微控制器简介

关键字 :MCU
 MCU英文名为Microcontroller Unit,简写为MCU,中文称为微控制器单元或微控制器。由于微控制器是将算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit, ALU) 、存储器、定时器/计算器及各种I/O电路等集成到一个芯片上,构成了一个基本完整的计算系统,故而又称为单片机(Single-Chip Microcomputer)。

在微控制器存储器中的程序,与微控制器硬件和外围硬件电路紧密配合使用,区别于PC的软件,称微控制器的程序为固件(Firmware)。一般地,微处理器是指CPU在单个集成电路上,而微控制器是指CPU、ROM、RAM、I/O、定时器等都在单个集成电路上。与CPU相比,微控制器没有那么强大的计算能力,也不具备内存管理单元(Memory Management Unit,MMU),这使得微控制器只能处理一些相对单一和简单的控制、逻辑等任务,其广泛应用于设备控制、传感器信号处理等领域,如一些家电产品、工业设备、电动工具等。

MCU的基本组成

一般地,MCU由CPU、存储器(Memory)、输入/输出(I/O)等部分组成。

CPU

CPU英文名称为central processing unit,是MCU的核心部件,包括运算器(ALU, Arithmetic and Logic Unit)和控制器(CU, Control Unit)两个主要部分,还有相关寄存器等。运算器负责数据的处理、控制器负责程序的逻辑控制。

存储器

微控制器的存储器(Memory)一般可分为程序只读存储器(ROM)、数据随机存储器(RAM)和数据存储器(EEPROM)。程序只读存储器一般存放程序代码的地方,也可以是一些数据常量或图片等。

  • 程序只读存储器(ROM,Read-only Memory) - 程序只读存储器,用于存储程序代码、数据常量以及图片等。掉电后,内容不会丢失。
  • 数据随机存储器(RAM,Random Access Memory) - 数据随机存储器,用于保存计算过程或计算结果的数据。掉电后,内容会丢失。
  • 数据存储器(EEPROM,Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) - 用于专门存放程序相关的数据,如设备相关的参数或过程的数据等。

程序只读存储器一般由不同的技术实现,技术的不断演进,存储固件的存储器也在不断发展,现在市场主流的是Flash存储器。常见的技术有:

  • MASK ROM - 掩模ROM
  • PROM(rogrammable Read-Only Memory)- 可编程只读存储器,也称为OTP(One Time Programmable,一次性可编程)
  • EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)- 可擦除可编程只读存储器
  • EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) - 电可擦除可编程只读存储器
  • Flash - 闪存,一种非易失性的电可擦除的可编程存储器,用于存储程序指令和数据。闪存的关键参数是其耐用性或可擦除或重新编程的次数。

输入/输出

输入/输出的接口是MCU对外部进行检测、控制、通信以及进行数据交换重要的通道。

通用输入/输出

通用输入/输出(GPIO,General Purpose Input/Output)也称为I/O端口,MCU可从外部读取I/O端口的输入数据或从MCU输出数据到I/O端口。一般通用输入/输出可作为开关量信号检测和控制功能,如开/关、继电器、LED等。

一般地,任何I/O端口都可以作为通用I/O使用,但由于MCU的I/O引脚数量或资源的局限,会在同一I/O端口上复用更多的输入/输出功能,这可以通过对I/O寄存器的配置来使用I/O的复用功能。

定时器/计数器

MCU都具有定时器/计数器(Timer/Counter)功能,可以对系统内部/外部时钟源进行计时和计数。如果输入脉冲频率固定,则对其计数就成为计时功能。如果输入脉冲频率不是固定的,那么输入脉冲就可以进行计数。

模拟/数字转换器

模拟数字转换器(Analog-to-digital converter, ADC)是用于将模拟形式的信号转换为数字形式的电子电路。典型的模拟数字转换器是将模拟信号转换为表示一定比例电压值的数字信号。

数字模拟转换器(Digital to analog converter,DAC)是一种将数字信号转换为模拟信号的电子电路。

通讯接口

UART

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)是一种异步收发传输器。UART是异步串行通信接口的总称,包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。

