?? ?Microcontroller(微控制器)又可簡稱MCU或μC,也有人稱為單芯片微控制器(Single Chip Microcontroller),將ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一個芯片中,為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制.微控制器在經(jīng)過這幾年不斷地研究,發(fā)展,歷經(jīng)4位,8位,到現(xiàn)在的16位及32位,甚至6?位.產(chǎn)品的成熟度,以及投入廠商之多,應(yīng)用范圍之廣,真可謂之空前.目前在國外大廠因開發(fā)較早,產(chǎn)品線廣,所以技術(shù)領(lǐng)先,而本土廠商則以多功能為產(chǎn)品導(dǎo)向取勝.但不可諱言的,本土廠商的價格戰(zhàn)是對外商造成威脅的關(guān)鍵因素。
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??? 由于制程的改進(jìn)，8位MCU與4位MCU價差相去無幾，8位已漸成為市場主流；針對4位MCU，大部份供貨商采接單生產(chǎn)，目前4位MCU大部份應(yīng)用在計算器、車表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD Player、LCD驅(qū)動控制器、LCD Game、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機(jī)等；8位MCU大部份應(yīng)用在電表、馬達(dá)控制器、電動玩具機(jī)、變頻式冷氣機(jī)、呼叫器、傳真機(jī)、來電辨識器（Caller ID）、電話錄音機(jī)、CRT Display、鍵盤及USB等；16位MCU大部份應(yīng)用在行動電話、數(shù)字相機(jī)及攝錄放影機(jī)等；32位MCU大部份應(yīng)用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、激光打印機(jī)與彩色傳真機(jī)；6?位MCU大部份應(yīng)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(jī)等。
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??? 而在MCU開發(fā)方面,以架構(gòu)而言,可分為兩大主流;RISC(如HOLTEK HT48XXX系列)與CISC(如華邦W78系列). RISC (Reduced Instruction Set Computer) 代表MCU的所有指令都是利用一些簡單的指令組成的，簡單的指令代表 MCU 的線路可以盡量做到最佳化，而提高執(zhí)行速率，相對的使得一個指令所需的時間減到最短。HOLTEK的HT46XX(A/D MCU系列) HT47XX(R to F MCU系列) HT48XX(一般I/O MCU系列) HT49XX(LCD MCU系列) 便是采用 RISC 結(jié)構(gòu)來設(shè)計。不管是 RISC 或是 CISC(Complex Instruction Set Computer)，設(shè)計MCU的目的便是為人類服務(wù)的，對于 RISC 來說，因?yàn)?a class="innerlink" href="http://m.jysgc.com/tags/指令集" title="指令集" target="_blank">指令集的精簡，所以許多工作都必須組合簡單的指令，而針對較復(fù)雜組合的工作便需要由『編譯程序』(compiler) 來執(zhí)行，而 CISC MCU因?yàn)橛布峁┑闹噶罴^多，所以許多工作都能夠以一個或是數(shù)個指令來代替，compiler 的工作因而減少許多。
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??? 以一個數(shù)值運(yùn)算程序來說，使用 CISC 指令集的MCU運(yùn)算對于一個積分表達(dá)式可能只需要十個機(jī)器指令，而 RISC MCU在執(zhí)行相同的程序時，卻因?yàn)镃PU 本身不提供浮點(diǎn)數(shù)乘法的指令，所以可能需要執(zhí)行上百個機(jī)器指令 (但每一個指令可能只需要 CISC 指令十分之一的時間)，而由程序語言轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令的動作是由程序語言的 Compiler 來執(zhí)行，所以在 RISC MCU的Compiler 便會較復(fù)雜 。因?yàn)橥瑯右粋€高級語言 A=B*C 的運(yùn)算，在 RISC MCU轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令可能有許多種組合，而每一種組合的『時間/空間』組合都不盡相同。
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??? 所以 RISC 與 CISC 的取舍之間，似乎也是MCU硬件架構(gòu)與軟件(Compiler) 的平衡之爭，應(yīng)該沒有絕對優(yōu)勢的一方，只能說因應(yīng)不同的需求而有不同的產(chǎn)品，例如工作單純的打印機(jī)核心 MCU，便適合使用效能穩(wěn)定，但單位指令效率較佳的 RISC MCU.
