微控制器单元 (MCU) 是一种紧凑的集成电路，用于控制嵌入式系统中的特定功能。它由一个单芯片上的小型计算机组成，其中包含处理器（CPU）、内存（RAM 和 ROM）和输入/输出外围设备。微控制器对于需要精确、低功耗和实时控制的系统至关重要。

什么是微控制器
什么是微控制器
什么是微控制器

微控制器用于嵌入式系统——专门设计用于执行专用任务的计算系统。这些可以在广泛的应用中找到，包括：

  • 汽车：发动机控制、动力转向、安全气囊展开和信息娱乐系统等操作都需要 MCU。
  • 工厂自动化系统：微控制器是制造业智能设备的大脑，用于控制机械、管理装配线和监控环境条件。
  • 机器人技术：MCU 收集、处理并与其他设备或网络传输数据。它们用于工业机器人来控制电机的运动或处理传感器数据并根据编程算法做出决策。
  • 医学：胰岛素泵、心率监测器和数字温度计等医疗仪器也依靠微控制器来运行。
  • 能源管理：微控制器也广泛应用于能源领域，用于智能电表、光伏太阳能逆变器和节能照明系统等设备，以监控和控制能源消耗。

微控制器是一种高度集成的半导体设备，它结合了多个用于不同用途的组件。每个 MCU 都不同，但都具有相同的核心功能：

  1. 中央处理单元 (CPU)：中央处理单元 (CPU) 是微控制器的大脑，负责执行存储在其内存中的程序指令。单核微控制器有一个CPU，而多核微控制器有多个CPU。
  2. 内存（RAM 和 ROM）：微控制器的内存被划分为不同的单元以执行特定任务。RAM（随机存取存储器）用于临时存储 CPU 执行任务时所需的数据、变量和缓冲区。ROM（只读存储器）或闪存用于存储微控制器执行的固件或程序代码。闪存经常被使用，因为它具有非易失性，这意味着即使断电它也能保留程序。
  3. 输入/输出外设：输入/输出 (I/O) 外设包括各种接口，允许微控制器与外界交互。常见的外围设备包括数字 I/O 引脚，用于从外部设备（例如传感器、LED 或按钮）读取或写入二进制信号（高/低）。
  4. 转换器：模数转换器 (ADC) 将模拟信号（例如来自温度传感器的信号）转换为 CPU 可以处理的数字值。相反，数模转换器 (DAC) 将来自 CPU 的数字信号转换为模拟信号。
  5. 定时器和计数器：微控制器还使用内部定时器或计数器进行计时操作、产生精确的延迟或计数外部事件。
  6. 通信接口：通信接口，例如 UART、SPI、I2C 和 USB，允许微控制器与其他设备或芯片通信。
  7. 时钟源：MCU 使用时钟源（通常是内部或外部振荡器）来生成同步 CPU 和外围设备操作的定时信号。
  8. 电源管理：电源管理功能的核心任务是降低能耗，这对于电池供电的应用中至关重要。此模式可以关闭不使用的芯片部分或降低时钟速度以节省电力。

微控制器运行存储在其内存中的一系列指令，连续处理输入、执行任务和控制输出。它们具有精确的时间安排、低功耗和实时响应能力，非常适合控制嵌入式系统中的硬件。

1. 微控制器上电并读取指令

当微控制器通电时，它会从其内存（通常存储在闪存中）中获取第一条指令。这是它将要执行的程序的开始。

然后，MCU 的 CPU 从其程序存储器中逐一读取指令。这些指令告诉 CPU 执行什么操作，例如读取传感器值或控制输出设备。

一旦获取指令，CPU 就会对其进行解码以了解需要执行什么操作。这可能涉及算术计算、数据传输或逻辑运算。CPU执行解码后的指令并将结果存储在寄存器中，将其发送到外围设备，或使用它来控制其他硬件。

2.微控制器使用定时器和中断

微控制器依靠计时器进行精确操作，例如产生延迟、测量时间间隔或产生 PWM（脉冲宽度调制）信号来控制电机或LED等设备。微控制器开始执行其指令后，它会留意计时器和中断输入以执行所需的任务。

中断是可以暂时暂停微控制器当前任务以处理紧急任务的信号。例如，如果按下一个按钮，中断可能会导致微控制器立即响应该事件，而不管它之前在做什么。

3. 微控制器继续循环

处理完所有中断后，微控制器将恢复其先前的任务。MCU 通常运行连续循环（称为“主循环”），反复检查输入、更新输出并执行必要的计算。只要通电，它就会不断循环执行这些操作。

4. 微控制器进入低功耗模式（如果可用）

一些微控制器，例如英飞凌的AURIX TC3xx ，包括省电模式。这意味着当微控制器没有主动执行任务时，它可以进入低功耗睡眠模式以节省能源，只有在发生事件（例如计时器到期或输入改变）时才会唤醒，以恢复正常运行。

如果出现问题，或者微控制器收到复位信号（例如按下复位按钮），它将返回程序中的第一个指令并重新开始，重新启动其操作。

有几种不同类型的微控制器可供选择。例如，PIC 微控制器是什么？选择正确的 MCU 需要考虑几个重要的因素，并且取决于您的具体要求和预期应用。为了做出明智的决定，请考虑以下几点：

