MCU微控制器是什么？微控制器和微處理器之間的區(qū)別

什么是微控制器？

在本指南中，我們將詳細探討什么是微控制器以及它與微處理器等相關產品之間的根本區(qū)別。歐時電子指南還將介紹一些最常見的市售微控制器類型，以及它們可以處理的任務類型。

簡而言之，微控制器（通常簡稱為MCU或MC）是指完全獨立于單個芯片的非常小的微型計算機。

如果需要使用更多的基本術語，您可以將微控制器定義成一臺非常簡化的計算機，一遍又一遍地運行單個基本程序。換句話說，微控制器可在單個設備中執(zhí)行由用戶/操作員預先編程的單個自動化任務，并重復執(zhí)行這一項任務（通常是在定時循環(huán)中執(zhí)行）。

這就是“嵌入式應用程序”，它不是由完整的微處理器（也稱為CPU）處理的通用型應用程序。

-正如本指南所述，微控制器包含微處理器等關鍵組件，但與大多數獨立MP相比，它是一種復雜程度更低的動態(tài)CPU。

-這是因為微控制器單元僅限于執(zhí)行一項高度特定的工作，無需微處理器（個人計算機中的微處理器）提供全部功能。

為了實現這一點，微控制器通常通過印制電路板(PCB)與其他類型的組件和電子電路配合使用。通過將兩種或更多基于PCB的設備組合在一起，可以使用微控制器控制、監(jiān)測并影響各類系統(tǒng)和組件行為。

微控制器類型

盡管市場上存在數十個公認的制造品牌和微控制器編程架構，但實際上目前只有三種MCU正在使用。它們分別是：

-8位微控制器

-16位微控制器

-32位微控制器

本指南不旨在深入剖析這三種組件類型之間不同的適用范圍和影響。但三者之間的差異可以簡要概括為：總線寬度——或通俗地講——“數據管道”寬度。

這才是限制給定微控制器速度精度的關鍵。簡而言之，一個8位微控制器需要增加總線訪問權限和更多的指令才能執(zhí)行16位或32位計算，因此與16位或32位MCU相比，它到達“答案”（即輸出行為）的速度更加緩慢。

事實上，要妥善解決8位、16位和32位微控制器之間的差異問題，需要使用冗長的解釋和完整的非程序員術語表。在計算方面，它實際上與“低速”CPU（而非強大的“快速”CPU）的局限性相同；如果您要與給定的微控制器單元一起使用，這一重要標準將會影響編程語言的選擇和適用范圍（例如C++、Python、R、Arduino等）。

對于采購人員而言，8位MCU一般是最基本和最具成本效益的選擇，但它在某些應用中的功能有限。16位和32位微控制器通常是不錯之選，雖然價格昂貴，但性能卻更為出眾。

架構

如上所述，雖然只有三種核心類型的微控制器可供選擇，但該領域內仍存在眾多可選的MCU制造品牌和架構。

再次重申，本指南僅為基礎的入門指南，不旨在深入剖析市售不同架構和品牌之間的細微差異。此外，如果您對任何核心架構和機器語言都不甚精通，那么您將無法完成專業(yè)微控制器的采購任務！

值得注意的是，用戶經常會尋找的一些更受歡迎的產品，包括：

ARM核心處理器（許多供應商提供基于ARM的組件，尤其是針對微控制器應用程序設計的ARM Cortex-M核心）

Microchip Technology Atmel AVR（8位）、AVR32（32位）和AT91SAM（32位）

Microchip Technology PIC，（8位PIC16、PIC18、16位dsPIC33/PIC24）、（32位PIC32）

Freescale ColdFire（32位）和S08（8位）

Intel 8051

PowerPC ISE

瑞薩電子：RL78 16位 MCU；RX 32位 MCU；SuperH；V850 32位 MCU；H8;R8C 16位 MCU

Silicon Laboratories Pipelined 8位 8051 微控制器和混合信號ARM 32位微控制器

德州儀器 TI MSP430（16位）、MSP432（32位）、C2000（32位）

東芝 TLCS-870（8位/16位）

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微控制器的工作原理

如本指南引言所述，微控制器單元（MCU）本質上是一臺完全嵌入至單個集成電路的非常小的計算機（即芯片）。

基于這一點，微控制器有點類似于片上系統(tǒng)(SoC)，即用于家用計算機的系統(tǒng)，基本采用英特爾或AMD產品。但微控制器的復雜性要比普通的SoC（SoC的眾多核心組件通常包含一個或多個微控制器）小得多。

微控制器的運行方式與簡單的SoC非常類似，它們可以通過多種不同的通信協(xié)議來檢測外部刺激或狀況，并對其做出反應。這些協(xié)議包括USB、觸摸響應、環(huán)境傳感器等。

當用戶通過編程以對某些輸入或信號檢測做出反應時，可以使用MCU在多樣的功能和應用程序陣列中執(zhí)行響應行為。這些行為包括簡單的輸入輸出（I/O）觸發(fā)器和組件控制算法，還可以影響更為復雜的完全集成系統(tǒng)的其他組件。