微控制器(MCU)的基本架構(gòu)
??? 微控制器產(chǎn)品架構(gòu)由早期以累積器為基礎(chǔ)的CPU，演進(jìn)至現(xiàn)今含精簡指令(RISC)或同時含RISC、DSP如Motorola的68356,也有如DEC的SAIIC、與Hitachi的SH-DSP系列等之32位嵌入式微控制器 ，每一系列產(chǎn)品又因應(yīng)不同的應(yīng)用與接口需求 ，衍生出不同規(guī)格的產(chǎn)品 。微控制器產(chǎn)品以特性做為區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)與市場統(tǒng)計的依據(jù) ，區(qū)分為4位 、8位 、以及16/32位等三大類 。各廠商依其不同功能組合 ，發(fā)展出系列性的微控制器產(chǎn)品 ，如NEC供應(yīng)PD75X的4位系列 ，Toshiba供應(yīng)47CXX的4位系列 、HOLTEK供應(yīng)HT48CXX的8位系列 、及Intel之MCS-96的16位系列等。
以下就微控器的基本架構(gòu)做介紹,如下先介紹MCU架構(gòu)方塊圖。
MCU架構(gòu)方塊圖
程序內(nèi)存
程序內(nèi)存(Program ROM)在微控制器中是只讀而不可寫入之記憶單元，此內(nèi)存主要用來放置使用者所開發(fā)之程序，而其性質(zhì)乃屬于不常更動或永不變動之資料，微控制器之動作便是依據(jù)儲存于此區(qū)之程序指令運(yùn)作。在8位單芯片中常見的程序內(nèi)存容量有0.5K、IK、2K、4K 及8K，而通常應(yīng)用在微控制器的程序內(nèi)存有下列幾種方式，見(表一)：
表一
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?? 另外關(guān)于程序保密部分，不論是加密或保險絲燒斷保護(hù) ，都是為了防止程序被未授權(quán)之使用者窺看、竊取(如反組譯程序 、修改內(nèi)容 、盜取程序等)。程序保密這個功能選擇只在提供OTP、開窗型包裝、EEPROM 及 Flash ROM上使用，因?yàn)檫@些IC可借由燒錄器來回讀取程序代碼，在Mask版本則不需要進(jìn)行程序保密的步驟 。
隨機(jī)存取內(nèi)存
隨機(jī)存取內(nèi)存(Random Access Memory;RAM)，亦稱為讀/寫內(nèi)存(Read-Write Memory),常是被用來暫時存放資料、或是程序執(zhí)行存放資料的地方，用途相當(dāng)廣泛。以HOLTEK 8位微控制器為例,其容量有6?、96、160及224個Byte選擇。
累積器
累積器(Accumulator)，是MCU的運(yùn)作中樞 ，80%的指令都與累積器有關(guān) ;資料可以被存放在累積器中，直到總線或其它單元準(zhǔn)備接受它、或直到程序需要它為止 。
緩存器
緩存器(Register)是MCU內(nèi)部用來暫時存放資料的地方，每個緩存器的功能各不相同，但卻有一共同的特性，就是可以直接讀/寫，因其位于MCU的內(nèi)部，故減少了一些不必要的等待及尋址時間,另外有些MCU的I/O Port,也以緩存器型態(tài)來直接存取控制。
堆棧及堆棧指針
堆棧(Stack)及堆棧指針(Stack Pointer)，堆棧就和盤子一樣，一個一個由下往上堆，而取出時則由上一個一個往下拿，不能由中間抽出，因此又稱為后進(jìn)先出隊(duì)列(Last-In-First-Out Queues)」。功能如下;
一. 暫時存放PC(Program Count)的值，適用于'子程序呼叫”，或中斷發(fā)生時將PC的值暫時儲存起來;
二. 可視為緩存器使用，以Push,Pop來完成;
三. 有些MCU其Stack Level數(shù)是固定的(如HOLTEK μC系列)，有些則可自定。
運(yùn)算邏輯單元
? 運(yùn)算邏輯單元(Algorithm Logic Unit;ALU)，其功能在于執(zhí)行算術(shù)指令及邏輯判斷，除了產(chǎn)生結(jié)果之外，也產(chǎn)生相關(guān)的Flag(Zero、Carry、Borrow、Status)，每一個MCU都不完全一樣，尤其是Carry Flag一定要查看指令解說表。
