微控制器结构与性能因素的实用指南

微控制器单元（MCU）是单芯片计算机，专为执行嵌入式计算任务而优化，如控制咖啡机或医疗设备、工业机器人或电动汽车电池充电器。它们不需要像个人电脑和服务器那样复杂的作系统（OS）。

中央处理单元（CPU）是执行MCU程序的关键元件。MCU中的其他组件包括随机存取存储器（RAM），用于设备通电时的临时数据存储;只读存储器（ROM），如Flash或EEPROM，即使在设备关闭时也能存储程序和其他数据;此外还有各种输入/输出（I/O）和串口，用于协调程序执行和通信的定时器，以及与外部控制信号（中断）的接口。

振荡器（OSC）为数字电路执行定时器作。振荡器越快，MCU的性能越高（见图1）。

图1。基本的MCU方框图。（图片来源：RS Components)

工作原理

MCU接收来自用户界面或传感器等来源的输入信号。ROM中的编程指令用于解读信号，并将其转换为执行诸如充电或煮咖啡等功能所需的特定命令。

系统还可以包含传感器反馈，使过程能够根据温度或电池充电状态等特定因素进行调整。

总线控制器管理MCU内不同组件之间的数据流和通信，确保高效运行，将数据导向正确目的地并管理多个设备访问共享总线。串口支持与其他MCU、计算机及外设如传感器和显示器的通信。

基本特征

选择MCU时需要考虑若干基本特征，包括计算架构、数据总线宽度、指令集类型以及应用特定需求（见图2）。

图2。MCU分类示例（图片：嵌入式硬件设计）)

MCU主要采用哈佛架构，指令和数据通过独立总线，允许同时取用和执行，以提高速度和效率。冯·诺依曼架构拥有单一内存空间和程序指令和数据总线。它在通用设备中更为常见，如智能手机，将指令视为数据的灵活性非常有用。

MCU通常提供8位、16位和32位总线宽度。最佳总线宽度基于应用对处理速度、内存容量和成本目标的要求。更宽的64位总线适用于人工智能、工业自动化、机器人和汽车系统的高性能MCU。

有使用简化指令集计算（RISC）和复杂指令集计算（CISC）的MCU。采用RISC架构的MCU通常功耗较低，散热也更少。采用CISC架构的MCU代码密度更高，内存效率更高，且更具多样性。

应用特定的考虑因素包括汽车资格认证以及汽车专用通信接口如CAN、LIN和FlexRay。医疗级设备符合ISO 13485和FDA指南等标准。工业微控制器在恶劣环境下运行，且工作温度范围较长。支持蓝牙、Wi-Fi及其他无线网络协议的消费设备。

更多因素

某些应用可通过使用集成模拟元件的MCU，如模拟转数字（ADC）和数字转模拟（DAC）转换器，支持与传感器等模拟设备直接连接，从而受益。

安全性日益重要，MCU配备了集成的加密引擎和其他安全功能。

成熟开发生态系统的可用性会显著影响上市时间和成本。需要考虑的因素包括：

• 软件和驱动程序的可用性，如硬件抽象库（HAL）、通信栈如TCP/IP和USB、脉宽调制驱动程序以及各种电机控制软件选项。

• 一个包含编辑器、编译器和调试器的综合集成开发环境（IDE）可以加快开发进程，而基于云的IDE则可以支持分散的团队和协作项目。

• 评估和开发板可以支持快速原型设计和测试新硬件配置。

总结

MCU是一个完整的计算机系统，包括CPU、内存和各种I/O端口。它们针对嵌入式计算和控制任务进行了优化，应用于消费设备、汽车系统、医疗电子、工业控制等应用。关键性能标准包括数据总线的宽度和内部振荡器的速度。