通用微控制器组件的特征和内部架构研究

在本文中，我们将研究这些极受欢迎的IC的定义特征，然后研究内部架构。

如果我必须选择一种技能，这将是任何工程师的最宝贵的技能，那么毫无疑问，这是精通基于微控制器的电路设计。

在塑造现代生活的技术革命中，微控制器发挥了根本作用，甚至可以说是支配地位。微控制器是小型，多功能，廉价的设备，不仅可以由经验丰富的电气工程师，而且可以由其他学科的业余爱好者，学生和专业人员成功地实施和编程。

低成本可穿戴设备，医疗设备，高端消费电子产品，坚固的工业设备，最先进的军事和航空航天系统-这些适应性强，价格适中，用户友好的组件几乎是所有电子产品中受欢迎的组件。

这个任意波形发生器是我围绕8位微控制器设计的许多电路板之一。

在本文中，我们将介绍微控制器的定义，并考虑其在设计中的作用。

什么是微控制器？

微控制器是一种集成电路（IC）设备，通常用于通过微处理器单元（MPU），存储器和某些外围设备来控制电子系统的其他部分。这些设备针对需要处理功能以及与数字，模拟或机电组件进行敏捷，响应性交互的嵌入式应用进行了优化。

提及此类集成电路的最常见方式是“微控制器”，但缩写“ MCU”在表示“微控制器单元”时可互换使用。您也可能偶尔会看到“ µC”（希腊字母mu代替“微”）。

“ Microcontroller”（微控制器）是一个易于选择的名称，因为它强调定义该产品类别的特征。前缀“ micro”表示体积小，术语“ controller”在此处表示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进行交互的其他硬件结合在一起的结果。

微控制器与微处理器

人们有时在指代微控制器时会使用术语“微处理器”或“ MPU”，但是这两个设备不一定相同。微处理器和微控制器都可以用作小型，高度集成的计算机系统，但是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（可选）一些内存组成的系统；微处理器是一种在单个集成电路中实现处理器所有功能的设备。相比之下，微控制器将重点更多地放在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上。

下图说明了此概念。

总体而言，当我们非正式地交谈或试图避免一遍又一遍地讲相同的单词时，互换使用术语“微处理器”和“微控制器”不是主要问题。但是，在技术讨论的背景下，保持两个概念之间的区别很重要。

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，已针对诸如数字滤波，实时信号的数学分析和数据压缩等苛刻的计算任务进行了优化。高度复杂的微控制器可以代替数字信号处理器，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，则仍将其视为微控制器。

微控制器的要素

微控制器由中央处理器（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根据程序员编写的指令序列执行算术运算，管理数据流并生成控制信号。设计人员看不到CPU功能所需的极其复杂的电路。实际上，由于集成了开发环境和高级语言（例如C），为微控制器编写代码通常是一项相当简单的任务。

存储器

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，这些指令告诉CPU确切的操作。通常，您会看到单词“ Flash”（这是指非易失性数据存储的一种特定形式），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。当微控制器掉电时，该数据将丢失。内部寄存器还提供临时数据存储，但是我们不将它们视为独立的功能块，因为它们已集成到CPU中。

外设

我们使用“外围设备”一词来描述帮助微控制器与外部系统交互的硬件模块。以下要点指出了各种外围设备并提供了示例。

数据转换器：模数转换器，数模转换器，参考电压发生器

该图显示了我使用微控制器的片上ADC数字化的三轴加速度计数据。

时钟发生器： 内部振荡器，晶体驱动电路，锁相环

定时器：通用定时器，实时时钟，外部事件计数器，带调制脉冲

模拟信号处理： 运算放大器，模拟比较器

输入/输出：通用数字输入和输出电路，并行存储器接口

串行通信： UART，SPI，I2C，USB

围绕16位微控制器设计了该传感器子系统。

支持电路

微控制器包含各种不能归类为外围设备的功能块，因为它们的主要目的不是控制，监视或与外部组件通信。但是，它们非常重要-它们支持设备的内部操作，简化实现并改善开发过程。

调试电路使设计人员可以在执行指令时仔细监视微控制器。这是走线错误并优化固件性能的重要方法，有时是必不可少的。

中断是微控制器功能的一个非常有价值的方面。中断是由基于外部或内部基于硬件的事件生成的，它们使处理器通过执行一组特定的指令来立即响应这些事件。

用C语言编写的单片机程序组成功能。中断导致程序执行“引导”到中断服务程序（ISR），ISR完成其任务后，处理器将返回中断发生时正在执行的功能。

如果时钟发生器模块旨在产生将在芯片外部使用的信号，则可以将其视为外围设备，但是在许多情况下，微控制器内部振荡器的主要目的是为CPU和外围设备提供时钟信号。内部振荡器通常具有较低的精度，但是在可以容忍这种低精度的应用中，它们是简化设计并节省电路板空间的便捷有效方式。

微控制器可以结合各种类型的电源电路。集成的稳压器允许在芯片上生成所需的电源电压，电源管理模块可用于显着降低非活动状态下设备的电流消耗，管理模块可在电源电压不处于正常状态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。

原文标题：通用微控制器组件的特征和架构

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