通用微控制器組件的特征和內部架構研究

在本文中，我們將研究這些極受歡迎的IC的定義特征，然后研究內部架構。

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，那么毫無疑問，這是精通基于微控制器的電路設計。

在塑造現(xiàn)代生活的技術革命中，微控制器發(fā)揮了根本作用，甚至可以說是支配地位。微控制器是小型，多功能，廉價的設備，不僅可以由經驗豐富的電氣工程師，而且可以由其他學科的業(yè)余愛好者，學生和專業(yè)人員成功地實施和編程。

低成本可穿戴設備，醫(yī)療設備，高端消費電子產品，堅固的工業(yè)設備，最先進的軍事和航空航天系統(tǒng)-這些適應性強，價格適中，用戶友好的組件幾乎是所有電子產品中受歡迎的組件。

這個任意波形發(fā)生器是我圍繞8位微控制器設計的許多電路板之一。

在本文中，我們將介紹微控制器的定義，并考慮其在設計中的作用。

什么是微控制器？

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

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

“ Microcontroller”（微控制器）是一個易于選擇的名稱，因為它強調定義該產品類別的特征。前綴“ micro”表示體積小，術語“ controller”在此處表示增強的執(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)字存儲器與專門設計用于幫助微控制器與其他組件進行交互的其他硬件結合在一起的結果。

微控制器與微處理器

人們有時在指代微控制器時會使用術語“微處理器”或“ MPU”，但是這兩個設備不一定相同。微處理器和微控制器都可以用作小型，高度集成的計算機系統(tǒng)，但是它們可以用于不同的目的。

術語“處理器”用于標識由中央處理單元和（可選）一些內存組成的系統(tǒng)；微處理器是一種在單個集成電路中實現(xiàn)處理器所有功能的設備。相比之下，微控制器將重點更多地放在允許設備控制系統(tǒng)而不是簡單地執(zhí)行指令和存儲數(shù)據(jù)的附加硬件模塊上。

下圖說明了此概念。

總體而言，當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，互換使用術語“微處理器”和“微控制器”不是主要問題。但是，在技術討論的背景下，保持兩個概念之間的區(qū)別很重要。

微控制器與數(shù)字信號處理器（DSP）

數(shù)字信號處理器（或“ DSP”）是一種微處理器，已針對諸如數(shù)字濾波，實時信號的數(shù)學分析和數(shù)據(jù)壓縮等苛刻的計算任務進行了優(yōu)化。高度復雜的微控制器可以代替數(shù)字信號處理器，但如果其內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，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），非易失性存儲器，易失性存儲器，外圍設備和支持電路組成。

中央處理單元

CPU根據(jù)程序員編寫的指令序列執(zhí)行算術運算，管理數(shù)據(jù)流并生成控制信號。設計人員看不到CPU功能所需的極其復雜的電路。實際上，由于集成了開發(fā)環(huán)境和高級語言（例如C），為微控制器編寫代碼通常是一項相當簡單的任務。

存儲器

非易失性存儲器用于存儲微控制器的程序，即（通常很長的）機器語言指令列表，這些指令告訴CPU確切的操作。通常，您會看到單詞“ Flash”（這是指非易失性數(shù)據(jù)存儲的一種特定形式），而不是“非易失性存儲器”。

易失性存儲器（即RAM）用于臨時數(shù)據(jù)存儲。當微控制器掉電時，該數(shù)據(jù)將丟失。內部寄存器還提供臨時數(shù)據(jù)存儲，但是我們不將它們視為獨立的功能塊，因為它們已集成到CPU中。

外設

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

數(shù)據(jù)轉換器：模數(shù)轉換器，數(shù)模轉換器，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數(shù)據(jù)。

時鐘發(fā)生器： 內部振蕩器，晶體驅動電路，鎖相環(huán)

定時器：通用定時器，實時時鐘，外部事件計數(shù)器，帶調制脈沖

模擬信號處理： 運算放大器，模擬比較器

輸入/輸出：通用數(shù)字輸入和輸出電路，并行存儲器接口

串行通信： UART，SPI，I2C，USB

圍繞16位微控制器設計了該傳感器子系統(tǒng)。

支持電路

微控制器包含各種不能歸類為外圍設備的功能塊，因為它們的主要目的不是控制，監(jiān)視或與外部組件通信。但是，它們非常重要-它們支持設備的內部操作，簡化實現(xiàn)并改善開發(fā)過程。

調試電路使設計人員可以在執(zhí)行指令時仔細監(jiān)視微控制器。這是走線錯誤并優(yōu)化固件性能的重要方法，有時是必不可少的。

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

用C語言編寫的單片機程序組成功能。中斷導致程序執(zhí)行“引導”到中斷服務程序（ISR），ISR完成其任務后，處理器將返回中斷發(fā)生時正在執(zhí)行的功能。

如果時鐘發(fā)生器模塊旨在產生將在芯片外部使用的信號，則可以將其視為外圍設備，但是在許多情況下，微控制器內部振蕩器的主要目的是為CPU和外圍設備提供時鐘信號。內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用中，它們是簡化設計并節(jié)省電路板空間的便捷有效方式。

微控制器可以結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狀態(tài)下設備的電流消耗，管理模塊可在電源電壓不處于正常狀態(tài)時將處理器置于穩(wěn)定的復位狀態(tài)足夠高以確保可靠的操作。

原文標題：通用微控制器組件的特征和架構

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責任編輯：haq