微控制器(MCU)的架构说明

　　微控制器（MICroController）又可简称MCU或μC，也有人称为单芯片微控制器（SingleChipMicrocontroller），将ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一个芯片中，为不同的应用场合做不同组合控制。微控制器在经过这几年不断地研究、发展，历经4位、8位，到现在的16位及32位，甚至64位。产品的成熟度，以及投入厂商之多、应用范围之广，真可谓之空前。目前在国外大厂因开发较早、产品线广，所以技术领先，而本土厂商则以多功能为产品导向取胜。但不可讳言的，本土厂商的价格战是对外商造成威胁的关键因素。

　　由于制程的改进，8位MCU与4位MCU价差相去无几，8位已渐成为市场主流;针对4位MCU，大部份供货商采接单生产，目前4位MCU大部份应用在计算器、车表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD Player、LCD驱动控制器、LCD Game、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;8位MCU大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器（Caller ID）、电话录音机、CRT Display、键盘及USB等;16位MCU大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;32位MCU大部份应用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机;64位MCU大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高级终端机等。

　　而在MCU开发方面，以架构而言，可分为两大主流;RISC（如HOLTEK HT48XXX系列）与CISC（如华邦W78系列）。 RISC （Reduced Instruction Set Computer） 代表MCU的所有指令都是利用一些简单的指令组成的，简单的指令代表 MCU 的线路可以尽量做到最佳化，而提高执行速率，相对的使得一个指令所需的时间减到最短。HOLTEK的HT46XX（A/DMCU系列） HT47XX（R to F MCU系列） HT48XX（一般I/O MCU系列） HT49XX（LCD MCU系列） 便是采用 RISC 结构来设计。不管是 RISC 或是 CISC（Complex Instruction Set Computer），设计MCU的目的便是为人类服务的，对于 RISC 来说，因为指令集的精简，所以许多工作都必须组合简单的指令，而针对较复杂组合的工作便需要由『编译程序』（compiler） 来执行，而 CISC MCU因为硬件所提供的指令集较多，所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替，compiler 的工作因而减少许多。

　　

　　图 1：MCU 架构方块示意图。

　　程序内存

　　程序内存（Program ROM）在微控制器中是只读而不可写入之记忆单元，此内存主要用来放 置使用者所开发之程序，而其性质乃属于不常更动或永不变动之资料，微控制器之动作便是 依据储存于此区之程序指令运作。在 8 位单芯片中常见的程序内存容量有 0.5K、IK、2K、4K 及 8K，而通常应用在微控制器的程序内存有下列几种方式，见（表一）：

　　

　　表 1：在微控制器的程序内存通常有几种方式。

　　另外关于程序保密部分，不论是加密或保险丝烧断保护 ，都是为了防止程序被未授权之使 用者窥看、窃取（如反组译程序 、修改内容 、盗取程序等）。程序保密这个功能选择只在提供 OTP、开窗型包装、EEPROM 及FLASH ROM上使用，因为这些 IC 可借由烧录器来回读取程序代码，在 Mask 版本则不需要进行程序保密的步骤 。 随机存取内存随机存取内存（Random ACCess Memory;RAM），亦称为读/写内存（Read-Write Memory），常是被用来暂时存放资料、或是程序执行存放资料的地方，用途相当广泛。以 HOLTEK 8 位 微控制器为例，其容量有 64、96、160 及 224 个 Byte 选择。

　　累积器

　　累积器（Accumulator），是 MCU 的运作中枢 ，80%的指令都与累积器有关 ;资料可以被存 放在累积器中，直到总线或其它单元准备接受它、或直到程序需要它为止 。

　　缓存器

　　缓存器（Register）是 MCU 内部用来暂时存放资料的地方，每个缓存器的功能各不相同，但 却有一共同的特性，就是可以直接读/写，因其位于 MCU 的内部，故减少了一些不必要的 等待及寻址时间，另外有些 MCU 的 I/O Port，也以缓存器型态来直接存取控制。

　　堆栈及堆栈指针

　　堆栈（Stack）及堆栈指针（Stack Pointer），堆栈就和盘子一样，一个一个由下往上堆，而取出 时则由上一个一个往下拿，不能由中间抽出，因此又称为后进先出队列（Last-In-First-Out Queues）」。功能如下;

　　一。 暂时存放 PC（Program Count）的值，适用于“子程序呼叫”，或中断发生时将 PC 的值暂 时储存起来;

　　二。 可视为缓存器使用，以 Push，Pop 来完成;

