通用微控制器組件的特征和內(nèi)部架構(gòu)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(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，那么毫無疑問，這是精通基于微控制器的電路設(shè)計。

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，甚至可以說是支配地位。微控制器是小型，多功能，廉價的設(shè)備，不僅可以由經(jīng)驗豐富的電氣工程師，而且可以由其他學(xué)科的業(yè)余愛好者，學(xué)生和專業(yè)人員成功地實施和編程。

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

這個任意波形發(fā)生器是我圍繞8位微控制器設(shè)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(shè)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(shè)備，通常用于通過微處理器單元（MPU），存儲器和某些外圍設(shè)備來控制電子系統(tǒng)的其他部分。這些設(shè)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(yīng)性交互的嵌入式應(yīng)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(diào)定義該產(chǎn)品類別的特征。前綴“ micro”表示體積小，術(shù)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(shè)計用于幫助微控制器與其他組件進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

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

術(shù)語“處理器”用于標(biāo)識由中央處理單元和（可選）一些內(nèi)存組成的系統(tǒng)；微處理器是一種在單個集成電路中實現(xiàn)處理器所有功能的設(shè)備。相比之下，微控制器將重點更多地放在允許設(shè)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(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，互換使用術(shù)語“微處理器”和“微控制器”不是主要問題。但是，在技術(shù)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(xué)分析和數(shù)據(jù)壓縮等苛刻的計算任務(wù)進行了優(yōu)化。高度復(fù)雜的微控制器可以代替數(shù)字信號處理器，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(shè)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(shù)運算，管理數(shù)據(jù)流并生成控制信號。設(shè)計人員看不到CPU功能所需的極其復(fù)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(dāng)簡單的任務(wù)。

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(dāng)微控制器掉電時，該數(shù)據(jù)將丟失。內(nèi)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(shè)

我們使用“外圍設(shè)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(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數(shù)據(jù)。

時鐘發(fā)生器： 內(nèi)部振蕩器，晶體驅(qū)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(diào)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(shè)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(shè)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(shè)備的內(nèi)部操作，簡化實現(xiàn)并改善開發(fā)過程。

調(diào)試電路使設(shè)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(nèi)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(yīng)這些事件。

用C語言編寫的單片機程序組成功能。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)生時正在執(zhí)行的功能。

如果時鐘發(fā)生器模塊旨在產(chǎn)生將在芯片外部使用的信號，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)備提供時鐘信號。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，它們是簡化設(shè)計并節(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)時將處理器置于穩(wěn)定的復(fù)位狀態(tài)足夠高以確?？煽康牟僮鳌?/p>

原文標(biāo)題：通用微控制器組件的特征和架構(gòu)

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