輸入/輸出(I/O Port)
? 在單芯片微電腦應(yīng)用系統(tǒng)中，I/O的擴(kuò)充不是目的，而是為了提供外部設(shè)備一個輸入/輸出的信道，做為外界與MCU間的溝通管道。例如接鍵盤、顯示器、驅(qū)動開關(guān)控制或測量等;在I/O擴(kuò)充時必須考慮與之相連接的外圍設(shè)備硬件電路特性，如:電位匹配、干擾抑制、驅(qū)動能力(如Source,Sink能力)等。
? 微控制器在I/O埠方面?zhèn)溆卸喾N電路形式，其中有多端口可以經(jīng)由軟件以位單位來設(shè)定輸出/入方向。各埠附加大電流、高耐壓的緩沖器，以直接驅(qū)動LED與高功率晶體管，以及做模擬訊號的輸入之用。
定時器、定時器
?? 定時器(Time Counter)、定時器(Timer)，由外加振蕩晶體，經(jīng)除頻電路來提供MCU數(shù)種不同的時基(Time Base)。常應(yīng)用于:
一. 時鐘之時基(如1sec、500ms、62.5ms、15.625ms等);
二. PWM(Pulse Width Modulation)之Time Base;
三. Key Scan;
四. LED Scan;
五. Frequency output;
六. Pulse Reading;
七. APO (Auto Power OFF)等。
計數(shù)器
? 計數(shù)器(Event Counter)專用于累計外部的事件個數(shù)，可能為Pulse或其它資料，也可用以產(chǎn)生正確的時間延遲。常應(yīng)用于:
一、另一種Time Base，外加固定頻率;
二、計數(shù)器;
三、可規(guī)劃成另一種立即中斷輸入;
四、計速器(Speed Meter)、轉(zhuǎn)速表(Tachometer)。
中斷
??? 中斷(Interrupt)用來處理立即事件、或列為優(yōu)先處理之事件，負(fù)責(zé)時間計數(shù)器超時中斷、及外部事件產(chǎn)生中斷請求等工作。大部分微控制器的中斷處理系統(tǒng)是多層的，內(nèi)設(shè)有中斷優(yōu)先級電路，以決定先后順序。常應(yīng)用于:
一、MCU呈被動Standby狀態(tài)(Halt-Stop)，由外加信號來Wakeup;
二、需要立即處理(傳感器、開關(guān)、警報器、電源故障預(yù)警器);
三、需要一個固定間隔來處理(Display ,Key Scan ,Read-Time Clock);
微控制器上的外圍資源
??? 看了這么多微控制器的的基本架構(gòu)后，讓我們繼續(xù)來了解微控制器還可以加掛那些外圍資源，以擴(kuò)充、延伸其功能。
串行輸出(Serial I/O)
微控制器內(nèi)含Serial I/O是為了提供對外部外圍Device的通訊管道，各家種類不同，常見的有以下幾種:
◆UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter):Intel,Atmel;
◆USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver
Transmitter ):Siemens;
◆SPI(Serial Peripheral Interface):Motorola;
◆SCI(Sertal Communications Interface):這是UART的加強(qiáng)版;
◆I2C bus(lnter Integrated Circuit bus):Philips;
◆Microwire/Plus:National Semiconductor;
液晶驅(qū)動裝置(LCD Driver)
