從歷史切入，了解微控制器的五個要素

要說起微控制器的歷史，就不得不提起距今51年前的1971年，那時，美國英特爾公司開發(fā)了第一款名為i4004d的4位微控制器。它由一家日本BUSICOM公司訂購，并用于其計算器設(shè)計。后來因為合同變更，它成功地作為通用微控制器正式出售。隨后英特爾又開發(fā)了“i8008”、“i8080A”和“i8085”等8位微控制器，繼這之后，英特爾公司又開發(fā)了16位微控制器“8086”，自此微控制器開啟了多樣化發(fā)展之路。

作為半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)廠商，東芝也是最早涉足微控制器產(chǎn)品的廠商之一。由于美國當(dāng)時考慮將電子控制單元作為廢氣法規(guī)的應(yīng)對方案，因此，1973年，東芝開發(fā)了12位微控制器TLCS-12，作為福特的車載發(fā)動機控制器。此后，東芝相繼開發(fā)了從4位到32位或更高版本的高級微控制器，并一直致力于先進(jìn)微控制器產(chǎn)品的開發(fā)。

微控制器自誕生后逐漸得到越來越廣泛的應(yīng)用，特別是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，大規(guī)模集成電路（LSI，一般是指由1000個及以上元件所組成的IC）的出現(xiàn)讓微控制器可以實現(xiàn)計算機的功能。如今，微控制器作為部分電子系統(tǒng)的核心控制單元，掌控著整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。類似于人類的大腦，通過眼睛和耳朵輸入信息，通過思維進(jìn)行計算和記憶，并用自己的身體部位說出、寫出結(jié)果，最終大腦和神經(jīng)控制著整個身體統(tǒng)一運動。在微控制器中，也會存儲開關(guān)、鍵盤、傳感器等器件輸入的信息，進(jìn)行計算，并將結(jié)果作為數(shù)據(jù)輸出。因此，微控制器還必須滿足輸入、計算、存儲、輸出和控制這五個基本要素。

微控制器發(fā)展至今，隨著市場需求的不斷變化，每年都會帶來新的設(shè)計和支持方面的創(chuàng)新，但回歸本身還是離不開上述的五個基本要素。

1、CPU（計算、控制）

微控制器五要素中的第一個，也是最關(guān)鍵的一個是負(fù)責(zé)計算和控制的CPU。它被稱為“微控制器的中心”或“微控制器的大腦”。一般來講，CPU是由C（Central／中央）、P（Processing／處理）和U（Unit／單元）三個字母組合而成。由于需要處理中心數(shù)據(jù)，因此，CPU又被稱為中央處理器，可以說它是一個處理器最核心的部分。

2、存儲器

微控制器的關(guān)鍵作用之一就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只要有數(shù)據(jù)的地方就要有存儲數(shù)據(jù)的單元。因此，微控制器五要素中的第二個，就是負(fù)責(zé)存儲的存儲器。存儲器最直接的操作有兩個：即記憶和讀取存儲的數(shù)據(jù)和指令。通常，“記憶”或“讀取”操作都是由CPU的信號來選擇的。在微控制器的技術(shù)術(shù)語中，我們把“記憶”的操作稱為“寫入”，因為這個過程中CPU要向存儲器發(fā)出“寫入”的指令。而“讀取”操作之所以被稱為“讀取”，是因為它的動作是從存儲器中讀取數(shù)據(jù)。

在微控制器的存儲單元中通常分為代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，代碼區(qū)是放置程序的地方，用于存放微控制器自身需要執(zhí)行的程序，數(shù)據(jù)區(qū)是放置數(shù)據(jù)的地方，存放各種需要處理和處理后的數(shù)據(jù)。微控制器中存儲器有兩種類型：可以讀取和寫入數(shù)據(jù)的RAM（隨機存取存儲器），和只能讀取數(shù)據(jù)的ROM（只讀存儲器）。根據(jù)用途的不同，RAM和ROM有多種類型。通常，RAM在關(guān)閉電源會丟失存儲的數(shù)據(jù)，但ROM不會在關(guān)閉電源后丟失數(shù)據(jù)。

3/4、輸入和輸出端口

五個要素中的第三和第四分別是輸入和輸出（I/O）。I/O是外部設(shè)備與微控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號交換的通道。在微控制器設(shè)計中需要有專用于外部設(shè)備的外圍電路，它們執(zhí)行數(shù)據(jù)的輸入、輸出和通信。輸入和輸出對應(yīng)的基本操作包括CPU的讀和寫，輸入／輸出稱為端口，其地址稱為端口地址。根據(jù)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)和信號交換功能不同，需要分為輸入端口和輸出端口。

5、總線

CPU、存儲器和I/O功能構(gòu)成了一個微控制器的基本內(nèi)部功能單元，但只有通過布線將CPU、存儲器和I/O連接起來，使信號可以在各個單元流通，才能實現(xiàn)微控制器的控制，因此，微控制器的第五個要素就是總線。下圖是一個微控制器信號流的示例。微控制器的各項功能都由多條信號線連接，這些信號線被稱為總線。

在微控制器內(nèi)部的總線類型有三種：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。每條總線上的通信都是在另一條總線的配合下進(jìn)行的。

數(shù)據(jù)總線是用于CPU與存儲器、I/O之間交換數(shù)據(jù)的信號線，并處理存儲在指定位置的數(shù)據(jù)。交換的數(shù)據(jù)包括用于計算的數(shù)值、計算結(jié)果、外部設(shè)備的輸入信號和輸出到外部設(shè)備的信號。

地址總線是用于指定存儲器和I/O位置的信號線。在CPU交換數(shù)據(jù)時，需要指定數(shù)據(jù)的發(fā)送目的地或數(shù)據(jù)的存儲目的地。因此，地址總線便用來指定此位置。

控制總線是用于指定讀取或?qū)懭氲刂房偩€位置的信號線。當(dāng)控制總線發(fā)出寫入指令時，地址總線上指定的存儲器和I/O接收數(shù)據(jù)總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)控制總線發(fā)出“讀取”指令時，數(shù)據(jù)被輸出到數(shù)據(jù)總線。

如今，微控制器的應(yīng)用幾乎無處不在，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，它不僅功能強大，且類型也非常多樣化。通過今天的介紹，你是不是對微控制器又有了更透徹的理解？

來源：東芝半導(dǎo)體
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審核編輯 黃宇