　　三。 有些 MCU 其 Stack Level 数是固定的（如 HOLTEK μC 系列），有些则可自定。 运算逻辑单元

　　运算逻辑单元（Algorithm Logic Unit;ALU），其功能在于执行算术指令及逻辑判断，除了产生 结果之外，也产生相关的 Flag（Zero、Carry、Borrow、Status），每一个 MCU 都不完全一 样，尤其是 Carry Flag 一定要查看指令解说表。

　　输入/输出（I/O Port）

　　在单芯片微电脑应用系统中，I/O 的扩充不是目的，而是为了提供外部设备一个输入/输出的 信道，做为外界与 MCU 间的沟通管道。例如接键盘、显示器、驱动开关控制或测量等;在I/O 扩充时必须考虑与之相连接的外围设备硬件电路特性，如：电位匹配、干扰抑制、驱动能 力（如 Source，Sink 能力）等。

　　微控制器在 I/O 埠方面备有多种电路形式，其中有多端口可以经由软件以位单位来设定输出/入方向。各埠附加大电流、高耐压的缓冲器，以直接驱动LED与高功率晶体管，以及做模 拟讯号的输入之用。

　　定时器、定时器

　　定时器（Time Counter）、定时器（Timer），由外加振荡晶体，经除频电路来提供 MCU 数种不 同的时基（Time Base）。常应用于：

　　一。 时钟之时基（如 1sec、500ms、62.5ms、15.625ms 等）;

　　二.PWM（Pulse Width Modulation）之 Time Base;

　　三。 Key SCAN;

　　四.LEDScan;

　　五.Frequencyoutput;

　　六。 Pulse Reading;

　　七。 APO （Auto Power OFF）等。 计数器

　　计数器（Event Counter）专用于累计外部的事件个数，可能为 Pulse 或其它资料，也可用以 产生正确的时间延迟。常应用于：

　　一、另一种 Time Base，外加固定频率; 二、计数器; 三、可规划成另一种立即中断输入;

　　四、计速器（Speed Meter）、转速表（Tachometer）。 中断中断（Interrupt）用来处理立即事件、或列为优先处理之事件，负责时间计数器超时中断、及 外部事件产生中断请求等工作。大部分微控制器的中断处理系统是多层的，内设有中断优先 级电路，以决定先后顺序。常应用于：

　　一、MCU 呈被动 Standby 状态（Halt-Stop），由外加信号来 Wakeup;

　　二、需要立即处理（传感器、开关、警报器、电源故障预警器）; 三、需要一个固定间隔来处理（Display ，Key Scan ，Read-Time CLOCk）; 微控制器上的外围资源

　　看了这么多微控制器的的基本架构后，让我们继续来了解微控制器还可以加挂那些外围资 源，以扩充、延伸其功能。

　　串行输出（Serial I/O）

　　微控制器内含 Serial I/O 是为了提供对外部外围 DevICe 的通讯管道，各家种类不同，常见 的有以下几种：

　　◆UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）：Intel，Atmel;

　　◆USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter ）：Siemens;

　　◆SPI（Serial Peripheral Interface）：Motorola;

　　◆SCI（Sertal Communications Interface）：这是 UART 的加强版;

　　◆I2C bus（lnter Integrated Circuit bus）：Philips;

　　◆Microwire/Plus:National SEMIconductor;

　　液晶驱动装置（LCDDriver）

　　在显示接口上，LCD（Liquid Crystal Display）是常运用的显示装置，例如在一些多功能的电 话、数字温度计、呼叫器、大哥大、掌上型游戏机以上皆可以发现它的踪迹。因此内含 LCD 驱动线路的微控制器运用相当广泛，有两种驱动方式可供选用：Segment 和 Dot Matrix， 例如：之前流行的宠物蛋是使用 Dot Matrix 的 LCD 显示器;日系的微控制器厂商提供多样内含 LCD 驱动装置的微控制器可供选用，另外 HOLTEK HT49XX 系列 也提供 LCD 驱动装置 的微控制器。

　　萤光管驱动装置（VFT Driver）

　　LCD 显示器在无光源或无背光的环境下，我们即无法读取显示器之内容，而 VFT 显示器可提供高亮度、且色彩多变化的视觉效果，常应用于高级的家电产品上，如：碟影机、DSP均 衡器。要求炫丽输出效果的产品，在微控制器的选择上 VFT（Vacuum Fluorescent Tube）Driver 是重要的资源之一。

　　OSD对于电视及监视器人性化接口是不可缺少的功能之一，OSD（On Screen Display）部分显示 回路为接收水平同步信号（H-Sync）及垂直同步信号（V-Sync），再将信号透过 RGB 及Blanking 将屏幕信息送出，其显示颜色至多可达八种。