在UART上增加同步信号称为通用同步异步接收器发送器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter,USART)

SPI

串行外设接口(Serial Peripheral Interface Bus,SPI),是一种用于芯片通信的同步串行通信接口规范。最早由摩托罗拉公司于20世纪80年代中期开发,后来发展成了行业规范。

I2C

I²C(Inter-Integrated Circuit)一种串行通信总线,又称为集成电路总线。由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展来的。

USB

通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范。USB最初是由英特尔与微软倡导发起。

Ethernet

以太网(Ethernet)是一种计算机局域网技术。IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准,规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术。

CAN

控制器局域网 (Controller Area Network,简称CAN或者CAN bus) 是一种功能丰富的车用总线标准。被设计用于在不需要主机(Host)的情况下,允许网络上的单片机和仪器相互通信。 它基于消息传递协议,设计之初在车辆上采用复用通信线缆,以降低铜线使用量,后来也被其他行业所使用。

I2S

I²S或I2S(Inter-IC Sound或Integrated Interchip Sound)是集成电路间传输数字音频数据的一种接口标准,采用序列的方式传输2组(左右声道)数据。由于I2S将数据信号和时脉信号分开发送,它的抖动(jitter)有损十分地小。I2S标准最初由原来的Philips Semiconductor在1986年发布.

比较器/运算放大器

比较器通过比较两个输入端的电流或电压的大小,在输出端输出不同电压。

运算放大器(Operational Amplifier,OP),简称运放,是一种直流耦合,差模输入、通常为单端输出的高增益电压放大器。

常见指令集

指令集体系结构(Instruction Set Architecture, ISA),简称体系结构或系统结构(architecture),是软件和硬件之间接口的一个完整定义。

  • 8051 - 也称为MCS-51,CISC指令集架构,1980年由Intel公司开发。市场有很多公司开发出来了8051兼容产品或增强型产品。
  • ARM - ARM是Advanced RISC Machine的缩写,RISC指令集架构,由英国公司ARM Holdings开发。2016年7月18日,日本软银集团斥资3.3兆日元(约合311亿美元)收购了安谋控股
  • 6800 - CISC指令集,1974年由Motorola开发
  • MIPS - RISC指令集,由MIPS Technologies, Inc.开发。MIPS Technologies, Inc.被Imagination Technologies收购。
  • AVR - 是一种改进的哈佛架构,RISC指令集,1996年由Atmel公司开发。2016年,Microchip以35.6亿美元并购Atmel
  • PIC - 哈佛结构的RISC指令集,由Microchip公司开发。PIC 微控制器源自于 1980 年代由通用仪器(General Instrument Inc.)所推出的 PIC1650 系列,当时的 PIC 是周边界面控制器(Peripheral Interface Controller)的简称。通用仪器的微电子部门于 1987 年分拆成为 Microchip Technology公司。
  • RISC-V - 开源的RISC精简指令集,2010年项目开始于加利福尼亚大学伯克利分校,BSD许可协议

微控制器分类

微控制器可以根据其位数、存储器、架构和指令集等进行分类。

根据总线或数据寄存器的位数,可分为4位、8位、16位和32位微控制器。

  • 4位 - 内部数据或总线是4位宽度,ALU执行半字节(4位)长度的逻辑和算术运算
  • 8位 - 内部数据或总线是8位宽度,ALU按顺序执行一个字节(8位)长度的逻辑和算术运算
  • 16位 - 内部数据或总线是16位宽度,ALU可以进行16位操作数的算术和逻辑运算
  • 32位 - 内部数据或总线是32位宽度,ALU可以执行32位操作数的逻辑和算术运算

根据指令集分类

  • CISC - Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机。如:Motorola 68000、Intel x86和8051等
  • RISC - Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机。如:MIPS,PowerPC、Atmel AVR、Microchip PIC、Arm、RISC-V等

根据存储器结构分类

  • 哈佛结构 - 指令和数据分开存储
  • 冯▪诺依曼结构 - 又称作普林斯顿体系结构(Princetion architecture),指令和数据存储在同个存储空间