??? 在顯示接口上，LCD(Liquid Crystal Display)是常運(yùn)用的顯示裝置，例如在一些多功能的電話、數(shù)字溫度計、呼叫器、大哥大、掌上型游戲機(jī)以上皆可以發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。因此內(nèi)含LCD驅(qū)動線路的微控制器運(yùn)用相當(dāng)廣泛，有兩種驅(qū)動方式可供選用：Segment和Dot Matrix，例如:之前流行的寵物蛋是使用Dot Matrix的LCD顯示器;日系的微控制器廠商提供多樣內(nèi)含LCD驅(qū)動裝置的微控制器可供選用,另外HOLTEK HT49XX 系列 也提供LCD驅(qū)動裝置的微控制器。
螢光管驅(qū)動裝置(VFT Driver)
??? LCD顯示器在無光源或無背光的環(huán)境下，我們即無法讀取顯示器之內(nèi)容，而VFT顯示器可提供高亮度、且色彩多變化的視覺效果，常應(yīng)用于高級的家電產(chǎn)品上，如:碟影機(jī)、DSP均衡器。要求炫麗輸出效果的產(chǎn)品，在微控制器的選擇上VFT(Vacuum Fluorescent Tube)Driver是重要的資源之一。
OSD
??? 對于電視及監(jiān)視器人性化接口是不可缺少的功能之一，OSD(On Screen Display)部分顯示回路為接收水平同步信號(H-Sync)及垂直同步信號(V-Sync)，再將信號透過RGB及Blanking將屏幕信息送出，其顯示顏色至多可達(dá)八種。各微控制器指令執(zhí)行速率會造成OSD的顯示行數(shù)及字段的不同，顯示行數(shù)由二行至數(shù)十行，字段則由15~26個字符或更多，通常執(zhí)行速率較快者可顯示較多的行數(shù)、字段，速率較慢者在顯示上會有直接的受限。
模擬轉(zhuǎn)換數(shù)字接口(ADC)
??? 由于微控制器諸多應(yīng)用上，需要偵測外部環(huán)境狀況，做為處理數(shù)據(jù)上的參考，如在TV應(yīng)用方面其調(diào)諧器(Tuner)之自動頻率控制(Auto Frequency Control)訊號，即為電壓訊號，其它如溫度之偵測也多是轉(zhuǎn)換為電壓訊號，所以模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(Analog to Digital Converter)的應(yīng)用在工業(yè)及消費(fèi)電子上都很廣泛。
??? 模擬之場合是如此頻繁，所以各廠家提供模擬/數(shù)字之轉(zhuǎn)換便成為一般之標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(如HOLTEK HT46XX系列)，雖然如此，對于模擬/數(shù)字之分辨率各家差異很大，由3位~10位皆有，視各不同需求而異。雖然提供的轉(zhuǎn)換信道有很多，通常內(nèi)部僅有一個電路處理，靠選擇器切換，對于時間考慮不是特別強(qiáng)調(diào)之應(yīng)用上，不致有太大之影響。
??? 另外還有一種模擬/數(shù)字之轉(zhuǎn)換方式,就是R to F(Resistance to Freguency),一般運(yùn)用在溫度/濕度之偵測,利用電阻/電容式Sensor的變化特性,轉(zhuǎn)換成頻率值,以此頻率值來計算溫度/濕度的相對性,此類的IC如HOLTEK HT47XX系列。
數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬接口(DAC)
??? 在控制模擬組件需要模擬訊號，以微控制器而言,就必須內(nèi)建數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換(Digital to Analog Converter)來因應(yīng).其內(nèi)部由數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換緩存器及一階梯電阻構(gòu)成,數(shù)字/模擬的分辨率各為8位.在一個8位/參考電壓為5V的微控制器,假設(shè)一個數(shù)字值60轉(zhuǎn)換成模擬值的計算方式是(60/256x5Volts)=1.171875 V 例如應(yīng)用在鎖相回路上，VCO(電壓控制振蕩器)即可用DAC做控制。另外Voice IC也是利用原先將語音錄制成數(shù)字資料,然后用DAC 方式將數(shù)字資料音頻轉(zhuǎn)換還原模擬語音訊號。
