微控制器（MCU）架构分析

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。各微控制器指令执行速率会造成 OSD的显示行数及字段的不同，显示行数由二行至数十行，字段则由 1