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什么是微控制器 ?微处理器和微控制器有什么不同?

微控制器是将微机的主要部分集成在一个芯片上的单片机。微控制器主要用于汽车空调和自动化机械领域的自动控制设备。微控制器因其体积小、功耗低、使用方便等特点,被广泛应用于各种工业和民用嵌入式系统中。微控制器诞生于20世纪70年代中期,经过20多年的发展,其成本越来越低,而性能越来越强大,这使其应用已经无处不在,遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电(洗衣机、微波炉)等。

什么是微控制器 ?

微处理器就是一台计算机。所有计算机——无论是个人台式计算机、大型计算机还是微控制器——都有很多共同点:

所有计算机都有一个用于执行程序的 CPU(中央处理单元)。如果你坐在台式电脑前阅读这篇文章,这台电脑的 CPU 现在正在执行一个程序,也就是用来显示这个网页的网络浏览器。 CPU 从设备加载程序。在您的台式计算机上,浏览器程序是从硬盘加载的。计算机有一些 RAM(随机存取存储器)用于存储“变量”。

此外,计算机还具有一些输入和输出设备,以便与用户进行信息交换。在台式计算机上,键盘和鼠标是输入设备,显示器和打印机是输出设备。硬盘是一种输入输出设备,因为它既可以输入数据,也可以输出数据。

微控制器
微控制器

您使用的台式计算机是一台“通用计算机”,可以运行数千种不同的程序。

微控制器是用于特殊用途的“专用计算机”。它专注于一件事。微控制器也有许多共同的特点。如果一台计算机具有以下大部分特征,那么您可以称其为“微控制器”:

  1. 微控制器“嵌入”在其他设备中,以控制产品的功能和操作。因此,微控制器也被称为“嵌入式控制器”。
  2. 微控制器运行特定程序以完成特殊任务。该程序存储在ROM(只读存储器)中,一般不作修改。
  3. 微控制器通常是低功耗设备。台式电脑的电源插头几乎总是插在墙上的插座上,其功率约为 50 瓦。电池供电的微控制器的功率约为 0.05 瓦。
  4. 微控制器有一个专用的输入设备,通常(但不总是)有一个发光二极管或 LCD 屏幕用于输出。
  5. 微控制器还从它控制的设备中获取输入信号。它通过向设备的不同部分发送信号来控制设备。例如:
    • 电视机中的微控制器接收来自遥控器的输入信号并将其显示在屏幕上。微控制器将控制通道选择器、扬声器和一些显像管的电子调节。
    • 车内的发动机控制器从氧气和爆震等传感器获取输入信号,控制燃油混合和火花塞正时。
    • 微波炉控制器从操作键盘获取输入信号,在液晶显示器上显示输出,并控制负责微波发生器开关的继电器。
微控制器框图
微控制器框图

微控制器通常很耐用,但并非总是如此。例如,控制汽车发动机的微控制器必须能够在普通计算机无法承受的温度限制下运行。美国阿拉斯加汽车的微控制器要求在零下34摄氏度的寒冷天气下工作,而同样的控制器需要在内华达州49摄氏度的炎热环境下工作。再加上发动机产生的热量,发动机箱的温度可高达65-80摄氏度。而控制汽车发动机的微控制器必须承受这样的温度,甚至更高。但记录仪内部使用的嵌入式微控制器没有这样的要求。

有多种处理器用作微控制器。例如,Z-80 处理器是一个 8 位微处理器。它诞生于 1970 年代,最初用于当时的家用电脑。 Garmin全球定位系统在GPS接收器的工作原理中包含了低功耗版本的Intel 80386处理器。而 Intel 80386 处理器最初是专为台式计算机设计的。

在很多产品中,比如微波炉,对微控制器的性能要求很低,而价格是消费者主要考虑的因素。在这种情况下,厂商开始设计专用的微控制器芯片。它是一种嵌入式中央处理器,专为低成本、小尺寸和低功耗而设计。摩托罗拉 6811 和英特尔 8051 就是此类芯片的成功例子。还有一系列由 Microchip 公司生产的称为“PIC 微控制器”的控制器。按照今天的标准来看,这些中央处理器非常简单。但是,大批量采购的价格很低,往往只有一件可以满足产品设计师的需求。

英特尔 8051 引脚图
英特尔 8051 引脚图

一个典型的低端微控制器芯片有大约 1000 字节的只读存储器和 20 字节的随机存取存储器,具有 8 个输入和输出引脚。这种芯片量产的单位成本只有几美分。当然,你不能指望在这个芯片上运行像 Microsoft Word 这样的程序,因为 Microsoft Word 需要大约 30 兆字节的随机存取存储空间和一个每秒可以执行数百万条指令的处理器。

