微控制器單元（MCU）是單芯片計(jì)算機(jī)，專(zhuān)為執(zhí)行嵌入式計(jì)算任務(wù)而優(yōu)化，如控制咖啡機(jī)或醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人或電動(dòng)汽車(chē)電池充電器。它們不需要像個(gè)人電腦和服務(wù)器那樣復(fù)雜的作系統(tǒng)（OS）。

中央處理單元（CPU）是執(zhí)行MCU程序的關(guān)鍵元件。MCU中的其他組件包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），用于設(shè)備通電時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ);只讀存儲(chǔ)器（ROM），如Flash或EEPROM，即使在設(shè)備關(guān)閉時(shí)也能存儲(chǔ)程序和其他數(shù)據(jù);此外還有各種輸入/輸出（I/O）和串口，用于協(xié)調(diào)程序執(zhí)行和通信的定時(shí)器，以及與外部控制信號(hào)（中斷）的接口。

振蕩器（OSC）為數(shù)字電路執(zhí)行定時(shí)器作。振蕩器越快，MCU的性能越高（見(jiàn)圖1）。

圖1?；镜腗CU方框圖。（圖片來(lái)源：RS Components)

工作原理

MCU接收來(lái)自用戶界面或傳感器等來(lái)源的輸入信號(hào)。ROM中的編程指令用于解讀信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為執(zhí)行諸如充電或煮咖啡等功能所需的特定命令。

系統(tǒng)還可以包含傳感器反饋，使過(guò)程能夠根據(jù)溫度或電池充電狀態(tài)等特定因素進(jìn)行調(diào)整。

總線控制器管理MCU內(nèi)不同組件之間的數(shù)據(jù)流和通信，確保高效運(yùn)行，將數(shù)據(jù)導(dǎo)向正確目的地并管理多個(gè)設(shè)備訪問(wèn)共享總線。串口支持與其他MCU、計(jì)算機(jī)及外設(shè)如傳感器和顯示器的通信。

基本特征

選擇MCU時(shí)需要考慮若干基本特征，包括計(jì)算架構(gòu)、數(shù)據(jù)總線寬度、指令集類(lèi)型以及應(yīng)用特定需求（見(jiàn)圖2）。

圖2。MCU分類(lèi)示例（圖片：嵌入式硬件設(shè)計(jì)）)

MCU主要采用哈佛架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)通過(guò)獨(dú)立總線，允許同時(shí)取用和執(zhí)行，以提高速度和效率。馮·諾依曼架構(gòu)擁有單一內(nèi)存空間和程序指令和數(shù)據(jù)總線。它在通用設(shè)備中更為常見(jiàn)，如智能手機(jī)，將指令視為數(shù)據(jù)的靈活性非常有用。

MCU通常提供8位、16位和32位總線寬度。最佳總線寬度基于應(yīng)用對(duì)處理速度、內(nèi)存容量和成本目標(biāo)的要求。更寬的64位總線適用于人工智能、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人和汽車(chē)系統(tǒng)的高性能MCU。

有使用簡(jiǎn)化指令集計(jì)算（RISC）和復(fù)雜指令集計(jì)算（CISC）的MCU。采用RISC架構(gòu)的MCU通常功耗較低，散熱也更少。采用CISC架構(gòu)的MCU代碼密度更高，內(nèi)存效率更高，且更具多樣性。

應(yīng)用特定的考慮因素包括汽車(chē)資格認(rèn)證以及汽車(chē)專(zhuān)用通信接口如CAN、LIN和FlexRay。醫(yī)療級(jí)設(shè)備符合ISO 13485和FDA指南等標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)微控制器在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，且工作溫度范圍較長(zhǎng)。支持藍(lán)牙、Wi-Fi及其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的消費(fèi)設(shè)備。

更多因素

某些應(yīng)用可通過(guò)使用集成模擬元件的MCU，如模擬轉(zhuǎn)數(shù)字（ADC）和數(shù)字轉(zhuǎn)模擬（DAC）轉(zhuǎn)換器，支持與傳感器等模擬設(shè)備直接連接，從而受益。

安全性日益重要，MCU配備了集成的加密引擎和其他安全功能。

成熟開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的可用性會(huì)顯著影響上市時(shí)間和成本。需要考慮的因素包括：

• 軟件和驅(qū)動(dòng)程序的可用性，如硬件抽象庫(kù)（HAL）、通信棧如TCP/IP和USB、脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)程序以及各種電機(jī)控制軟件選項(xiàng)。

• 一個(gè)包含編輯器、編譯器和調(diào)試器的綜合集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）可以加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程，而基于云的IDE則可以支持分散的團(tuán)隊(duì)和協(xié)作項(xiàng)目。

• 評(píng)估和開(kāi)發(fā)板可以支持快速原型設(shè)計(jì)和測(cè)試新硬件配置。

總結(jié)

MCU是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括CPU、內(nèi)存和各種I/O端口。它們針對(duì)嵌入式計(jì)算和控制任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化，應(yīng)用于消費(fèi)設(shè)備、汽車(chē)系統(tǒng)、醫(yī)療電子、工業(yè)控制等應(yīng)用。關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)據(jù)總線的寬度和內(nèi)部振蕩器的速度。