微控制器基础知识：结构、工作原理和应用

板载微控制器

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在进入嵌入式电子世界之前，您需要了解它需要什么。例如，此领域涉及编写您的代码。如果您不了解微控制器的基础知识、它使用的编程语言或其基本编程概念，那么几乎不可能做到这一点。否则你会不知道从哪里开始，也会不知所措。

但是，有个好消息：

本文将学习开始使用嵌入式电子产品所需的基本知识。我们将讨论它是什么、微控制器的工作原理、基本结构等等。

开始吧！

什么是微控制器？

微控制器

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在定义微控制器之前，重要的是要注意它不同于微处理器（我们将在本文后面讨论）。

也就是说，微控制器是一种非常大规模的集成IC。它由I/O端口、逻辑单元、内存、电子计算单元等模块融合在一个芯片上。您也可以将设备称为单片机。

此外，微控制器也是嵌入式控制器。这是因为设备与支持电路一起进入了它控制的设备。

您可以在许多显示数据、测量、控制、存储或计算的设备或应用程序中找到微控制器。有趣的是，汽车行业在最大的微控制器用户中名列前茅。毕竟，车辆需要发动机控制和调节其他系统的装置。

微控制器常见的另一个领域是消费电子产品。因此，您可以在烤箱、数码相机、DVD 播放器等中找到微控制器。测试和测量设备也使用微控制器，例如函数发生器、万用表等。

微控制器基础- 微控制器如何工作？

通常，微控制器运行特定程序并坚持一项任务。因此，他们通过从他们控制的设备获取输入来工作。因此，这有助于微控制器保持控制。它通过向设备的不同部分发送信号来实现这一点。

例如，电视的微控制器通过从遥控器获取输入来工作。然后，它将输出传送到电视屏幕上。

微控制器的类型

我们有基于以下类别的不同微控制器：指令集、内存和位。

指令集

根据指令集配置，微控制器分为两类：

RISC

这个首字母缩略词的意思是精简指令集计算机。它通过减少每条指令的时钟周期来做到这一点。并且有助于减少工作时间。

CISC

这个首字母缩写词代表复杂指令集计算机。它允许用户将一条指令作为不同简单命令的选项来修复。

内存

内存卡 (RAM)

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在内存配置类别中，有两种类型的微控制器：

嵌入式内存微控制器

这种类型的微控制器通常在芯片上有很多组件，如定时器和计数器、I/O 端口、数据存储器、中断等。嵌入式存储器微控制器的一个例子是 Intel 8051。

外部存储器微控制器

这种类型的微控制器的设计在其芯片上没有程序存储器。外部存储器微控制器的一个很好的例子是 Intel 8031。

位

位配置类微控制器分为三类：

32 位微控制器

您可以在医疗设备等使用自动控制的设备中找到32位微控制器。

16 位微控制器

16 位微控制器适用于高性能和高精度应用。因此，您可以使用此微控制器进行逻辑和算术运算。这种微控制器的一个很好的例子是 Intel 8096。

8 位微控制器

8 位微控制器是该类别中最少的。您可以使用它来执行简单的任务，例如执行除法、减法等逻辑和算术运算。此外，此微控制器的示例是 Intel 8051 和 8031。

微控制器的基本结构

微控制器具有三个基本组件：I/O 端口、内存和中央处理器。

该设备的其他组件也很重要。但上面提到的都是配套设备。因此，我们将根据其结构仔细研究微控制器的主要组件。

微控制器基础- 内存

通常，大多数计算系统需要两种类型的内存：数据和程序内存。数据存储器有助于在执行指令时保存临时信息。但是程序存储器由程序组成。也就是说，它包含了 CPU 将要执行的指令。

巴士

系统总线是谈论最少的组件之一。但是，它是微控制器的重要组成部分。

它是指将 CPU 连接到其他外围设备（如 I/O 端口和其他支持组件）的连接线的集合。

微控制器基础- CPU

CPU 就像微控制器的雨。它有两个部分：CU（控制单元）和ALU（算术逻辑单元）。

因此，CPU 负责解码、读取和执行指令以执行数据、逻辑和算术传输操作。

中断

中断是微控制器的另一个重要组成部分。它有一个中断处理机制。此外，该组件可以是软件相关的、永久的、硬件相关的或内部的。

微控制器基础- I/O 端口

I/O 指的是输入/输出端口。该组件为微控制器提供了与外部连接的接口。例如，键盘、开关等输入设备将来自用户的信息提供给 CPU。它以二进制数据形式执行此操作。

因此，当 CPU 从输入设备获取信息时，它会执行适当的指令。然后，它通过打印机、显示器、LED 等输出设备做出响应。

串口

该组件帮助微控制器通过串行通信进行交互。微控制器只能通过串行端口与其他外围设备和设备进行通信。而UART是微控制器最常用的串行通信方式。

DAC

这个首字母缩写词代表数模转换器。这是一个将数字信号转换为模拟信号的电路。此外，该组件连接微控制器的 CPU 和模拟设备（外部）。

ADC

ADC 的首字母缩写词代表模数转换器。它与 DAC 正好相反。也就是说，该电路有助于将模拟信号转换为数字信号。此外，该电路还在外部模拟输入设备和微控制器的 CPU 之间建立了连接。

此外，重要的是要注意模拟设备主要是传感器。因此，为了让 CPU 了解通信，必须将模拟数据转换为数字数据。

微控制器基础——计数器/定时器

计数器和定时器是微控制器的重要组成部分。他们负责提供计算外部事件和时间延迟的操作。此外，这些组件还提供时钟控制、功能生成等。

配置位

微控制器通常有一个独特的位。它是配置位。该组件有助于构建微控制器的特殊选项，包括（但不限于）：

• 低电压编程开/关
• 开机定时器开启/关闭
• 内部/外部切换开/关
• 振荡器类型
• 故障保护时钟监视器开/关
• 掉电复位开/关
• 看门狗定时器开/关

此外，在 PIC 单片机上，您会注意到配置位。并负责数据代码保护和程序代码保护。

也就是说，配置位阻止外部编程硬件读取您的程序和数据空间。因此，其他人很难窃取您的代码。

微处理器与微控制器的比较

微处理器

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微控制器

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微控制器是由定时器、ROM 和其他外围设备组成的计算机。因此，您可以称它们为微型计算机。另外，它们有不同的版本。但是微处理器是集成电路。它们具有处理能力，内部只有一个 CPU。

下表显示了它们之间的差异：

优点

• 由于它在内存中写入和存储指令，因此微控制器不需要复杂的操作系统。
• 该芯片不需要 I/O 端口等主要组件的外部接口。
• 您可以对 I/O 端口进行编程。
• 放置所有重要组件可减少产品面积、成本和设计时间。

缺点

• 它没有操作系统。因此，您必须编写所有命令。
• 微控制器的内存（取决于数量）可以限制设备可以执行的指令。

总结

综上所述，单片机基础解释了单片机的强大。此外，它还包括构成设备结构的多个外围设备，如内存、CPU、I/O 端口、振荡电路等。此外，制造商将微控制器构建到他们控制的设备中。

每个外设都对微控制器的功能起着至关重要的作用。您如何看待微控制器？您需要帮助来获得最适合您项目的方案吗？请随时与我们联系。