微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類(lèi)電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。

　　微控制器的作用

　　在工業(yè)應(yīng)用中，微控制器的作用是控制和協(xié)調(diào)整個(gè)設(shè)備的動(dòng)作，通常需要程序計(jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、定時(shí)與控制電路，以及脈沖源、中斷等共同完成。

　　根據(jù)控制器在工作中發(fā)揮的作用來(lái)看，微控制器主要有以下幾種：

　　1、 指令控制器

　　指令控制器是控制器中相當(dāng)重要的部分，它要完成取指令、分析指令等操作，然后交給執(zhí)行單元（ALU或FPU）來(lái)執(zhí)行，同時(shí)還要形成下一條指令的地址。

　　2、 時(shí)序控制器

　　時(shí)序控制器的作用是為每條指令按時(shí)間順序提供控制信號(hào)。時(shí)序控制器包括時(shí)鐘發(fā)生器和倍頻定義單元，其中時(shí)鐘發(fā)生器由石英晶體振蕩器發(fā)出非常穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，就是CPU的主頻；而倍頻定義單元?jiǎng)t定義了CPU主頻是存儲(chǔ)器頻率（總線頻率）的幾倍。

　　3、 總線控制器

　　總線控制器主要用于控制CPU的內(nèi)外部總線，包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等等。

　　4、中斷控制器

　　中斷控制器用于控制各種各樣的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低對(duì)中斷請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)，逐個(gè)交給CPU處理 控制器的基本功能 設(shè)備控制器的基本功能

　　目前就為控制領(lǐng)域來(lái)看，主要有以下幾種功能：

　　1、數(shù)據(jù)緩沖

　　緩沖器常常內(nèi)置在控制器中，在輸出時(shí)，緩沖器常用來(lái)暫存由主機(jī)高速傳來(lái)的數(shù)據(jù)，然后才以I/O設(shè)備所具有的速率將緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送給I/O設(shè)備；在輸入時(shí)，緩沖器則用于暫存從I/O設(shè)備送來(lái)的數(shù)據(jù)，待接收到一批數(shù)據(jù)后，再將緩沖器中的數(shù)據(jù)高速地傳送給主機(jī)。

　　2、差錯(cuò)控制

　　設(shè)備控制器還兼管對(duì)由I/O設(shè)備傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)傳送中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，通常是將差錯(cuò)檢測(cè)碼置位，并向 CPU報(bào)告，于是CPU將本次傳送來(lái)的數(shù)據(jù)作廢，并重新進(jìn)行一次傳送。這樣便可保證數(shù)據(jù)輸入的正確性。

　　3、數(shù)據(jù)交換

　　這是指實(shí)現(xiàn)CPU與控制器之間、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于前者，是通過(guò)數(shù)據(jù)總線，由CPU并行地把數(shù)據(jù)寫(xiě)入控制器，或從控制器中并行地讀出數(shù)據(jù)；對(duì)于后者，是設(shè)備將數(shù)據(jù)輸入到控制器，或從控制器傳送給設(shè)備。為此，在控制器中須設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器。

　　4、標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)

　　控制器應(yīng)記下設(shè)備的狀態(tài)供CPU了解。例如，僅當(dāng)該設(shè)備處于發(fā)送就緒狀態(tài)時(shí)，CPU才能啟動(dòng)控制器從設(shè)備中讀出數(shù)據(jù)。為此，在控制器中應(yīng)設(shè)置一狀態(tài)寄存器，用其中的每一位來(lái)反映設(shè)備的某一種狀態(tài)。當(dāng)CPU將該寄存器的內(nèi)容讀入后，便可了解該設(shè)備的狀態(tài)。

　　5、接收和識(shí)別命令

　　CPU可以向控制器發(fā)送多種不同的命令，設(shè)備控制器應(yīng)能接收并識(shí)別這些命令。為此，在控制器中應(yīng)具有相應(yīng)的控制寄存器，用來(lái)存放接收的命令和參數(shù)，并對(duì)所接收的命令進(jìn)行譯碼。例如，磁盤(pán)控制器可以接收 CPU發(fā)來(lái)的Read、Write、Format等15條不同的命令，而且有些命令還帶有參數(shù)；相應(yīng)地，在磁盤(pán)控制器中有多個(gè)寄存器和命令譯碼器等。

　　6、地址識(shí)別

　　就像內(nèi)存中的每一個(gè)單元都有一個(gè)地址一樣，系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備也都有一個(gè)地址，而設(shè)備控制器又必須能夠識(shí)別它所控制的每個(gè)設(shè)備的地址。此外，為使CPU能向（或從）寄存器中寫(xiě)入（或讀出）數(shù)據(jù)，這些寄存器都應(yīng)具有唯一的地址。例如，在IB-MPC機(jī)中規(guī)定，硬盤(pán)控制器中各寄存器的地址分別為320～32F之一。控制器應(yīng)能正確識(shí)別這些地址，為此，在控制器中應(yīng)配置地址譯碼器。

　　微處理器和微控制器的區(qū)別

　　這樣的區(qū)別主要集中在硬件結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域和指令集特征3個(gè)方面：