本入門指南并不旨在對微控制器的確切工作方式進行全面細分，其更多的是概述MCU的用途。如果您想學習如何為特定任務編程和操作微控制器，可以在線查找有用指南。

如果您想要了解MCU的工作原理，尤其是MCU與類似組件（例如微處理器）之間的差異，那您有必要了解一下微控制器的物理構成。

由于微控制器實際上是嵌入在單個集成芯片上的簡單微型計算機，所以它需要的基本組件與大型復雜“計算機”的組件相同，例如：

CPU（中央處理器）

本質上是微型計算機的“大腦”，是控制和監(jiān)測MCU內部過程的微處理器

負責讀取和執(zhí)行所有正在執(zhí)行的邏輯/數學功能

RAM（隨機存取存儲器）

僅在通電時使用的臨時存儲，用于運行和計算MCU通知執(zhí)行的程序

使用中不斷被覆蓋

ROM（只讀存儲器）

預先編寫的“永久”內存，未通電也可以保留

指導MCU如何在被詢問時執(zhí)行其程序

內部振蕩器（MCU的主計時器）

該組件用作微控制器的核心時鐘，并控制其內部過程的執(zhí)行節(jié)奏

與其他計時器一樣，它們會跟蹤給定過程中流逝的時間，并幫助MCU以指定的時間間隔開始和結束特定功能

I/O（輸入/輸出）端口

一個或多個通信端口，通常為連接引腳形式

MCU可以通過這些端口鏈接到其他組件和電路，以實現輸入/輸出數據信號和電源的流動

外圍控制器芯片（其他可選配件和組件）

根據MCU需要執(zhí)行的任務而定

其他計時器和計數器、脈寬調制（PWM）節(jié)點、模數轉換器、數模轉換器、眾多數據捕獲模塊、其他I/O選項等

但與個人計算機配置的同類SoC相比，所有這些微控制器組件的范圍/容量都大大減小。MCU通常用于控制吹風機或計算器等基本行為，但對于更復雜的機器（如完整的計算機），它將無法勝任。

微控制器和微處理器之間的區(qū)別

令人毫不意外的是，我們很難精確區(qū)分微控制器和微處理器(MP)或片上系統(tǒng)(SoC)。

這個問題解答起來可能比較復雜。簡言之，微控制器（MCU）是一種簡化的單任務版SoC。從技術角度而言，MCU的集成電路中包含了某種CPU/處理器，但它屬于高度簡化的版本。這種低功耗微處理器可有效充當微控制器的簡易CPU或“大腦”，使MCU具備執(zhí)行單一編程任務的基本能力。

要找出MCU與MP的其他主要差異，最簡單的方法就是根據組件來判斷。真正的微處理器不含任何內存（RAM或ROM）或I/O端口，而且只能在更大的系統(tǒng)中運行（例如，指示獨立微處理器如何執(zhí)行特定功能的指令通常存儲在外部）。而在微控制器中，所有這些組件（包括簡化的處理器）都組合在一個獨立的裝置中。

在性能方面，它可以分為以下內容：

微控制器

微處理器是一個獨立單元，包含一個非常簡單的CPU或微處理器

由用戶預先編程用于單個特定應用

性能方面不是特別強大；它們通常僅消耗少量電量，而包含的集成數據存儲容量卻很少

需要由操作員編程才能執(zhí)行任務

無法在其專門編程的范圍之外操作（所編寫的代碼及其質量將完全決定其性能）

通常用于特定設備或旨在重復執(zhí)行一項任務的設備

微處理器

功能范圍方面更加復雜和通用，旨在用于更通用的計算（與專用的單任務設備相對）

具有比MCU更快的處理器（“時鐘”）速度，通常以千兆赫（GHz）（非Hz）為單位進行測量

與相對簡單且經濟的微控制器不同，它具有高度的挑戰(zhàn)性和高昂的制造成本

為了實現操作，需要更多的外部組件（RAM、I/O端口、數據存儲等），這些組件均未集成到MP，必須單獨購買和連接

具有更高的功耗，連續(xù)運行的成本效益較低

微控制器的用途

微控制器已經迅速滲透到一系列現代應用程序和各個行業(yè)之中，在各類技術和裝置中都能發(fā)現它們的身影。

毫不夸張地說，對于任何包含傳感器、顯示器、用戶界面和可編程輸出控制/執(zhí)行器的電子設備，MCU都是它們的關鍵組成部分。

一些較常見的應用程序和環(huán)境微控制器一般用于：

自動化與機器人

消費類電子產品和家用電器（冰箱、水壺、微波爐、洗衣機、電視、遙控器、電動剃須刀和電話等）

醫(yī)療和實驗室設備（手持式診斷設備、掃描儀和X射線機、測量/分析和監(jiān)測工具）

汽車工業(yè)和車輛控制系統(tǒng)（動力總成調節(jié)、多媒體控制臺和導航軟件）

工業(yè)和生產環(huán)境控件（供暖和照明、HVAC系統(tǒng)、安全鎖定裝置等）

當作為功能電路的一部分安裝在特定設備或系統(tǒng)中時，微控制器可以感應和監(jiān)測周圍環(huán)境（或與其連接的其他組件）中的各種事件、行為或輸入信號，并對其進行響應。

此外，您還可以對特定MCU進行編程，例如推送特定類型的輸出信號/行為控制，以響應某些輸入標準。這包括如下任務：

響應觸摸用戶的需求，啟動(O)LED顯示器

在溫度感應應用程序或其他報警/警告系統(tǒng)中啟動燈光和聲音

響應以打開或關閉泵或其他機械設備的電機

調整陀螺儀（或基于加速計的應用）中的傾角/平衡/速度

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審核編輯：湯梓紅