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，參考電壓發(fā)生器

該圖顯示了我使用微控制器的片上ADC數(shù)字化的三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)。

時(shí)鐘發(fā)生器： 內(nèi)部振蕩器，晶體驅(qū)動(dòng)電路，鎖相環(huán)

定時(shí)器：通用定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，外部事件計(jì)數(shù)器，帶調(diào)制脈沖

模擬信號(hào)處理： 運(yùn)算放大器，模擬比較器

輸入/輸出：通用數(shù)字輸入和輸出電路，并行存儲(chǔ)器接口

串行通信： UART，SPI，I2C，USB

圍繞16位微控制器設(shè)計(jì)了該傳感器子系統(tǒng)。

支持電路

微控制器包含各種不能歸類為外圍設(shè)備的功能塊，因?yàn)樗鼈兊闹饕康牟皇强刂疲O(jiān)視或與外部組件通信。但是，它們非常重要-它們支持設(shè)備的內(nèi)部操作，簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)并改善開(kāi)發(fā)過(guò)程。

調(diào)試電路使設(shè)計(jì)人員可以在執(zhí)行指令時(shí)仔細(xì)監(jiān)視微控制器。這是走線錯(cuò)誤并優(yōu)化固件性能的重要方法，有時(shí)是必不可少的。

中斷是微控制器功能的一個(gè)非常有價(jià)值的方面。中斷是由基于外部或內(nèi)部基于硬件的事件生成的，它們使處理器通過(guò)執(zhí)行一組特定的指令來(lái)立即響應(yīng)這些事件。

用C語(yǔ)言編寫(xiě)的單片機(jī)程序組成功能。中斷導(dǎo)致程序執(zhí)行“引導(dǎo)”到中斷服務(wù)程序（ISR），ISR完成其任務(wù)后，處理器將返回中斷發(fā)生時(shí)正在執(zhí)行的功能。

如果時(shí)鐘發(fā)生器模塊旨在產(chǎn)生將在芯片外部使用的信號(hào)，則可以將其視為外圍設(shè)備，但是在許多情況下，微控制器內(nèi)部振蕩器的主要目的是為CPU和外圍設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)。內(nèi)部振蕩器通常具有較低的精度，但是在可以容忍這種低精度的應(yīng)用中，它們是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并節(jié)省電路板空間的便捷有效方式。

微控制器可以結(jié)合各種類型的電源電路。集成的穩(wěn)壓器允許在芯片上生成所需的電源電壓，電源管理模塊可用于顯著降低非活動(dòng)狀態(tài)下設(shè)備的電流消耗，管理模塊可在電源電壓不處于正常狀態(tài)時(shí)將處理器置于穩(wěn)定的復(fù)位狀態(tài)足夠高以確保可靠的操作。

原文標(biāo)題：通用微控制器組件的特征和架構(gòu)

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