元器件科普 | 微控制器产品架构介绍

微控制器是将微型计算机的主要部分，集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，这种电子元器件诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。本文将主要给大家介绍微控制器的产品架构说明。

在MCU开发方面，以架构而言，可分为两大主流：RISC（如HOLTEK HT48XXX系列）与CISC（如华邦W78系列）。 RISC代表MCU的所有指令都是利用一些简单的指令组成的，简单的指令代表 MCU 的线路可以尽量做到最佳化，而提高执行速率，相对的使得一个指令所需的时间减到最短。不管是 RISC 或是 CISC，设计MCU的目的便是为人类服务的，对于 RISC 来说，因为指令集的精简，所以许多工作都必须组合简单的指令，而针对较复杂组合的工作便需要由『编译程序』来执行，而 CISC MCU因为硬件所提供的指令集较多，所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替，compiler 的工作因而减少许多。

MCU 架构方块示意图

程序内存

程序内存在微控制器中是只读而不可写入之记忆单元，此内存主要用来放 置使用者所开发之程序，而其性质乃属于不常更动或永不变动之资料，微控制器之动作便是 依据储存于此区之程序指令运作。在 8 位单芯片中常见的程序内存容量有 0.5K、IK、2K、4K 及 8K，而通常应用在微控制器的程序内存有下列几种方式，见下表：

另外关于程序保密部分，不论是加密或保险丝烧断保护 ，都是为了防止程序被未授权之使 用者窥看、窃取（如反组译程序 、修改内容 、盗取程序等）。程序保密这个功能选择只在提供 OTP、开窗型包装、EEPROM 及FLASH ROM上使用，因为这些 IC 可借由烧录器来回读取程序代码，在 Mask 版本则不需要进行程序保密的步骤 。 随机存取内存随机存取内存，亦称为读/写内存，常是被用来暂时存放资料、或是程序执行存放资料的地方，用途相当广泛。以 HOLTEK 8 位 微控制器为例，其容量有 64、96、160 及 224 个 Byte 选择。

累积器

累积器是 MCU 的运作中枢 ，80%的指令都与累积器有关；资料可以被存 放在累积器中，直到总线或其它单元准备接受它、或直到程序需要它为止 。

缓存器

缓存器是 MCU 内部用来暂时存放资料的地方，每个缓存器的功能各不相同，但 却有一共同的特性，就是可以直接读/写，因其位于 MCU 的内部，故减少了一些不必要的 等待及寻址时间，另外有些 MCU 的 I/O Port，也以缓存器型态来直接存取控制。

堆栈及堆栈指针

堆栈就和盘子一样，一个一个由下往上堆，而取出 时则由上一个一个往下拿，不能由中间抽出，因此又称为后进先出队列。功能如下：

1、暂时存放 PC(Program Count)的值，适用于“子程序呼叫”，或中断发生时将 PC 的值暂 时储存起来;

2、可视为缓存器使用，以 Push，Pop 来完成;

3、有些 MCU 其 Stack Level 数是固定的(如 HOLTEK μC 系列)，有些则可自定。 

运算逻辑单元

运算逻辑单元其功能在于执行算术指令及逻辑判断，除了产生 结果之外，也产生相关的 Flag(Zero、Carry、Borrow、Status)，每一个 MCU 都不完全一 样，尤其是 Carry Flag 一定要查看指令解说表。

输入/输出（I/O Port）

在单芯片微电脑应用系统中，I/O 的扩充不是目的，而是为了提供外部设备一个输入/输出的 信道，做为外界与 MCU 间的沟通管道。例如接键盘、显示器、驱动开关控制或测量等；在I/O 扩充时必须考虑与之相连接的外围设备硬件电路特性，如：电位匹配、干扰抑制、驱动能力等。

微控制器在 I/O 埠方面备有多种电路形式，其中有多端口可以经由软件以位单位来设定输出/入方向。各埠附加大电流、高耐压的缓冲器，以直接驱动LED与高功率晶体管，以及做模 拟讯号的输入之用。

定时器

定时器（TIme Counter）、定时器（TImer），由外加振荡晶体，经除频电路来提供 MCU 数种不 同的时基，常应用于：

1、 时钟之时基（如 1sec、500ms、62.5ms、15.625ms 等）；

2、PWM（Pulse Width Modulation）之 Time Base；

3、Key SCAN；

4、LEDScan；

5、Frequencyoutput；

6、Pulse Reading；

7、APO （Auto Power OFF）等。 

计数器

计数器专用于累计外部的事件个数，可能为 Pulse 或其它资料，也可用以 产生正确的时间延迟。常应用于：

1、另一种 Time Base，外加固定频率；

2、计数器；

3、可规划成另一种立即中断输入；

4、计速器（Speed Meter）、转速表（Tachometer）。 

中断

中断用来处理立即事件、或列为优先处理之事件，负责时间计数器超时中断、及 外部事件产生中断请求等工作。大部分微控制器的中断处理系统是多层的，内设有中断优先 级电路，以决定先后顺序。常应用于：

1、MCU 呈被动 Standby 状态（Halt-Stop），由外加信号来 Wakeup；

2、需要立即处理（传感器、开关、警报器、电源故障预警器）;；

3、需要一个固定间隔来处理（Display ，Key Scan ，Read-Time CLOCk）；微控制器上的外围资源

液晶驱动装置

在显示接口上，LCD(Liquid Crystal Display)是常运用的显示装置，例如在一些多功能的电 话、数字温度计、呼叫器、大哥大、掌上型游戏机以上皆可以发现它的踪迹。因此内含 LCD 驱动线路的微控制器运用相当广泛，有两种驱动方式可供选用：Segment 和 Dot Matrix， 例如：之前流行的宠物蛋是使用 Dot Matrix 的 LCD 显示器;日系的微控制器厂商提供多样内含 LCD 驱动装置的微控制器可供选用，另外 HOLTEK HT49XX 系列 也提供 LCD 驱动装置 的微控制器。

萤光管驱动装置

LCD 显示器在无光源或无背光的环境下，我们即无法读取显示器之内容，而 VFT 显示器可提供高亮度、且色彩多变化的视觉效果，常应用于高级的家电产品上，如：碟影机、DSP均 衡器。要求炫丽输出效果的产品，在微控制器的选择上 VFT Driver 是重要的资源之一。

OSD对于电视及监视器人性化接口是不可缺少的功能之一，OSD部分显示 回路为接收水平同步信号及垂直同步信号，再将信号透过 RGB 及Blanking 将屏幕信息送出，其显示颜色至多可达八种。

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