作者
Josh Schneider
Staff Writer
IBM Think
Ian Smalley
Staff Editor
IBM Think
什么是微控制器？
微控制器单元 (MCU) 本质上是单芯片上的一个小型计算机。它旨在管理嵌入式系统内的特定任务，且无需复杂的操作系统。
这些紧凑型集成电路 (IC) 包含一个或多个处理器核心、随机存取存储器 (RAM) 和电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)，用于存储在微控制器上运行的自定义程序，即使单元与电源断开连接也是如此。
与通用微处理器不同，微控制器将处理、内存和输入/输出 (I/O) 外设（包括计时器、计数器和模数转换器 (ADC)）集成到一个高效且具有成本效益的独立单元中。通过将多个组件组合到一个系统中，微控制器非常适合需要实时信号处理的应用，例如控制电机和伺服器以及与各种类型的传感器和通信设备连接。
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微控制器组件
以下是微控制器的关键组件：
中央处理单元 (CPU)：CPU 俗称计算机的 “大脑”，是负责执行指令和控制运营的核心组件。
内存：微控制器包含易失性内存 (RAM)（与程序内存不同，RAM 存储临时数据，这些数据在系统断电时可能会丢失）和非易失性闪存，用于存储微控制器的编程指令集（固件）。
外设：根据预期应用，微控制器可能包含各种辅助组件，例如输入/输出 (I/O) 接口（包括定时器、计数器、模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 等信号转换器）和通信协议（UART、SPI、I2C）。辅助设备还可能包括液晶显示屏、以太网连接端口或此类模块的接口等组件。
微控制器非常适合电池供电的消费类电子产品，例如智能手机、智能手表和其他可穿戴设备，因为它们重量轻、尺寸小，且需要的功耗相对较低。
低成本微控制器和微控制器开发板（例如 Arduino 和 Adafruit 制造的微控制器和开发板）深受开源爱好者的喜爱，可以使用 C、C++ 和 Python 等常见编程语言在集成开发环境 (IDE) 中轻松配置。尽管微控制器甚至对于初级开发人员来说都很容易掌握，但它也经常用于控制各种专业应用中的系统，包括原型设计、机器人、汽车系统、工业自动化和物联网 (IoT) 应用。
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微控制器与微处理器
微控制器和微处理器有许多相似之处。两者都可以说是能够执行计算逻辑的单芯片处理器，并且在通用计算技术的开发和普及中都具有很高的价值。但是，这两个组件在硬件架构和应用方面有所不同。
微控制器的典型特征是将所有必要的计算元素组合到单个芯片中 – 微控制器不需要任何额外的外部电路即可运行。相反，微处理器由一个 CPU 和几个提供内存、串行接口、I/O 和其他必要功能的支持芯片组成。
虽然术语微处理器和 CPU 有时可以互换使用，但将微处理器半导体描述为包含 CPU 并且可以连接到其他外部辅助设备（例如输入/输出设备）的单个集成电路更准确。
这两种类型的微芯片之间的主要区别在于，微控制器是独立的，而微处理器旨在与外部辅助设备连接。
因此，可能需要具有更高处理能力的专用硬件的通用和要求严苛的任务更适合微处理器。嵌入式系统中的特定任务（例如传感器或电机控制）是合适的微控制器应用的良好示例。
微控制器和微处理器之间的主要区别
比较微控制器和微处理器时，考虑四个关键特性会有所帮助：
集成：微控制器将 CPU、内存和 I/O 辅助设备集成到一个芯片上。微处理器需要外部存储器和额外的辅助设备。
应用：微控制器更适合嵌入式系统中的特定低功耗或超低功耗应用，例如家用电器或 IoT 设备。微处理器更适合需要更多处理能力的通用和高性能应用，例如个人计算机或数据中心的服务器。
性能：微控制器针对效率和实时处理进行了优化，并以高达 200 MHz 的较低时钟速度运行。微处理器专为更高要求和更复杂的计算而设计，并能够以 1 GHz 以上的时钟速度运行。
运营成本：微控制器硬件价格低廉，而且不需要专门的编程知识，因此对整体项目预算的影响很小。微处理器较昂贵且更复杂。配置基于微处理器的高级系统可能需要专业技能。
微控制器的类型
随着研究人员开发出将 CPU、内存和外围组件集成到单个芯片中的技术，微处理器制造领域取得进步，因此诞生了第一种微控制器。
德州仪器的工程师 Gary Boone 和 Michael Cochran 在 1971 年发明了第一台微控制器，因此广受赞誉。英特尔等制造商以及各日本电子产品供应商也迅速跟进。
如今，数十家不同的微控制器制造商（例如 Intel、NXP 和 Arm）提供数百种微控制器产品，从面向业余爱好者的通用型选项，到面向专业技术人员和各行各业的高度专业化的解决方案，应有尽有。
以下是一些比较常见的微控制器类型：
8 位微控制器
最基本的微控制器类型，具有有限的处理和内存，通常用于玩具和遥控器等小家电。
16 位微控制器
16 位微控制器的功能是 8 位微控制器的两倍，可用于更复杂的应用，包括医疗设备、汽车系统和工业控制系统。
32 位微控制器
它们是最强大、功能最丰富的微控制器类型，用于要求严苛的应用，例如游戏机、娱乐设备和高端工业自动化。
精简指令集计算机 (RISC) 微控制器
RISC 微控制器采用的设计架构与复杂指令集计算机 (CISC) 架构等其他方法相比，能更快地执行更少的计算指令，从而简化和改进运营。
ARM 微控制器
这种类型的微控制器以前是高级 RISC 机器 (Advanced RISC Machines) 的首字母缩写词，采用 ARM 架构，包括现代 ARM Cortex 子集，可以增强性能和可靠性。ARM 微控制器广泛用于移动设备、汽车系统和工业控制系统。
PIC 微控制器
PIC 微控制器由 Microchip Technology 开发，是世界上最小的微控制器，经常用于机器人、家庭和工业自动化以及可再生能源系统。
基于 FPGA 的微控制器
这种微控制器通常用于需要数字信号处理、视频处理和高速网络的应用，它们使用现场可编程门阵列 (FPGA)，可以在硬件级别上进行配置和重新配置，以实现高度通用和可定制的处理结果。