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MCU 又名:單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)或者單片機

       微控制單元(Microcontroller Unit;MCU) ,又稱單片微型計算機(Single Chip Microcomputer )或者單片機,是把中央處理器(Central Process Unit;CPU)的頻率與規(guī)格做適當縮減,并將內(nèi)存(memory)、計數(shù)器(Timer)、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口,甚至LCD驅(qū)動電路都整合在單一芯片上,形成芯片級的計算機,為不同的應用場合做不同組合控制。諸如手機、PC外圍、遙控器,至汽車電子、工業(yè)上的步進馬達、機器手臂的控制等,都可見到MCU的身影。

主要分類

按用途分類:

       通用型:將可開發(fā)的資源(ROM、RAM、I/O、 EPROM)等全部提供給用戶。

       專用型:其硬件及指令是按照某種特定用途而設計,例如錄音機機芯控制器、打印機控制器、電機控制器等。

按其基本操作處理的數(shù)據(jù)位數(shù)分類:

       根據(jù)總線或數(shù)據(jù)暫存器的寬度,單片機又可分為1位、4位、8位、16位、32位甚至64位單片機。4位MCU大部份應用在計算器、車用儀表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD播放器、LCD驅(qū)動控制器、LCD游戲機、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機等;8位MCU大部份應用在電表、馬達控制器、電動玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來電辨識器(CallerID)、電話錄音機、CRT顯示器、鍵盤及USB等;8位、16位單片機主要用于一般的控制領域,一般不使用操作系統(tǒng), 16位MCU大部份應用在行動電話、數(shù)字相機及攝錄放影機等;32位MCU大部份應用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、激光打印機與彩色傳真機; 32位用于網(wǎng)絡操作、多媒體處理等復雜處理的場合,一般要使用嵌入式操作系統(tǒng)。64位MCU大部份應用在高階工作站、多媒體互動系統(tǒng)、高級電視游樂器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高級終端機等。

       8位MCU工作頻率在16~50MHz之間,強調(diào)簡單效能、低成本應用,在目前MCU市場總值仍有一定地位,而不少MCU業(yè)者也持續(xù)為8bit MCU開發(fā)頻率調(diào)節(jié)的節(jié)能設計,以因應綠色時代的產(chǎn)品開發(fā)需求。

       16位MCU,則以16位運算、16/24位尋址能力及頻率在24~100MHz為主流規(guī)格,部分16bit MCU額外提供32位加/減/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出現(xiàn)并持續(xù)降價及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價優(yōu)勢下,夾在中間的16bit MCU市場不斷被擠壓,成為出貨比例中最低的產(chǎn)品。

       32位MCU可說是MCU市場主流,單顆報價在1.5~4美元之間,工作頻率大多在100~350MHz之間,執(zhí)行效能更佳,應用類型也相當多元。但32位MCU會因為操作數(shù)與內(nèi)存長度的增加,相同功能的程序代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%,這導致內(nèi)嵌OTP/FlashROM內(nèi)存容量不能太小,而芯片對外腳位數(shù)量暴增,進一步局限32bit MCU的成本縮減能力。

內(nèi)嵌程序存儲器類型

       下面以51單片機為例(MCS-51系列MCU是我國使用最多的單片機),根據(jù)其內(nèi)部存儲器的類型不同可以分為以下幾個基本型:

       1.無ROM型 :8031

       2.ROM型:8051

       3.EPROM型:8751

       4.EEPROM 型:8951

       5.增強型:8032/8052/8752/8952/C8051F

       MCU按其存儲器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對于無片內(nèi)ROM型的芯片,必須外接EPROM才能應用(典型芯片為8031)。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型(典型芯片為87C51)、MASK片內(nèi)掩模ROM型(典型芯片為8051)、片內(nèi)FLASH型(典型芯片為89C51)等類型,一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程ROM(One Time Programming, OTP)的芯片(典型芯片為97C51)。MASKROM的MCU價格便宜,但程序在出廠時已經(jīng)固化,適合程序固定不變的應用場合;FLASH ROM的MCU程序可以反復擦寫,靈活性很強,但價格較高,適合對價格不敏感的應用場合或做開發(fā)用途;OTPROM的MCU價格介于前兩者之間,同時又擁有一次性可編程能力,適合既要求一定靈活性,又要求低成本的應用場合,尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。

       由于MCU強調(diào)是最大密集度與最小芯片面積,以有限的程序代碼達成控制功能,因此當今MCU多半使用內(nèi)建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash內(nèi)存來儲存韌體碼,MCU內(nèi)建Flash內(nèi)存容量從低階4~64KB到最高階512KB~2MB不等。