脈寬調(diào)變(PWM)
??? 其目的也是以數(shù)字輸出搭配外圍回路，達(dá)到模擬的效果，其組成有前置配器(Pre-divider)、計數(shù)器(Counter)、數(shù)據(jù)閂鎖(Data Latches)、及比較電路(Compare Circuits)等。PWM(Pulse Width Modulation)分辨率由程控，當(dāng)然在一般的I/O埠亦可用時間及Duty Cycle計算技巧來達(dá)成PWM之功能，但反應(yīng)速度會受到限制，且以今日各大半導(dǎo)體廠家皆提供其PWM功能之微控制器就便利性而言 (如HOLTEK HT46XX系列)，實(shí)在不需再將心思放在PWM之撰寫上,以減輕軟件的負(fù)擔(dān)。而PWM之功能由6位~14位之分辨率，適合各種不同的需求。
DTMF產(chǎn)生器、接收器
???? 電話由原來的Pulse演進(jìn)為現(xiàn)在的Tone譯碼方式，不但提高了譯碼的速度，也增加了可靠性與抗噪聲能力，DTMF(Dual Tone Multiple Frequency)顧名思義就是混合兩種頻率的音頻訊號，所以譯碼不易出差錯。應(yīng)用在電話產(chǎn)品的微控制器時，DTMF這個資源常是選擇的重要規(guī)格。
看門狗(Watchdog Timer)
??? 微控制器在產(chǎn)品中是不允許當(dāng)機(jī)的，但受到噪聲干擾或操作不當(dāng)時，需有防范措施確保微控制器在當(dāng)機(jī)的情況下能夠自動重置，讓微控制器能夠繼續(xù)運(yùn)作.我們可以說看門狗(Watchdog timer)是用來監(jiān)看微控制器是否為不正常的當(dāng)機(jī)，許多微控制器都已把它列為標(biāo)準(zhǔn)配備。
??? 看門狗定時器實(shí)際上就像一個自跑式的RC振蕩器，它完全不必外加零件，意即不管是芯片的時脈振蕩接腳的時脈振蕩有沒有停止，它還是繼續(xù)計數(shù)而不隨之中斷而停止，即便是芯片進(jìn)入省電的Halt狀態(tài)(在Halt狀態(tài)下，芯片之時脈停止振蕩也一定不曾停止Watchdog timer之計時，當(dāng)計時逾時后將使本芯片自動重置，I/O腳輸出保持不變，耗電相當(dāng)?shù)氖?，Watchdog timer要不要致能，在OTP版本必須在程序燒錄時決定，以便決定要不要燒斷其保險絲，在Mask版本由使用者選擇是否使用這個功能。
雙時脈(Dual Clock)
??? 微控制器的供應(yīng)時脈愈高時 ，相對地耗電量也愈大 因此在一些使用電池供應(yīng)的產(chǎn)品選用時 ，雙時脈常是必須考慮的功能 ，一般副時脈是以32.768KHz運(yùn)作，主要做為計時(Real Time Clock)之用。
???? 所以綜合上面所言,微控制器的指令集結(jié)構(gòu)較單純、容易發(fā)展及修改、I/O及中斷處理能力強(qiáng)，主要發(fā)展工作集中在軟件設(shè)計上，只要透過發(fā)展系統(tǒng)(ICE:In-Circuit Emulator)及萬用板即可進(jìn)行線上仿真工作，進(jìn)行設(shè)計及修改的工作。由于微控制器具備單價低、系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡單、應(yīng)用程序的發(fā)展及修改容易、芯片穩(wěn)定度佳、可靠度高，是故其應(yīng)用領(lǐng)域極廣，幾乎是無所不在。故在不同的場合選擇不同的配備，充份了解微控制器的內(nèi)部資源將有助于產(chǎn)品開發(fā)且降低成本。相信在未來會陸續(xù)增加新的外圍資源于微控制器內(nèi)，應(yīng)用的范圍也愈來愈廣，也因目前已經(jīng)取代傳統(tǒng)電路設(shè)計觀念，進(jìn)而成為新的設(shè)計主流。