微控制器（MCU）架構(gòu)介紹

微控制器(MicroController)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(gè)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64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(jià)格戰(zhàn)是對外商造成威脅的關(guān)鍵因素。

由于制程的改進(jìn)，8位MCU與4位MCU價(jià)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(jì)算器、車表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD Player、LCD驅(qū)動(dòng)控制器、LCD Game、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計(jì)、溫濕度計(jì)、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(dòng)玩具機(jī)、變頻式冷氣機(jī)、呼叫器、傳真機(jī)、來電辨識(shí)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(dòng)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);64位MCU大部份應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動(dòng)系統(tǒng)、高級(jí)電視游樂器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高級(jí)終端機(jī)等。

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(gè)指令所需的時(shí)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(jì)。不管是 RISC 或是 CISC(Complex Instruction Set Computer)，設(shè)計(jì)MCU的目的便是為人類服務(wù)的，對于 RISC 來說，因?yàn)橹噶罴木?，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(gè)或是數(shù)個(gè)指令來代替，compiler 的工作因而減少許多。

圖 1：MCU 架構(gòu)方塊示意圖。

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(dòng)或永不變動(dòng)之資料，微控制器之動(dòng)作便是 依據(jù)儲(chǔ)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 1：在微控制器的程序內(nèi)存通常有幾種方式。

另外關(guān)于程序保密部分，不論是加密或保險(xiǎn)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(gè)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(shí)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 64、96、160 及 224 個(gè) 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(shí)存放資料的地方，每個(gè)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(shí)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(gè)一個(gè)由下往上堆，而取出 時(shí)則由上一個(gè)一個(gè)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(shí)存放 PC(Program Count)的值，適用于子程序呼叫”，或中斷發(fā)生時(shí)將 PC 的值暫 時(shí)儲(chǔ)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(gè) 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(gè)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(dòng)開關(guān)控制或測量等;在I/O 擴(kuò)充時(shí)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(dòng)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(dòng) LED 與高功率晶體管，以及做模 擬訊號(hào)的輸入之用。

定時(shí)器、定時(shí)器

定時(shí)器(Time Counter)、定時(shí)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(shí)基(Time Base)。常應(yīng)用于:

一. 時(shí)鐘之時(shí)基(如 1sec、500ms、62.5ms、15.625ms 等);

二. PWM(Pulse Width Modulation)之 Time Base;