3 MCU（Microcontroller Unit,微控制器/單片機(jī)） 5

3.1 MCU的概念 5

3.2 MCU的概述 5

3.3 MCU的分類 6

3.4 MCU的架構(gòu):CISC架構(gòu)和RISC架構(gòu) 6

3.5 常見(jiàn)的MCU 6

3.6 MCU的典型代表:ARM 9

3 MCU（Microcontroller Unit,微控制器/單片機(jī)）

3.1 MCU的概念

MCU是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分（包括CPU，存儲(chǔ)器，定時(shí)/計(jì)數(shù)器（Timer/Counter），各種I/O接口）集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用，故也稱單片機(jī)（Single Chip Microcomputer，單片微型計(jì)算機(jī)）。

隨后為了滿足控制領(lǐng)域的嵌入式應(yīng)用，單片機(jī)中不斷擴(kuò)展一些滿足控制要求的電路單元，目前單片機(jī)已廣泛稱為微控制器（MCU）。

也有由微處理器發(fā)展的微控制器，比如Intel的386EX就是很成功的80386微處理器的微控制器版本，它與嵌入式應(yīng)用的微處理器一樣，也稱為嵌入式微處理器。

嵌入式處理器的高端產(chǎn)品有：Advanced RISC Machines公司的ARM、Silicon Graphics公司的MIPS、IBM和Motorola的Power PC 、Intel的X86和i960芯片、AMD的Am386EM、Hitachi的SH RISC芯片。

3.2 MCU的概述

絕大多數(shù)現(xiàn)在的單片機(jī)都是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器）、一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)時(shí)器，還有用來(lái)與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/輸出端口，所有這些都被集成在單個(gè)集成電路芯片上。

說(shuō)單片機(jī)與通用型中央處理單元芯片不同，是因?yàn)榍罢咭话愫苋菀着浜献钚⌒偷耐獠恐С中酒瞥晒ぷ饔?jì)算機(jī)，這樣就可以很容易的把單片機(jī)系統(tǒng)植入裝置內(nèi)部來(lái)控制裝置了。

近年來(lái)為了在指令和數(shù)據(jù)上使用不同的字寬，并提高處理器流水線速度，哈佛結(jié)構(gòu)在微控制器（Microcontroller）和數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor, DSP）也逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的微處理器是不允許這么做的。

它要完成單片機(jī)的工作，就必須連接一些其他芯片。比如說(shuō)，因?yàn)樾酒蠜](méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，就必須要添加一些RAM的存儲(chǔ)芯片，雖然所添加存儲(chǔ)器的容量很靈活，但是至少還是要添加。另外還需要添加很多連線來(lái)傳遞芯片之間的數(shù)據(jù)。

與以上的情況相比，單片機(jī)的工作則相對(duì)獨(dú)立，一個(gè)典型的微控制器只需要一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和很少的RAM和ROM（或者EPROM, E2PROM）就可以在軟件和晶振下工作了。

同時(shí)，微控制器具有豐富的輸入輸出設(shè)備，例如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter, ADC），定時(shí)器，串口，以及其他串行通訊接口，比如I2C，SPI（串行周邊接口），CAN（控制器局域網(wǎng)）等。

通常，這些集成在內(nèi)部的設(shè)備可以通過(guò)特殊的指令來(lái)操作。單片機(jī)時(shí)鐘頻率通常較同時(shí)代的計(jì)算機(jī)芯片低，但它價(jià)格低廉，能夠提供充足的程序存儲(chǔ)器、豐富的片上接口。某些架構(gòu)的單片機(jī)生產(chǎn)廠商眾多，例如8051系列、Z80系列。

一些現(xiàn)代的微控制器支持一些內(nèi)建的高級(jí)編程語(yǔ)言，比如BASIC語(yǔ)言、C語(yǔ)言、C++等。

3.3 MCU的分類

根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機(jī)；

根據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可分為哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)和馮·諾伊曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)；

根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器的類別可分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和Flash的MCU；根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))和RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))微控制器。

3.4 MCU的架構(gòu):CISC架構(gòu)和RISC架構(gòu)

基于CISC架構(gòu)的微控制器除了80C51外，還包括Motorola提供的68HC系列微控制器，這也是大量應(yīng)用的微控制器系列。

基于RISC架構(gòu)的微控制器則包括Microchip的PIC系列8位微控制器等。

在16位RISC架構(gòu)的微控制器中，Maxim公司推出的MAXQ系列微控制器以其高性能、低功耗和卓越的代碼執(zhí)行效率，成為許多需要高精度混合信號(hào)處理以及便攜式系統(tǒng)和電池供電系統(tǒng)的理想選擇。

MAXQ2000微控制器是Maxim/Dallas公司推出的一款基于RISC架構(gòu)的16位微控制器，其指令讀取和執(zhí)行操作在一個(gè)周期內(nèi)完成，而沒(méi)有流水線操作，這是因?yàn)橹噶罴劝瞬僮鞔a也包括了數(shù)據(jù)。

字母Q表示這款微控制器的一個(gè)重要特點(diǎn)便是“安靜”，MAXQ架構(gòu)通過(guò)智能化的時(shí)鐘管理來(lái)降低噪聲．這意味著MAXQ只向那些需要使用時(shí)鐘的電路提供時(shí)鐘，這樣既降低了功耗，又為模擬電路的整合提供了一個(gè)最安靜的環(huán)境。它包含液晶顯示(LCD)接口，最多可以驅(qū)動(dòng)100或132段(兩種版本)。

