你真的了解微控制器吗？一文辨别你是大牛还是小白

yuankunli · 发表于 2019-4-21 07:14:49

[paragraph]源自爱板网：https://www.eeboard.com/evaluation/mcumpu/

本文将重点比较一些市面上最受欢迎的IC产品，剖析其内在的架构。
现在摆在你面前一个问题“如果让你选择一门电子工程师专精的技能，你会选择哪个？”，要是我，那无疑会选择精通通用MCU的电路设计。
在科技变革的今天，微控制器可算是扮演了一个重要的角色影响着现代人的生活，想想看，家中的各种家用电器，无一不内置着一枚看不到摸不着又十分重要的控制核心。微控制器作为一种小巧、灵活多功能、而且并不昂贵的器件，可以灵活的应用到现在的嵌入式应用中，这种大规模的广泛应用得以实现不仅归功于众多有经验的电子工程师，甚至说还包括电子爱好者、学生以及其它领域的专业人员。
微控制器的应用如此之多，以至于我都不知道是否有必要举例来说明。像低功耗的[backcolor= transparent]可穿戴[/table]设备、医疗设备、高端的消费电子、粗糙的工业设备、甚至说最尖端的军事设施和航空航天设备等，这些灵活的，可提供的友好的部门都可以作为仅仅是电子产品的一种补充。
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此文将探讨微控制器的定义以及微控制器在一个产品设计中的主要用途。
你所不了解的微控制器
微控制器简单地说就是一个集成电路芯片，通常通过一个微处理单元、内存以及一些外设控制电子系统中的各个功能部分。微控制器为那些既需要处理功能又需要灵活的数字、模拟交互、电机等应用做了特别的优化。
我们通常称这类集成电路叫做微控制器，但是MCU的真正算起来是microcontroller unit的缩写，并且有时候你也可能偶尔看到µC这种缩写。
“微控制器”可以说是一个非常有精髓的名字，说精挑细选也不为过，它强调定义此产品类别的特征。前缀“微”意味着小，这里的术语“控制器”意味着增强的执行控制功能的能力。如上所述，此功能是将数字处理器和数字存储器与专门设计用于帮助微控制器与其他组件交互的附加硬件相结合的结果。
微控制器与微处理器
在提到微控制器时，人们有时会使用术语“微处理器”或“MPU”，但这两个器件不一定相同。微处理器和微控制器都是小型、高度集成的计算机系统，但它们可以用于不同的目的。
术语“处理器”用于标识由中央处理单元和某些存储器组成的系统; 微处理器是在单个集成电路中实现处理器所有功能的设备。相比之下，微控制器更加重视允许设备控制系统而不是简单地执行指令和存储数据的附加硬件模块。
下图说明了这个概念。
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总的来说，当我们非正式地说话或者我们试图避免一遍又一遍地说同一个词时，使用“微处理器”和“微控制器”这两个术语并不是非常重要的问题。但是，在技术讨论的背景下，保持两个概念之间的区别非常重要。
微控制器与数字信号处理器（DSP）
数字信号处理器（或“DSP”）是一种微处理器，它针对要求苛刻的计算任务进行了优化，例如数字滤波，实时信号的数学分析和数据压缩。高度复杂的微控制器可以用作数字信号处理器的替代品，但如果其内部电路的很大一部分用于控制，监视和与周围系统通信，它仍然被认为是微控制器。

微控制器的组成部分
微控制器由中央处理单元（CPU），非易失性存储器，易失性存储器，外围设备和支持电路组成。
中央处理单元
CPU执行算术运算，管理数据流，并根据程序员创建的指令序列生成控制信号。设计人员看不到CPU功能所需的极其复杂的电路。实际上，由于集成开发环境和C语言等高级语言，编写微控制器代码通常是一项相当简单的任务。
存储
非易失性存储器用于存储微控制器的程序 - 即（通常很长的）机器语言指令列表，它们告诉CPU确切的操作。您通常会看到“Flash”（指特定形式的非易失性数据存储）而不是“非易失性存储器”。
易失性存储器（即RAM）用于临时数据存储。当微控制器断电时，该数据将丢失。内部寄存器也提供临时数据存储，但我们不认为它们是一个单独的功能块，因为它们集成在CPU中。
外设
我们使用“外围设备”一词来描述有助于微控制器与外部系统交互的硬件模块。以下要点确定了各种外围设备并提供了示例。

[li]数据转换器：模数转换器，数模转换器，参考电压发生器[/li]<a target="_blank" href="https://www.eeboard.com/wp-content/uploads/2019/04/techarticle_awg1_PCB_2-3.jpg" class="cboxElement" rel="example4" 386091"="" style="text-decoration-line: none; color: rgb(1, 150, 227); background-color: transparent; touch-action: manipulation;">

[li]时钟产生：内部振荡器，晶体驱动电路，锁相环[/li][li]定时：通用定时器，实时时钟，外部事件计数器，脉冲调制[/li][li]模拟信号处理：运算放大器，模拟比较器[/li][li]输入/输出：通用数字输入和输出电路，并行存储器接口[/li][li]串行通信： UART，SPI，I2C，USB[/li]<a target="_blank" href="https://www.eeboard.com/wp-content/uploads/2019/04/techarticle_awg1_PCB_2-4.jpg" class="cboxElement" rel="example4" 386091"="" style="text-decoration-line: none; color: rgb(1, 150, 227); background-color: transparent; touch-action: manipulation;">

支持电路
微控制器包含各种功能块，这些功能块不能简单归类为外设，因为它们的主要目的不是控制、监视或与外部组件通信。尽管如此，但它们非常重要 - 它们支持设备的内部操作，简化实现并改进开发过程。

[li]调试电路允许设计人员在执行指令时仔细监控微控制器，这是一种跟踪错误和优化固件性能的重要且有时不可或缺的方法。[/li][li]中断是微控制器非常重要的一个功能，中断由外部或内部基于硬件的事件生成，它们使处理器通过执行特定的指令组立即响应这些事件。[/li]<a target="_blank" href="https://www.eeboard.com/wp-content/uploads/2019/04/techarticle_awg1_PCB_2-5.jpg" class="cboxElement" rel="example4" 386091"="" style="text-decoration-line: none; color: rgb(1, 150, 227); background-color: transparent; touch-action: manipulation;">

[li]如果时钟生成模块旨在产生将在芯片外部使用的信号，则可将其视为外设，但在许多情况下，微控制器内部振荡器的主要目的是为CPU和外设提供时钟信号。内部振荡器通常精度较低，但在能够承受这种低精度的应用中，它们是简化设计和节省电路板空间的一种非常便捷有效的方法。[/li][li]微控制器可以包含各种类型的电源电路。集成稳压器允许片上生成所需的电源电压，电源管理模块可用于显著降低器件在非活动状态下的电流消耗，并且监控模块可在电源电压不稳定时将处理器置于稳定的复位状态足够高，以确保可靠的操作。[/li]希望你对微控制有个全新的认识！