第二章 Microcontroller Concepts

第二章：微控制器概念

2.1 微控制器与微处理器

嵌入式系统由包含微处理器的微控制器驱动。微控制器常常与微处理器混淆。微控制器与微处理器的配置不同。微控制器依靠微处理器进行计算，但还集成了其他功能/外设，使其非常适合嵌入式应用。微控制器的常见缩写是MCU，代表微控制器单元。

微处理器作为计算机系统的中央处理单元（CPU），执行复杂指令并进行算术和逻辑运算。它是一个高度复杂的通用设备，能够处理多任务操作，并为台式电脑、笔记本电脑和服务器等设备提供动力。微处理器可能有多个核心，并依赖外部组件进行输入和输出操作。微处理器通常还需要额外的存储模块，如RAM和ROM，以存储数据和程序指令（例如DDR内存和硬盘）。它们设计用于需要显著计算能力和多功能性的任务，适用于各种计算设备。

图2.1展示了微处理器的框图。

另一方面，微控制器是专为嵌入式系统设计的专用集成电路，其中特定的控制导向任务至关重要。与微处理器不同，微控制器不仅集成了微处理器，还集成了片上存储器（如用于程序存储的闪存/ROM和用于数据存储的RAM）以及多个外设接口。一些外设接口包括数字输入和输出、定时器、计数器、模数转换器和串行通信接口等。图2.2展示了微控制器的框图。这种集成使微控制器能够以最少的组件直接与传感器和执行器接口。微控制器通常具有性能较低的单核CPU，并且功耗远低于微处理器。它们的成本也低得多，更容易编程，体积更小。这使得微控制器成为家用电器、汽车控制系统、机器人、工业自动化和各种消费电子产品等嵌入式系统应用的理想选择。

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2.2 什么是SoC？

SoC（System on Chip，片上系统）是一种将整个系统集成到单个芯片上的技术。SoC通常包括一个或多个微处理器、存储器、外设接口以及其他专用硬件模块。通过将所有这些组件集成到一个芯片中，SoC可以显著减少系统的尺寸、功耗和成本，同时提高性能和可靠性。

SoC的设计目标是满足特定应用场景的需求。例如，在智能手机中，SoC可能包括CPU、GPU、DSP（数字信号处理器）、图像处理单元、无线通信模块（如Wi-Fi和蓝牙）、存储控制器以及各种传感器接口。这种高度集成的设计使得SoC成为现代电子设备的核心组件。

图2.3展示了一个典型的SoC架构。

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2.3 微控制器处理器架构

2.3.1 指令集架构（ISA）

指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）定义了处理器如何执行指令以及与软件交互的方式。ISA是微控制器处理器架构的核心，决定了处理器的功能和性能。常见的ISA包括RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）。

• RISC：RISC架构的特点是指令集简单且固定长度，每条指令在一个时钟周期内完成。这种设计简化了处理器的设计，提高了指令执行的效率。RISC-V是一个开源的RISC架构，近年来在嵌入式领域得到了广泛关注。
• CISC：CISC架构的特点是指令集复杂且长度可变，允许一条指令完成多个操作。这种设计减少了程序所需的指令数量，但可能会增加指令执行的复杂性。

图2.4比较了RISC和CISC架构的关键特性。

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2.4 微控制器的存储器架构

微控制器的存储器架构通常包括以下几部分：

1. 闪存（Flash Memory）：用于存储程序代码和常量数据。闪存是非易失性存储器，即使断电后数据也不会丢失。
2. RAM（随机存取存储器）：用于存储运行时数据和变量。RAM是易失性存储器，断电后数据会丢失。
3. EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：用于存储需要长期保存的小量数据，如配置参数。

图2.5展示了微控制器的典型存储器架构。

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2.5 微控制器的外设接口

微控制器的外设接口使其能够与外部设备通信和交互。常见的外设接口包括：

1. GPIO（通用输入输出）：用于简单的数字信号输入和输出。
2. UART（通用异步收发传输器）：用于串行通信。
3. SPI（串行外设接口）：用于高速通信。
4. I2C（内部集成电路）：用于低速通信。
5. ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）：用于模拟信号和数字信号之间的转换。

图2.6展示了微控制器的外设接口及其应用场景。

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