微控制器是小型，多功能，價(jià)格低廉的設(shè)備，不僅可以由經(jīng)驗(yàn)豐富的電氣工程師，還可以由業(yè)余愛好者，學(xué)生和其他學(xué)科的專業(yè)人員成功實(shí)施和編程。

微控制器應(yīng)用程序列表很長(zhǎng)，諸如低成本可穿戴設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備，高端消費(fèi)電子產(chǎn)品，堅(jiān)固耐用的工業(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)格合理，用戶友好的組件是幾乎被應(yīng)用在所有電子產(chǎn)品上。

本文我們將討論微控制器的定義，并考慮它在設(shè)計(jì)中的用途。

什么是微控制器？

微控制器是用于控制電子系統(tǒng)的其他部分的集成電路（IC）設(shè)備，通常通過(guò)微處理器單元（MPU），存儲(chǔ)器和一些外圍設(shè)備。這些器件針對(duì)嵌入式應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，這些應(yīng)用既需要處理功能，又需要靈活，響應(yīng)性地與數(shù)字，模擬或機(jī)電組件交互。

參考這類集成電路的最常見方式是“微控制器”，但縮寫“MCU”可互換使用，因?yàn)樗怼拔⒖刂破鲉卧薄Ｄ赡芘紶栆矔?huì)看到“μC”（希臘字母mu取代“微”）。

“微控制器”是一個(gè)精心挑選的名稱，因?yàn)樗鼜?qiáng)調(diào)定義此產(chǎn)品類別的特征。前綴“微”意味著小，這里的術(shù)語(yǔ)“控制器”意味著增強(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)器與專門設(shè)計(jì)用于幫助微控制器與其他組件交互的附加硬件相結(jié)合的結(jié)果。

微控制器與微處理器

在提到微控制器時(shí)，人們有時(shí)會(huì)使用術(shù)語(yǔ)“微處理器”或“MPU”，但這兩個(gè)設(shè)備不一定相同。微處理器和微控制器都是小型，高度集成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但它們可以用于不同的目的。

術(shù)語(yǔ)“處理器”用于標(biāo)識(shí)由中央處理單元和某些存儲(chǔ)器組成的系統(tǒng)； 微處理器是在單個(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，微控制器更加重視允許設(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。

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們非正式地說(shuō)話或者我們?cè)噲D避免一遍又一遍地說(shuō)同一個(gè)詞時(shí)，使用“微處理器”和“微控制器”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)并不是一個(gè)主要的問(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)別非常重要。

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，它針對(duì)要求苛刻的計(jì)算任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化，例如數(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。高度復(fù)雜的微控制器可以用作數(shù)字信號(hào)處理器的替代品，但如果其內(nèi)部電路的很大一部分用于控制，監(jiān)視和與周圍系統(tǒng)通信，它仍然被認(rèn)為是微控制器。

微控制器的元素

微控制器由中央處理單元（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。

中央處理器

CPU執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，管理數(shù)據(jù)流，并根據(jù)程序員創(chuàng)建的指令序列生成控制信號(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，由于集成開發(fā)環(huán)境和C語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言，編寫微控制器代碼通常是一項(xiàng)相當(dāng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

記憶

非易失性存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)微控制器的程序 － 即機(jī)器語(yǔ)言指令列表，它們告訴CPU確切的操作。您通常會(huì)看到“Flash”（指特定形式的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）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)微控制器斷電時(shí)，該數(shù)據(jù)將丟失。內(nèi)部寄存器也提供臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但我們不認(rèn)為它們是一個(gè)單獨(dú)的功能塊，因?yàn)樗鼈兗稍贑PU中。

外設(shè)

我們使用“外圍設(shè)備”一詞來(lái)描述有助于微控制器與外部系統(tǒng)交互的硬件模塊。以下要點(diǎn)確定了各種外圍設(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

時(shí)鐘產(chǎn)生： 內(nèi)部振蕩器，晶體驅(qū)動(dòng)電路，鎖相環(huán)

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

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

支持電路

微控制器包含各種功能塊，這些功能塊不能歸類為外設(shè)，因?yàn)樗鼈兊闹饕康牟皇强刂疲O(jiān)視或與外部組件通信。盡管如此，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)并改進(jìn)開發(fā)過(guò)程。

調(diào)試電路允許設(shè)計(jì)人員在執(zhí)行指令時(shí)仔細(xì)監(jiān)控微控制器。這是一種跟蹤錯(cuò)誤和優(yōu)化固件性能的重要且有時(shí)不可或缺的方法。

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

用C編寫的微控制器程序被組織成函數(shù)。中斷導(dǎo)致程序執(zhí)行“向量”到中斷服務(wù)程序（ISR），并且在ISR完成其任務(wù)之后，處理器返回到中斷發(fā)生時(shí)正在執(zhí)行的功能。

如果時(shí)鐘生成模塊用于產(chǎn)生將在芯片外部使用的信號(hào)，則可將其視為外設(shè)，但在許多情況下，微控制器內(nèi)部振蕩器的主要用途是為CPU和外設(shè)提供時(shí)鐘信號(hào)。內(nèi)部振蕩器通常精度較低，但在能夠承受這種低精度的應(yīng)用中，它們是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和節(jié)省電路板空間的便捷有效方法。

微控制器可以包含各種類型的電源電路。集成穩(wěn)壓器允許片上生成所需的電源電壓，電源管理模塊可用于顯著降低器件在非活動(dòng)狀態(tài)下的電流消耗，并且監(jiān)控模塊可在電源電壓不穩(wěn)定時(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。
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