然而,控制微波炉并不需要像 Microsoft Word 这样复杂的程序。你想用微控制器完成的是一项特定的任务。低成本和低功耗运行是最重要的。

微控制器的类型

MCU是Microcontroller Unit的缩写。就是适当降低CPU的频率和规格。并将存储器、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA、LCD驱动电路等接口集成在一个芯片上,形成芯片级计算机。 MCU可以针对不同的应用进行不同的控制组合,例如手机、PC外设、遥控器、汽车电子、工业步进电机、机械臂等。

MCU根据其存储器类型可分为无片上ROM型和有片上ROM型。对于没有片上ROM类型的芯片,必须外接EPROM(一般为8031);片上ROM类型的芯片分为片上EPROM类型(典型芯片为87C51)和MASK片上掩膜ROM类型(典型芯片为8051)、片上Flash类型(典型芯片为89C51)等类型。

微控制器按用途可分为通用型和专用型。根据数据总线的宽度和一次可处理的数据字节长度,可分为8位、16位、32位MCU。

微控制器的工作原理

控制器是将微机的主要部分集成在一个芯片上的单片机。微控制器诞生于 1970 年代中期。经过20多年的发展,它的成本越来越低,性能也越来越强大。示例包括电机控制、条形码阅读器/扫描仪、消费电子产品、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全和访问控制、工业控制和自动化以及白色家电(洗衣机、微波炉)。

微机系统结构
微机系统结构

 

1、 微控制器的作用

在工业应用中,微控制器的作用是控制和协调整个设备的活动。它通常需要程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令解码器(ID)、定时和控制电路以及脉冲源。

根据控制器在工作中所起的作用,单片机主要有以下几种:

1) 指令控制器

指令控制器是控制器中非常重要的一部分。它必须完成获取指令、分析指令等操作,然后交给执行单元(ALU或FPU)执行。同时,它也构成了下一条指令的地址。

2) 时序控制器

时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号。时序控制器包括时钟发生器和倍频定义单元,其中时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号,就是CPU的主频;而倍频定义单元则定义了CPU主频是存储器频率(总线频率)的几倍。

3) 总线控制器

总线控制器主要用于控制CPU的内部和外部总线,包括地址总线、数据总线、控制总线等。

4) 中断控制器

中断控制器用于控制各种中断请求。它根据优先级对中断请求进行排队,然后交给CPU处理。

2、 设备控制器的基本功能

就控制领域而言,主要有以下几个功能:

1) 数据缓冲区

缓冲区通常内置在控制器中。输出时,缓冲区用于高速暂存来自主机的数据,然后以I/O设备拥有的速率将缓冲区中的数据传输到I/O设备。在输入时,缓冲区用于临时存储从 I/O 设备发送的数据。接收到一批数据后,将缓冲区中的数据高速传输到主机。

2) 差错控制

设备控制器还负责对 I/O 设备传输的数据进行错误检测。如果在传输过程中发生错误,通常会设置错误检测码并上报给CPU,因此CPU会丢弃本次传输的数据,并进行另一次传输。这样可以保证数据输入的准确性。

3) 数据交换

这是指 CPU 和控制器之间以及控制器和设备之间的数据交换。对于前者,CPU通过数据总线将数据并行写入控制器或从控制器并行读取数据。对于后者,设备将数据输入到控制器或将数据从控制器传输到设备。为此,必须在控制器中设置数据寄存器。

4) 识别和报告设备状态

控制器会记下设备的状态以供 CPU 了解。例如,CPU 只能在设备处于准备发送状态时启动控制器从设备中读取数据。为此,应在控制器中设置一个状态寄存器,其中的每一位都反映设备的某种状态。当 CPU 读取这个寄存器的内容时​​,就可以了解设备的状态。

5)接收和识别命令

CPU 可以向控制器发送多种不同的命令,设备控制器应能接收并识别这些命令。为此,在控制器中应具有相应的控制寄存器,用来存放接收的命令和参数,并对所接收的命令进行译码。例如,磁盘控制器可以接收 CPU 发来的 Read、Write、Format 等 15 条不同的命令,而且有些命令还带有参数;相应地,在磁盘控制器中有多个寄存器和命令译码器等。

6)地址识别

就像内存中的每个单元都有一个地址一样,系统中的每个设备也都有一个地址。设备控制器必须能够识别它控制的每个设备的地址。此外,为了让 CPU 向(或从)寄存器写入(或读取)数据,这些寄存器都应该具有唯一的地址。例如,在IB-MPC机器中,硬盘控制器中每个寄存器的地址为320~32F之一。控制器应该能够正确识别这些地址。为此,应在控制器中配置地址解码器。

微处理器和微控制器有什么区别?

