什么是微控制器 在設計中有什么用途

微控制器是小型，多功能，價格低廉的設備，不僅可以由經(jīng)驗豐富的電氣工程師，還可以由業(yè)余愛好者，學生和其他學科的專業(yè)人員成功實施和編程。

微控制器應用程序列表很長，諸如低成本可穿戴設備，醫(yī)療設備，高端消費電子產(chǎn)品，堅固耐用的工業(yè)設備，最先進的軍事和航空航天系統(tǒng)，這些適應性強，價格合理，用戶友好的組件是幾乎被應用在所有電子產(chǎn)品上。

本文我們將討論微控制器的定義，并考慮它在設計中的用途。

什么是微控制器？

微控制器是用于控制電子系統(tǒng)的其他部分的集成電路（IC）設備，通常通過微處理器單元（MPU），存儲器和一些外圍設備。這些器件針對嵌入式應用進行了優(yōu)化，這些應用既需要處理功能，又需要靈活，響應性地與數(shù)字，模擬或機電組件交互。

參考這類集成電路的最常見方式是“微控制器”，但縮寫“MCU”可互換使用，因為它代表“微控制器單元”。您可能偶爾也會看到“μC”（希臘字母mu取代“微”）。

“微控制器”是一個精心挑選的名稱，因為它強調(diào)定義此產(chǎn)品類別的特征。前綴“微”意味著小，這里的術語“控制器”意味著增強的執(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交互的附加硬件相結合的結果。

微控制器與微處理器

在提到微控制器時，人們有時會使用術語“微處理器”或“MPU”，但這兩個設備不一定相同。微處理器和微控制器都是小型，高度集成的計算機系統(tǒng)，但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某些存儲器組成的系統(tǒng)； 微處理器是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，微控制器更加重視允許設備控制系統(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。

總的來說，當我們非正式地說話或者我們試圖避免一遍又一遍地說同一個詞時，使用“微處理器”和“微控制器”這兩個術語并不是一個主要的問題。但是，在技術討論的背景下，保持兩個概念之間的區(qū)別非常重要。

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，它針對要求苛刻的計算任務進行了優(yōu)化，例如數(shù)字濾波，實時信號的數(shù)學分析和數(shù)據(jù)壓縮。高度復雜的微控制器可以用作數(shù)字信號處理器的替代品，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，它仍然被認為是微控制器。

微控制器的元素

微控制器由中央處理單元（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。

中央處理器

CPU執(zhí)行算術運算，管理數(shù)據(jù)流，并根據(jù)程序員創(chuàng)建的指令序列生成控制信號。設計人員看不到CPU功能所需的極其復雜的電路。實際上，由于集成開發(fā)環(huán)境和C語言等高級語言，編寫微控制器代碼通常是一項相當簡單的任務。

記憶

非易失性存儲器用于存儲微控制器的程序 － 即機器語言指令列表，它們告訴CPU確切的操作。您通常會看到“Flash”（指特定形式的非易失性數(shù)據(jù)存儲）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。當微控制器斷電時，該數(shù)據(jù)將丟失。內(nèi)部寄存器也提供臨時數(shù)據(jù)存儲，但我們不認為它們是一個單獨的功能塊，因為它們集成在CPU中。

外設

我們使用“外圍設備”一詞來描述有助于微控制器與外部系統(tǒng)交互的硬件模塊。以下要點確定了各種外圍設備并提供了示例。

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

時鐘產(chǎn)生： 內(nèi)部振蕩器，晶體驅(qū)動電路，鎖相環(huán)

定時：通用定時器，實時時鐘，外部事件計數(shù)器，脈沖調(diào)制

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

支持電路

微控制器包含各種功能塊，這些功能塊不能歸類為外設，因為它們的主要目的不是控制，監(jiān)視或與外部組件通信。盡管如此，它們非常重要 － 它們支持設備的內(nèi)部操作，簡化實現(xiàn)并改進開發(fā)過程。

調(diào)試電路允許設計人員在執(zhí)行指令時仔細監(jiān)控微控制器。這是一種跟蹤錯誤和優(yōu)化固件性能的重要且有時不可或缺的方法。

中斷是微控制器功能的一個非常有價值的方面。中斷由外部或內(nèi)部基于硬件的事件生成，它們使處理器通過執(zhí)行特定的指令組立即響應這些事件。

用C編寫的微控制器程序被組織成函數(shù)。中斷導致程序執(zhí)行“向量”到中斷服務程序（ISR），并且在ISR完成其任務之后，處理器返回到中斷發(fā)生時正在執(zhí)行的功能。

如果時鐘生成模塊用于產(chǎn)生將在芯片外部使用的信號，則可將其視為外設，但在許多情況下，微控制器內(nèi)部振蕩器的主要用途是為CPU和外設提供時鐘信號。內(nèi)部振蕩器通常精度較低，但在能夠承受這種低精度的應用中，它們是簡化設計和節(jié)省電路板空間的便捷有效方法。

微控制器可以包含各種類型的電源電路。集成穩(wěn)壓器允許片上生成所需的電源電壓，電源管理模塊可用于顯著降低器件在非活動狀態(tài)下的電流消耗，并且監(jiān)控模塊可在電源電壓不穩(wěn)定時將處理器置于穩(wěn)定的復位狀態(tài)足夠高，以確?？煽康牟僮?。