到底什么是微控制器和微处理器?
网络整理 2021-12-10

微控制器

微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。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。

微控制器(Microcontroller Unit,即MCU)可从不同方面进行分类:根据数据总线宽度可分为8位、16位和32位机;根据存储器结构可分为Harvard结构和Von Neumann结构;根据内嵌程序存储器的类别可分为OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和闪存Flash;根据指令结构又可分为CISC(Complex Instruction Set Computer)和RISC(Reduced Instruction Set Computer)微控制器。

微控制器原理

微控制器工作原理

今天,在大量形形色色的产品中,都可以看到微控制器的影子。如果你的微波炉有发光二极管或是液晶显示屏和操作按键,那么它就装有微控制器。现在所有的汽车都至少装有一个微控制器,多的可达六到七个: 发动机、防抱死刹车系统和定速巡航控制都离不开微控制器的控制。任何配有遥控装置的设备几乎都装有微控制器: 电视机、录像机和高端的立体声系统都属于这一类。 精密的单反相机、数码相机、手机、便携摄像机、电话应答机、激光打印机、带来电显示和号码存储等功能的电话、寻呼机、功能全面的电冰箱、洗碗机、洗衣机以及带有显示屏和操作键盘的干衣机……你应该有所了解了。总的来说,任何需要与用户进行交互的产品或设备都内置有微控制器。

什么是微处理器?

一个微处理器就是一个计算机。所有的计算机——无论我们所说的个人台式计算机或是一台大型计算机或是一个微控制器——都有很多共同点:

所有的计算机都有一个用来执行程序的CPU(中央处理单元)。如果你正坐在一台台式计算机前阅读这篇文章,这台计算机的CPU现在正在执行一个程序,这个程序就是用于显示这个网页的Web浏览器。

CPU从某个设备中加载程序。在你的台式计算机上,浏览器程序是从硬盘中载入的。

计算机具有一些用来存储“变量”的RAM(随机存取存储器)。

此外,计算机还有一些输入和输出的设备,这样它才能和用户交换信息。在你的台式计算机上,键盘和鼠标是输入设备,显示器和打印机是输出设备。 硬盘则是一个输入输出设备——它既可以输入又可以输出。

你正在使用的台式机是一种“通用计算机”,它可以运行数以千计的各类程序。而微控制器则是用作特殊用途的“专用计算机”。它专注于做一件事。 微控制器还有许多共同的特点。如果一个计算机具备了以下大部分的特征,那么你就可以称之为“微控制器”:

微控制器都“嵌入”在其他装置(通常是一个消费类产品)内部来控制该产品的功能和操作。 因此,微控制器又被称为“嵌入式控制器”。

微控制器运行一个特定的程序来完成一项专门的工作。该程序存储在ROM(只读存储器)中,一般不会被修改。

微控制器通常是低能耗的装置。 台式计算机的电源插头几乎始终插在墙壁插座中,其功率约为50瓦。电池供电的微控制器的功率大概为0.05瓦。

微控制器有一个专用输入设备,通常(但并不总是)还有一个用作输出的发光二极管或液晶显示屏。 微控制器也从它所控制的装置获取输入信号,并通过向设备中的不同部分发送信号来控制该设备。

例如,电视机中的微控制器从遥控器得到输入信号,然后在屏幕上显示出来。微控制器会控制频道选择器、扬声器和一些如色彩、亮度等显像管的电子调节。 汽车中的发动机控制器从氧气和爆震等传感器中得到输入信号,对燃料混合以及火花塞定时等进行控制。微波炉控制器从操作键盘获得输入信号,在液晶显示屏上显示输出,并控制负责微波发生器开关的继电器。

微控制器通常具有小巧、低成本的特点。 对各个元件的选择都秉持使体积小化、使成本低化的原则。

微控制器通常都很耐用,但也并不总是这样。

例如,控制轿车发动机的微控制器必须能够在一般计算机无法承受的温度极限下工作。美国阿拉斯加的汽车的微控制器就需要工作在零下34摄氏度的寒冷天气里,而同样的控制器在美国内华达州则需要工作在零上49摄氏度的炎热环境中。再加上发动机运行发出的热量,发动机箱的温度可高达零上65-80摄氏度。

而录像机内部使用的嵌入式微控制器则没有这么苛刻的要求。

实际上,用作微控制器的处理器多种多样。 例如,数字手机工作原理一文中的移动电话就包含一个Z-80处理器。Z-80处理器是一个8位微处理器,它诞生于二十世纪七十年代,初用于当时的家用计算机中。GPS接收机工作原理中的Garmin全球定位系统,包含一个低功耗版的Intel 80386处理器,据说是这样。Intel 80386处理器初是专为台式计算机设计的。

在许多产品中,例如微波炉,对于微控制器性能的要求很低,价格是主要的考虑因素。 在这样的情况下,制造商开始设计专用的微控制器芯片——一种专为成本低、体积小且功耗低设计的嵌入式中央处理器。Motorola 6811和Intel 8051都是这种芯片的成功典范。另外还有Microchip公司生产的名为“PIC 微控制器”的系列控制器,也非常受欢迎。从今天的标准来看,这些中央处理器简易得令人难以置信;但是大批量购买的价格非常低廉,而且往往只需一片就可以满足产品设计者的需要。

一个典型的低端微控制器芯片中约有1000字节的只读存储器和20字节的随机存取存储器,有8个输入输出引脚。大批量生产这种芯片,单位成本不过几美分。 当然,你也不能指望在这种芯片上运行像Microsoft Word这样的程序——因为 Microsoft Word需要约30兆字节的随机存取存储空间和每秒可执行几百万条指令的处理器。不过控制一台微波炉可不需要Microsoft Word这么复杂的程序。你要使用微控制器完成的是一个具体的任务,而且低成本、低功耗运行才是重要的。

微控制器的使用

在电子门工作原理一文中,你了解到了7400系列TTL(晶体管逻辑电路)元件,在哪里购买以及如何装配它们。 你会发现要实现一个简单的装置通常需要很多门电路。 例如,在数字时钟部分,我们所设计的时钟可能需要15到20片芯片。微控制器的主要优势之一就在于,软件(你编写并在控制器上执行的那个小程序)可以取代许多门电路。 因此,本文中我们将用微控制器制作一台数字时钟。 这将是一台非常昂贵的数字时钟(近200美元!),但是在这一过程中,你将积累下今后几年使用微控制器需要的各种知识。 即使并不实际动手制作这样一个数字时钟,阅读相关内容就能让你获益良多。

这里用到的一款微控制器是专为方便日常生活设计的。 它是Parallax公司开发的名为“BASIC Stamp”的微控制器。 BASIC Stamp是一个兼容BASIC程序设计语言的PIC微控制器。使用BASIC程序设计语言使得微控制器的软件编写变得十分容易。 微控制器配套提供了一个9伏电池供电的母板,通过和计算机的一个端口相连对其进行编程。没有一个制造商会在实际的产品中使用BASIC Stamp——因为 Stamp价格高且速度慢(相对而言)。 但是,为进行实验建模或一次性演示产品使用Stamp非常普遍,因为它的设置和使用是令人难以置信的轻松。

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