  • 项目要求：您的项目需要什么？它是一个传感器接口、一个电机控制系统，还是一个复杂的物联网设备？任务的复杂性将指导许多决策。
  • 处理能力：对于基本任务，带有 8 位或 16 位 CPU 的微控制器可能就足够了。对于汽车发动机控制单元 (ECU) 和工业自动化系统等要求苛刻的应用，具有高时钟速度的 32 位微控制器可能是最佳选择。
  • 输入/输出引脚：您还必须考虑输入/输出引脚、GPIO、模拟输入、PWM 输出和通信接口（例如 UART、SPI、I2C）的数量。您选择的微控制器必须具有足够的引脚来支持所有请求的外围设备和传感器。
  • 物理尺寸和 MCU 外壳：如果设计有空间限制，较小封装（如 LQFP 或 BGA）的微控制器可能是最佳选择。
  • 内存：您必须估计存储固件需要多少程序内存，包括执行期间变量、缓冲区和堆栈使用需要多少 RAM。更大、更复杂的程序需要更多的闪存和 RAM。
  • 电源：对于电池供电的应用，低功耗微控制器至关重要。在这种情况下，具有各种省电模式（例如睡眠和深度睡眠）和低工作电压的 MCU 将是理想的选择。
  • 时钟速度：更高的时钟速度可以实现更快的处理速度，但也会增加功耗。这意味着您需要一个能够平衡应用程序性能和功耗的时钟速度。
  • 所需数量：您应始终确保 MCU 有足够的所需数量。记住要确定每单位成本并将其与您的预算进行交叉引用，特别是当您需要大量产品时。供应链可靠性至关重要，尤其是对于长期项目而言。
  • 工作温度：确保您选择的微控制器可以在应用所需的温度范围内运行，尤其是在工业或汽车环境中。如果 MCU 需要符合特定的法规（例如汽车或医疗电子），则需要保证微控制器符合这些标准。
  • 附加功能：根据您的要求，您可能需要额外的功能。例如，如果您正在执行密集的数学计算，则需要硬件乘法、浮点单元或 DSP 功能等附加功能。

您还需要考虑是否需要单核或多核微控制器。单核微控制器有一个中央处理单元 (CPU)，可按顺序执行指令。它们非常适合简单、低功耗的应用，这些应用优先考虑成本和易于开发。

同时，多核微控制器为要求苛刻的任务提供了卓越的性能和可扩展性，使其适用于更复杂的应用。它们具有多个 CPU 核心，允许它们同时执行多个线程或进程。这种架构在高性能、复杂的嵌入式系统中比较常见。


微控制器支持集成开发环境 (IDE)、库和社区支持，以显著加快开发和故障排除速度。例如，AURIX MCU 提供在线仿真器、JTAG/SWD 调试器和其他开发辅助工具等调试工具，使开发人员的工作更加轻松。

微处理器 (MPU) 和微控制器 (MCU) 都是计算和嵌入式系统中必不可少的组件，但它们的用途不同，且具有鲜明的特点。MPU 专为通用计算而设计，而 MCU 则专为嵌入式系统中的专用控制任务而构建，其中低功耗、简单性和成本效益是关键。

下表显示了微处理器和微控制器的主要区别：

英飞凌微控制器产品组合提供全面的产品系列，包括提供强大性能和面向未来安全解决方案的最先进的 32 位微控制器，以及传统的 8 位和 16 位微控制器。我们的 32 位 MCU 产品组合包括：

  • AURIX™ ： AURIX™微控制器符合汽车标准，旨在满足最苛刻的嵌入式控制系统应用的需求，其中价格/性能、实时响应、计算能力、数据带宽和功耗等竞争问题是关键设计要素。
  • 汽车PSoC™ - 可编程片上系统，集成了英飞凌一流的电容式感应技术，适用于汽车内部要求严格的人机界面 (HMI) 应用以及电池管理系统 (BMS) 等外部应用，以及 ARM Cortex-M0/M0+ CPU、闪存和内存。
  • TRAVEO™ T2G ： TRAVEO™ T2G 专为未来交通而设计，适用于汽车车身电子应用，提供尖端的性能、安全性和安保功能。
  • 32 位PSoC™ 4 高压系列专为汽车功能安全而设计，为集成模拟前端、MCU 和连接性的智能传感器提供单芯片解决方案。
  • 32 位PSoC™汽车多点触控控制器为汽车触摸屏提供高性能电容式触摸解决方案，可在充满挑战的环境中可靠运行。
  • 基于Arm® Cortex® -M0+ 处理器的32 位PSoC™指纹微控制器通过可编程嵌入式片上系统解决方案增强并现代化了驱动程序接口
  • PSoC™ ： PSoC™微控制器是世界上唯一基于Arm® Cortex® -M 处理器、高性能可编程模拟模块、基于 PLD 的可编程数字模块、可编程互连和路由以及CAPSENSE™可编程嵌入式片上系统解决方案。
  • XMC ™ ：XMC ™系列 MCU 非常适合广泛的工业和消费应用，可提供最佳功率、性能能力并降低成本，同时提供更大的设计灵活性。
  • MOTIX™ ：我们的片上系统 (SoC) 解决方案可节省 PCB 空间，通过最少的外部元件数量降低成本，并实现多种灵活的设计。