　　1）硬件結(jié)構(gòu)

　　微處理器是一個(gè)單芯片CPU，而微控制器則在一塊集成電路芯片中集成了CPU和其他電路，構(gòu)成了一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖1-6虛線框中所示是大多數(shù)微控制器的完整結(jié)構(gòu)。除了CPU，微控制器還包括RAM、ROM、一個(gè)串行接口、一個(gè)并行接口，計(jì)時(shí)器和中斷調(diào)度電路。這些都集成在一塊集成電路上。雖然片上RAM的容量比普通微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還要小，但是這并未限制微控制器的使用。在后面可以了解到，微控制器的應(yīng)用范圍非常廣泛。

　　微控制器的一個(gè)重要的特征是內(nèi)建的中斷系統(tǒng)。作為面向控制的設(shè)備，微控制器經(jīng)常要實(shí)時(shí)響應(yīng)外界的激勵(lì)（中斷）。微控制器必須執(zhí)行快速上下文切換，掛起一個(gè)進(jìn)程去執(zhí)行另一個(gè)進(jìn)程以響應(yīng)一個(gè)“事件”。例如，打開(kāi)微波爐的門(mén)就是一個(gè)事件，在基于微控制器的產(chǎn)品中這個(gè)事件將觸發(fā)一個(gè)中斷。微處理器也能擁有強(qiáng)大的中斷功能，但是通常需要外部元件的配合，而微控制器在片上集成了所有處理中斷必需的電路。

　　2）應(yīng)用領(lǐng)域

　　微處理器通常作為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的CPU使用。其設(shè)計(jì)正是針對(duì)這樣的應(yīng)用，這也是微處理器的優(yōu)勢(shì)所在。然而，微控制器通常用于面向控制的應(yīng)用。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)追求小型化，盡可能減少元器件數(shù)量。在過(guò)去，這些應(yīng)用通常需要用數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)數(shù)字集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用微控制器可以減少元器件的使用數(shù)量，只需一個(gè)微控制器、少量的外部元件和存儲(chǔ)在ROM中的控制程序就能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的功能。微控制器適用于那些以極少的元件實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行控制的場(chǎng)合，而微處理器適用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行信息處理。

　　3）指令集特征

　　由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，微控制器和微處理器的指令集也有所不同。微處理器的指令集增強(qiáng)了處理功能，使其擁有強(qiáng)大的尋址模式和適于操作大規(guī)模數(shù)據(jù)的指令。微處理器的指令可以對(duì)半字節(jié)、字節(jié)、字，甚至雙字進(jìn)行操作。通過(guò)使用地址指針和地址偏移，微處理器提供了可以訪問(wèn)大批數(shù)據(jù)的尋址模式。自增和自減模式使得以字節(jié)、字或雙字為單位訪問(wèn)數(shù)據(jù)變得非常容易。另外，微處理器還具有其他的特點(diǎn)，如用戶程序中無(wú)法使用特權(quán)指 令等。

　　微控制器的指令集適用于輸入/輸出控制。許多輸入/輸出的接口是單/位的。例如，電磁鐵控制著馬達(dá)的開(kāi)關(guān)，而電磁鐵由一個(gè)1位的輸出端口控制。微控制器具有設(shè)置和清除單位的指令，也能執(zhí)行其他面向位的操作，如對(duì)“位”進(jìn)行邏輯與、或和異或的運(yùn)算，根據(jù)標(biāo)志位跳轉(zhuǎn)等。很少有微處理器具備這些強(qiáng)大的位操作能力，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)微處理器時(shí)，僅考慮以字節(jié)或更大的單位來(lái)操作數(shù)據(jù)。

　　在對(duì)設(shè)備的控制和監(jiān)視方面（可能是通過(guò)一個(gè)1位的接口），微控制器具有專(zhuān)門(mén)的內(nèi)部電路和指令用于輸入/輸出、計(jì)時(shí)和外部中斷的優(yōu)先權(quán)分配。微處理器一般需要配合附加的電路（串行接口芯片、中斷控制器、定時(shí)器等）才能執(zhí)行相同的任務(wù)。不過(guò)，單純就處理能力而言，微控制器永遠(yuǎn)達(dá)不到微處理器的水平（在其他條件相同的情況下），因?yàn)槲⒖刂破餍酒械募呻娐返暮艽笠徊糠钟糜趯?shí)現(xiàn)其他的片上功能，代價(jià)就是犧牲掉一部分處理能力。

　　由于微控制器芯片上的資源非常緊張，它的指令必須非常精簡(jiǎn)，大部分指令的長(zhǎng)度都短于1個(gè)字節(jié)?？刂瞥绦虻脑O(shè)計(jì)原則通常是要求程序能夠裝入片上的ROM，因?yàn)榧词怪辉黾?片外部ROM也將顯著提高產(chǎn)品的硬件成本。微控制器指令集的基本特點(diǎn)就是具有精簡(jiǎn)的編碼方案。微處理器不具備這樣的特點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儚?qiáng)大的尋址模式使得指令編碼不夠簡(jiǎn)潔。

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