存儲器結構

       MCU根據(jù)其存儲器結構可分為哈佛(Harvard)結構和馮?諾依曼(Von Neumann)結構。現(xiàn)在的單片機絕大多數(shù)都是基于馮·諾伊曼結構的,這種結構清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個基本部分:一個中央處理器核心,程序存儲器(只讀存儲器或者閃存)、數(shù)據(jù)存儲器(隨機存儲器)、一個或者更多的定時/計時器,還有用來與外圍設備以及擴展資源進行 通信 的輸入/輸出端口,所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。

指令結構

       MCU根據(jù)指令結構又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer,復雜指令集計算機)和RISC(Reduced Instruction Set Comuter,精簡指令集計算機微控制器)

技術原理

       MCU同溫度傳感器之間通過I2C總線連接。I2C總線占用2條MCU輸入輸出口線,二者之間的通信完全依靠軟件完成。溫度傳感器的地址可以通過2根地址引腳設定,這使得一根I2C總線上可以同時連接8個這樣的傳感器。本方案中,傳感器的7位地址已經(jīng)設定為1001000。MCU需要訪問傳感器時,先要發(fā)出一個8位的寄存器指針,然后再發(fā)出傳感器的地址(7位地址,低位是WR信號)。傳感器中有3個寄存器可供MCU使用,8位寄存器指針就是用來確定MCU究竟要使用哪個寄存器的。本方案中,主程序會不斷更新傳感器的配置寄存器,這會使傳感器工作于單步模式,每更新一次就會測量一次溫度。

       要讀取傳感器測量值寄存器的內(nèi)容,MCU必須首先發(fā)送傳感器地址和寄存器指針。MCU發(fā)出一個啟動信號,接著發(fā)出傳感器地址,然后將RD/WR管腳設為高電平,就可以讀取測量值寄存器。

       為了讀出傳感器測量值寄存器中的16位數(shù)據(jù),MCU必須與傳感器進行兩次8位數(shù)據(jù)通信。當傳感器上電工作時,默認的測量精度為9位,分辨力為0.5 C/LSB(量程為-128.5 C至128.5 C)。本方案采用默認測量精度,根據(jù)需要,可以重新設置傳感器,將測量精度提高到12位。如果只要求作一般的溫度指示,比如自動調(diào)溫器,那么分辨力達到1 C就可以滿足要求了。這種情況下,傳感器的低8位數(shù)據(jù)可以忽略,只用高8位數(shù)據(jù)就可以達到分辨力1 C的設計要求。由于讀取寄存器時是按先高8位后低8位的順序,所以低8位數(shù)據(jù)既可以讀,也可以不讀。只讀取高8位數(shù)據(jù)的好處有二,第一是可以縮短MCU和傳感器的工作時間,降低功耗;第二是不影響分辨力指標。

       MCU讀取傳感器的測量值后,接下來就要進行換算并將結果顯示在LCD上。整個處理過程包括:判斷顯示結果的正負號,進行二進制碼到BCD碼的轉(zhuǎn)換,將數(shù)據(jù)傳到LCD的相關寄存器中。

數(shù)據(jù)處理完畢并顯示結果之后,MCU會向傳感器發(fā)出一個單步指令。單步指令會讓傳感器啟動一次溫度測試,然后自動進入等待模式,直到模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢。MCU發(fā)出單步指令后,就進入LPM3模式,這時MCU系統(tǒng)時鐘繼續(xù)工作,產(chǎn)生定時中斷喚醒CPU。定時的長短可以通過編程調(diào)整,以便適應具體應用的需要。

發(fā)展歷史

       單片機出現(xiàn)的歷史并不長,但發(fā)展十分迅猛。 它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步,自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來,它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個階段。下面以Intel公司的單片機發(fā)展為代表加以介紹。

1971-1976

       單片機發(fā)展的初級階段。 1971年11月Intel公司首先設計出集成度為2000多只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004, 并配有RAM、ROM和移位寄存器, 構成了第一臺MCS—4微處理器, 而后又推出了8位微處理器Intel 8008, 其它各公司也相繼推出的8位微處理器。

1976-1980

       低性能單片機階段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列為代表, 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時/計數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構, 雖然其尋址范圍有限(不大于4 KB), 也沒有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中斷系統(tǒng)也較簡單, 但其功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。

1980-1983

       高性能單片機階段。這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口, 有多級中斷處理系統(tǒng), 多個16位定時器/計數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM的容量加大,且尋址范圍可達64 KB,個別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。

1983-80年代末

       16位單片機階段。1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS-96系列, 由于其采用了最新的制造工藝, 使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。