微处理器和微控制器的区别主要集中在硬件结构、应用领域和指令集特征 3 个方面:

1)硬件结构
微处理器是一个单芯片 CPU,而微控制器则在一块集成电路芯片中集成了 CPU 和其他电路,构成了一个完整的微型计算机系统。微机系统结构见上图。除了 CPU,微控制器还包括 RAM、ROM、一个串行接口、一个并行接口,计时器和中断调度电路。这些都集成在一块集成电路上。虽然片上 RAM 的容量比普通微型计算机系统还要小,但是这并未限制微控制器的使用。在后面可以了解到,微控制器的应用范围非常广泛。
微控制器的一个重要的特征是内建的中断系统。作为面向控制的设备,微控制器经常要实时响应外界的激励(中断)。微控制器必须执行快速上下文切换,挂起一个进程去执行另一个进程以响应一个“事件”。例如,打开微波炉的门就是一个事件,在基于微控制器的产品中这个事件将触发一个中断。微处理器也能拥有强大的中断功能,但是通常需要外部元件的配合,而微控制器在片上集成了所有处理中断必需的电路。
2)应用领域
微处理器通常作为微型计算机系统中的 CPU 使用。其设计正是针对这样的应用,这也是微处理器的优势所在。然而,微控制器通常用于面向控制的应用。其系统设计追求小型化,尽可能减少元器件数量。在过去,这些应用通常需要用数十个甚至数百个数字集成电路来实现。使用微控制器可以减少元器件的使用数量,只需一个微控制器、少量的外部元件和存储在 ROM 中的控制程序就能够实现同样的功能。微控制器适用于那些以极少的元件实现对输入 / 输出设备进行控制的场合,而微处理器适用于计算机系统中进行信息处理。
3)指令集特征
由于应用场合不同,微控制器和微处理器的指令集也有所不同。微处理器的指令集增强了处理功能,使其拥有强大的寻址模式和适于操作大规模数据的指令。微处理器的指令可以对半字节、字节、字,甚至双字进行操作。通过使用地址指针和地址偏移,微处理器提供了可以访问大批数据的寻址模式。自增和自减模式使得以字节、字或双字为单位访问数据变得非常容易。另外,微处理器还具有其他的特点,如用户程序中无法使用特权指 令等。
微控制器的指令集适用于输入 / 输出控制。许多输入 / 输出的接口是单 / 位的。例如,电磁铁控制着马达的开关,而电磁铁由一个 1 位的输出端口控制。微控制器具有设置和清除单位的指令,也能执行其他面向位的操作,如对“位”进行逻辑与、或和异或的运算,根据标志位跳转等。很少有微处理器具备这些强大的位操作能力,因为设计者在设计微处理器时,仅考虑以字节或更大的单位来操作数据。
在对设备的控制和监视方面(可能是通过一个 1 位的接口),微控制器具有专门的内部电路和指令用于输入 / 输出、计时和外部中断的优先权分配。微处理器一般需要配合附加的电路(串行接口芯片、中断控制器、定时器等)才能执行相同的任务。不过,单纯就处理能力而言,微控制器永远达不到微处理器的水平(在其他条件相同的情况下),因为微控制器芯片中的集成电路的很大一部分用于实现其他的片上功能,代价就是牺牲掉一部分处理能力。
由于微控制器芯片上的资源非常紧张,它的指令必须非常精简,大部分指令的长度都短于 1 个字节。控制程序的设计原则通常是要求程序能够装入片上的 ROM,因为即使只增加 1 片外部 ROM 也将显着提高产品的硬件成本。微控制器指令集的基本特点就是具有精简的编码方案。微处理器不具备这样的特点,因为它们强大的寻址模式使得指令编码不够简洁。

生产微控制器的厂家有哪些?

 

  • Altera
  • Analog Devices.
  • Atmel.
  • Cypress Semiconductor.
  • ELAN Microelectronics Corp.
  • EPSON Semiconductor.
  • Espressif Systems.
  • Freescale Semiconductor.

微控制器的缺点是什么?

  • 微控制器不能直接连接大功率设备。
  • 与微处理器相比,它具有更复杂的结构。
  • 只同时执行了有限数量的命令。
  • 般用于微型设备。

 

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