根据存储器设备分类

  • 内部存储器MCU - 程序存储在MCU内部
  • 外部存储器MCU - 程序存储在MCU外部

按照功耗分类

  • 通用MCU - 所有MCU相关资源(ROM、RAM、I/O、 EPROM),用户都可以用
  • 超低功耗MCU - 低漏电工艺,专门为电池供电等能源节约设计,

按照用途分类

  • 通用型
  • 专用型 - 硬件和指依据特定用途设计。

本报告系列根据MCU应用特点分为:通用MCU市场报告、低功耗MCU市场报告、无线MCU市场报告、汽车MCU市场报告等

微控制器按其功能应用可分为:通用微控制器、超低功耗微控制器、无线微控制器、汽车微控制器

  • 通用微控制器(MCU) - 具有通用的外设,并可广泛应用于各种行业应用的微控制器
  • 超低功耗微控制器(MCU) - 低能耗工作的微控制器,供电多为电池供电或能量采集方式供电等。
  • 无线微控制器(MCU) - 具备有无线功能的微控制器,如Zigbee、802.15.4、蓝牙、Sub-1GHz、2.4GHz等。
  • 汽车微控制器(MCU) - 符合汽车运行环境的微控制器,应用于汽车上的微控制器

封装

集成电路封装(integrated circuit packaging),简称封装。封装通常需要考虑引脚配置、电性能、散热和芯片物理尺寸等方面的问题。集成电路有各种封装形式,

按封装形式分:单列直插、双列直插、普通单列直插式,小型双列扁平,小型四列扁平,圆形金属,体积较大的厚膜电路等。

常见的MCU封装有:

  • DIP - Dual In-line Packag, 双列直插式封装。该封装外形为长方形,两侧有两排平行的金属引脚。常用的DIP封装符合JEDEC标准,两引脚间距(脚距)为0.1吋(2.54毫米)。两排引脚间的距离(行间距,row spacing)则依引脚数而定,最常见的是0.3吋(7.62毫米)或0.6吋(15.24毫米)。DIP封装最早是由快捷半导体公司的Bryant Buck Rogers在1964年时发明
  • SOP - Small Out-Line Package, 小外形封装,表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L 字形)。SOP封装始于70年代末期。此后逐渐派生出SOJ(J型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)及SOT(小外形晶体管)、SOIC(小外形集成电路)等。
  • QFP - Quad Flat Package,方型扁平式封装。
  • QFN/DFN - Quad Flat No-Leads/Dual-Flat no-leads,方形/双边扁平无引脚封装
  • BGA - Ball Grid Array,焊球阵列封装
  • SiP - System In a Package,系统级封装。SiP系统级封装是将一个系统或子系统的全部或大部分电子功能配置在集成型衬底内,而芯片以2D、3D的方式接合到集成型衬底的封装方式。SiP不仅可以组装多个芯片,还可以作为一个专门的处理器、DRAM、闪存与被动组件结合电阻器和电容器、连接器、天线等,全部安装在同一衬底上上。SiP较单片系统(SoC)降低系统成本,显著减小封装体积、重量,还可以降低功耗。集成是“超越摩尔定律”的一个关键方面,而SiP能在不单纯依赖半导体工艺缩放的情况下,实现更高的集成度。
  • WLCSP - Wafer Level Chip Scale Packaging,晶圆片级芯片规模封装

封装工艺的改进,MCU封装更趋向表贴封装。

消费电子产品的小型化和轻薄化促进了集成电路封装更小地发展,WLCSP优点是装配和测试都可以在晶片上进行。随着晶片尺寸的增大、管芯的缩小,成本不断降低。

新工艺新市场需求的发展也出现了新的封装形式,如WLCSP和SiP。WLCSP适合于对于MCU体积空间要求非常严苛的场合,如可穿戴产品。SiP可以将不同芯片的IP封装在一起,在市场需求多变的情况下,开发一款MCU产品投入显然很大,通过封装不同的IP,大大降低了产品投入的风险。

SiP带来了封装的改变,也是产品形态的改变。SiP 改变了产品封装的概念,封装系统。降低了系统成本,也缩短了交付客户的流程,尤其是对模组厂商会造成一定的影响。

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