1990年代

       單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發(fā)展。

       按照單片機的特點,單片機的應用分為單機應用與多機應用。在一個應用系統(tǒng)中,只使用一片單片機稱為單機應用。單片機的單機應用范圍包括:

       (1) 測控系統(tǒng)。用單片機可以構成各種不太復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等, 達到測量與控制的目的。

       (2) 智能儀表。用單片機改造原有的測量、控制儀表, 促進儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向發(fā)展。

       (3) 機電一體化產(chǎn)品。單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品相結合, 使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結構簡化, 控制智能化。

       (4) 智能接口。在計算機控制系統(tǒng), 特別是在較大型的工業(yè)測、控系統(tǒng)中, 用單片機進行接口的控制與管理, 加之單片機與主機的并行工作, 大大提高了系統(tǒng)的運行速度。

       (5) 智能民用產(chǎn)品。如在家用電器、玩具、游戲機、聲像設備、電子秤、辦公設備、廚房設備等許多產(chǎn)品中,單片機控制器的引入不僅使產(chǎn)品的功能大大增強,性能得到提高,而且獲得了良好的使用效果。

       單片機的多機應用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機處理及局部網(wǎng)絡系統(tǒng)。

       (1) 功能集散系統(tǒng)。 多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設置的多機系統(tǒng)。

       (2) 并行多機控制系統(tǒng)。 并行多機控制系統(tǒng)主要解決工程應用系統(tǒng)的快速性問題, 以便構成大型實時工程應用系統(tǒng)。

       (3) 局部網(wǎng)絡系統(tǒng)。

       單片機按應用范圍又可分成通用型和專用型。專用型是針對某種特定產(chǎn)品而設計的,例如用于體溫計的單片機、用于洗衣機的單片機等等。在通用型的單片機中,又可按字長分為4位、8位、16/32位,雖然計算機的微處理器現(xiàn)在幾乎是32/64位的天下,8位、16位的微處理器已趨于萎縮,但單片機情況卻不同,8位單片機成本低,價格廉,便于開發(fā),其性能能滿足大部分的需要,只有在航天、汽車、機器人等高技術領域,需要高速處理大量數(shù)據(jù)時,才需要選用16/32位,而在一般工業(yè)領域,8位通用型單片機,仍然是目前應用最廣的單片機。

       到目前為止,中國的單片機應用和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)走過了二十余年的歷程,隨著嵌入式系統(tǒng)逐漸深入社會生活各個方面,單片機課程的教學也有從傳統(tǒng)的8位處理器平臺向32位高級RISC處理器平臺轉(zhuǎn)變的趨勢,但8位機依然難以被取代。國民經(jīng)濟建設、軍事及家用電器等各個領域,尤其是手機、汽車自動導航設備、PDA、智能玩具、智能家電、醫(yī)療設備等行業(yè)都是國內(nèi)急需單片機人才的行業(yè)。行業(yè)高端目前有超過10余萬名從事單片機開發(fā)應用的工程師,但面對嵌入式系統(tǒng)工業(yè)化的潮流和我國大力推動建設“嵌入式軟件工廠”的機遇,我國的嵌入式產(chǎn)品要融入國際市場,形成產(chǎn)業(yè),則必將急需大批單片機應用型人才,這為高職類學生從事這類高技術行業(yè)提供了巨大機會。

英漢計算機詞匯

       Main Computational Unit,主要計算部件; Maintenance Control Unit, 維護控制器; Master Control Unit, 主控制器; Memory Control Unit, 存儲(器)控制器;Micro (computer) Control Unit, 微(計算機)控制器; Microprocessor Control Unit, 微處理機控制器

區(qū)別

MCU和SOC的區(qū)別

       MCU(微控制器單元)和SoC(系統(tǒng)級芯片)都是集成電路的重要類型,它們在電子設備中,尤其是嵌入式系統(tǒng)中,發(fā)揮著關鍵作用。盡管它們有相似之處,但也存在顯著的區(qū)別。以下是對MCU和SoC之間區(qū)別的詳細分析:

定義與集成度:

       MCU:是一種集成了處理器核心(通常是低功耗的)、內(nèi)存(RAM和ROM)、輸入/輸出接口以及其他功能于單一芯片的小型計算機。它的集成度相對較低,專注于基本的控制和處理任務。

       SoC:是一種高度集成的電路,不僅包含了傳統(tǒng)MCU的功能,還集成了更多的系統(tǒng)組件,如完整的操作系統(tǒng)、高性能處理器(如CPU、GPU)、多媒體處理單元、網(wǎng)絡接口等。SoC在單個芯片上實現(xiàn)了更高層次的系統(tǒng)集成。