3.5 常見(jiàn)的MCU

微芯公司的PIC系列出貨量居于業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者地位；Atmel的51系列及AVR系列種類眾多，受支持面廣；德州儀器的MSP430系列以低功耗聞名，常用于醫(yī)療電子產(chǎn)品及儀器儀表中；瑞薩單片機(jī)在日本使用廣泛。

（1）ARM公司：ARM 系列MCU

（2）Atmel公司：AVR系列MCUAtmel AT91 series (ARM 處理器等)AT90 series – AVR (Atmel 的高性能RISC 8位單片機(jī)，老產(chǎn)品)ATmega series – AVR (Atmel 的高性能RISC 8 位單片機(jī)，新產(chǎn)品)ATXmega series – AVR (Atmel 的高性能RISC 32 位單片機(jī)，新產(chǎn)品)Atmel AT89 series (Intel 8051/MCS51 架構(gòu)8位單片機(jī))MARC4

（3）Cypress MicroSystems（賽普拉斯微系統(tǒng)公司） CY8C2xxxx (PSoC)

（4）Freescale Semiconductor（飛思卡爾半導(dǎo)體）8-bit：68HC05 (CPU05)，68HC08 (CPU08)，68HC11 (CPU11)。16-bit：68HC12 (CPU12)，68HC16 (CPU16)，F(xiàn)reescale DSP56800 (DSPcontroller)。32-bit Freescale 683XX (CPU32)MPC500MPC 860 (PowerQUICC)MPC 8240/8250 (PowerQUICC II)MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III)

（5）Holtek（盛群半導(dǎo)體） HT48FXX Flash I/O typeHT48RXX I/O typeHT46RXX A/D typeHT49RXX LCD type

（6）Intel（英特爾）MCU8-bit：8XC42MCS48MCS51 : Intel 8051系列MCU歷史悠久，相容產(chǎn)品眾多，使用廣泛。8xC25116-bit：MCS96系列MXS29632-bit：i960

（7）Microchip（微芯公司）的PIC系列MCU 8-bit : PIC10，PIC12，PIC16，PIC18。16-bit : PIC24F，PIC24H，dsPIC30，dsPIC33。32bit : PIC32 （采用MIPS M4K 核心架構(gòu)）

（8）National Semiconductor（美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體） COP8CR16

（9）NEC 

78K

（10）NXP Semiconductors（恩智浦半導(dǎo)體，由飛利浦以 Philips Semiconductors 為班底新成立） LPC2000LPC900LPC700

（11）Parallax, Inc. BASIC Stamp

（12）Renesas 瑞薩科技系列單片機(jī) Renesas 16-bits Renesas M16C SeriesRenesas M32C SeriesRenesas R8C SeriesRenesas M16C/Tiny SeriesRenesas R8C/Tiny SeriesRenesas H8/Tiny Series

（13）ST Microelectronics（意法半導(dǎo)體）STM32 series (ARM Cortex-M3 系列，32位)STM8 series (自主RISC指令集，8 位)

（14）SyncMOS 新茂國(guó)際科技全系列單片機(jī) SM59RXXA2 8-bits 1T(RISC)SM59DXXG2 8-bits 6T(ISP)SM59XX 8-bits 12T(ISP)SM89XX 8-bits 12T(Traditional 8051)SM79XX 8-bits 12T(Customization)

（15）PADAUK應(yīng)廣科技全系列單片機(jī)(多核心單片機(jī)) P201CS/CD 8-bitsP211CS/CD 8-bitsp232CS/CD 8-bitsP234CS/CD 8-bits

（16）ZiLOG Z8Z86E02

（17）STC 宏晶系列MCUSTC89C series 6T/12T增強(qiáng)性單片機(jī) (Intel 8051架構(gòu)，有外部總線)STC11F/11L series 2T 增強(qiáng)性單片機(jī) (Intel 8051增強(qiáng)架構(gòu)，無(wú)外部總線程序支持)STC12C/12LE series 2T 增強(qiáng)性單片機(jī) (Intel 8051增強(qiáng)架構(gòu)，無(wú)外部總線程序支持)STC15C/15LE series 2T 增強(qiáng)性單片機(jī) (Intel 8051增強(qiáng)架構(gòu)，無(wú)外部總線程序支持，正在開(kāi)發(fā)中)

（18）Kernel-IC 華芯 LS系列MCULSx051 series 12T 雙核單片機(jī)(Intel 8051架構(gòu)，無(wú)外部總線)LSx151 series 12T 三核單片機(jī)(Intel 8051架構(gòu)，無(wú)外部總線)LS052A series 6T 三核單片機(jī)(Intel 8051架構(gòu)，無(wú)外部總線)其他系列的單片機(jī)Msp430系列單片機(jī)8098、80196系列單片機(jī)AT8P5X系列單片機(jī)CZG8000系列單片機(jī)

3.6 MCU的典型代表:ARM

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。

ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器，基本是32位單片機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案，四個(gè)功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的要求來(lái)配置生產(chǎn)。

由于所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運(yùn)行。目前ARM在手持設(shè)備 市場(chǎng)占有90%以上的份額，可以有效地縮短應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)與測(cè)試的時(shí)間，也降低了研發(fā)費(fèi)用。