性能:

       MCU:通常具有較低的處理能力和內(nèi)存容量,適用于簡單的控制和數(shù)據(jù)處理任務。

       SoC:包含高性能的處理器核心,能夠處理復雜的任務和大量的數(shù)據(jù),適用于需要高計算能力和多任務處理的應用場景。

功耗:

       MCU:設計注重低功耗,適合在電池供電或能源受限的環(huán)境中長期運行。

       SoC:由于其高性能和集成的多功能模塊,功耗相對較高。

應用領域:

       MCU:廣泛應用于家用電器、汽車電子、工業(yè)控制系統(tǒng)等領域,執(zhí)行簡單的控制和管理任務。

       SoC:用于更復雜的系統(tǒng),如智能手機平板電腦、高端嵌入式系統(tǒng)等,這些系統(tǒng)需要更高的處理能力和更豐富的功能支持。

成本:

       MCU:通常成本較低,適合成本敏感的應用。

       SoC:由于其高度集成和強大的性能,可能成本較高。

       綜上所述,MCU和SoC在定義、性能、功耗、應用領域和成本等方面存在顯著差異。在選擇使用MCU還是SoC時,需要根據(jù)項目的具體需求、預算、功耗要求和性能需求來做出決策。

MCU和DSP的區(qū)別

       MCU(微控制器單元,Microcontroller Unit)和DSP數(shù)字信號處理器,Digital Signal Processor)在多個方面存在顯著的區(qū)別,以下從幾個關鍵維度進行詳細比較:

一、定義與功能

       MCU:MCU是一種基于單片微處理器的集成電路,集成了CPU、存儲器、輸入/輸出接口等功能模塊。它主要用于實現(xiàn)對各種外設的控制和管理,具有集成度高、低功耗、易于開發(fā)、實時性強和低成本等特點。

       DSP:DSP是一種專門的微處理器芯片,其結構為數(shù)字信號處理的操作需要而優(yōu)化。它主要用于實現(xiàn)復雜的數(shù)字信號處理任務,如音頻處理、圖像處理等,具有高性能的運算能力和豐富的數(shù)據(jù)處理功能。

二、架構與性能

       MCU:MCU的架構通常比較簡單,運算速度和數(shù)據(jù)處理能力相對較低,但功耗非常低。它適用于對實時性要求不高的應用,如家電控制、汽車電子、工業(yè)控制等領域。

       DSP:DSP的架構更加復雜,專為高速數(shù)字信號處理而設計。它通常采用哈佛結構,將存儲器空間劃分成兩個,分別存儲程序和數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)訪問速度。DSP的運算速度和數(shù)據(jù)處理能力非常高,適用于對實時性要求較高的應用。

三、應用領域

       MCU:MCU廣泛應用于家電、汽車電子、工業(yè)自動化、醫(yī)療設備、通信設備、安防系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等領域。例如,在家電領域,MCU可以實現(xiàn)對洗衣機、冰箱、空調(diào)等設備的智能控制;在汽車電子領域,MCU可以應用于發(fā)動機控制、剎車系統(tǒng)、車載娛樂系統(tǒng)等。

       DSP:DSP主要應用于通信、音視頻處理、圖像處理等領域。例如,在通信領域,DSP可以實現(xiàn)對信號的高效處理,提高通信系統(tǒng)的性能和可靠性;在音視頻處理領域,DSP可以實現(xiàn)音頻編解碼、視頻編解碼等功能,提高音視頻質(zhì)量。

四、其他區(qū)別

       存儲器結構:MCU通常采用馮·諾依曼結構,只有一個存儲器空間;而DSP則通常采用哈佛結構,將存儲器空間劃分成程序和數(shù)據(jù)兩個獨立的空間。

       定點計算:DSP普遍采用定點計算方式,以避免使用浮點機器并確保數(shù)字的準確性。而MCU在處理數(shù)字信號時可能更多地依賴于浮點計算。

       尋址方式與乘法運算:DSP處理器往往支持專門的尋址模式,并且使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法,支持高效的乘法累加運算。相比之下,MCU可能不是為密集乘法任務設計的,其乘法運算效率較低。

       綜上所述,MCU和DSP在定義、功能、架構、性能、應用領域以及具體的技術實現(xiàn)等方面都存在顯著的區(qū)別。在實際應用中,應根據(jù)具體的需求和場景選擇合適的處理器。隨著科技的不斷發(fā)展,MCU和DSP將在更多領域發(fā)揮更大的作用。


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