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微控制器与微处理器到底有啥差别?看完这3点就够了

cathy 发布于:周一, 01/29/2018 - 15:04 ,关键词:

微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期,经过20多年的发展,其成本越来越低,而性能越来越强大,这使其应用已经无处不在,遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电(洗衣机、微波炉)等。

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微控制器的作用

在工业应用中,微控制器的作用是控制和协调整个设备的动作,通常需要程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、定时与控制电路,以及脉冲源、中断等共同完成。

根据控制器在工作中发挥的作用来看,微控制器主要有以下几种:

1、 指令控制器
指令控制器是控制器中相当重要的部分,它要完成取指令、分析指令等操作,然后交给执行单元(ALU或FPU)来执行,同时还要形成下一条指令的地址。

2、 时序控制器
时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号。时序控制器包括时钟发生器和倍频定义单元,其中时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号,就是CPU的主频;而倍频定义单元则定义了CPU主频是存储器频率(总线频率)的几倍。

3、 总线控制器
总线控制器主要用于控制CPU的内外部总线,包括地址总线、数据总线、控制总线等等。

4、中断控制器2
中断控制器用于控制各种各样的中断请求,并根据优先级的高低对中断请求进行排队,逐个交给CPU处理 控制器的基本功能 设备控制器的基本功能

目前就为控制领域来看,主要有以下几种功能:

1、数据缓冲
缓冲器常常内置在控制器中,在输出时,缓冲器常用来暂存由主机高速传来的数据,然后才以I/O设备所具有的速率将缓冲器中的数据传送给I/O设备;在输入时,缓冲器则用于暂存从I/O设备送来的数据,待接收到一批数据后,再将缓冲器中的数据高速地传送给主机。

2、差错控制
设备控制器还兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。若发现传送中出现了错误,通常是将差错检测码置位,并向 CPU报告,于是CPU将本次传送来的数据作废,并重新进行一次传送。这样便可保证数据输入的正确性。

3、数据交换
这是指实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。对于前者,是通过数据总线,由CPU并行地把数据写入控制器,或从控制器中并行地读出数据;对于后者,是设备将数据输入到控制器,或从控制器传送给设备。为此,在控制器中须设置数据寄存器。

4、标识和报告设备的状态
控制器应记下设备的状态供CPU了解。例如,仅当该设备处于发送就绪状态时,CPU才能启动控制器从设备中读出数据。为此,在控制器中应设置一状态寄存器,用其中的每一位来反映设备的某一种状态。当CPU将该寄存器的内容读入后,便可了解该设备的状态。

5、接收和识别命令
CPU可以向控制器发送多种不同的命令,设备控制器应能接收并识别这些命令。为此,在控制器中应具有相应的控制寄存器,用来存放接收的命令和参数,并对所接收的命令进行译码。例如,磁盘控制器可以接收 CPU发来的Read、Write、Format等15条不同的命令,而且有些命令还带有参数;相应地,在磁盘控制器中有多个寄存器和命令译码器等。

6、地址识别
就像内存中的每一个单元都有一个地址一样,系统中的每一个设备也都有一个地址,而设备控制器又必须能够识别它所控制的每个设备的地址。此外,为使CPU能向(或从)寄存器中写入(或读出)数据,这些寄存器都应具有唯一的地址。例如,在IB-MPC机中规定,硬盘控制器中各寄存器的地址分别为320~32F之一。控制器应能正确识别这些地址,为此,在控制器中应配置地址译码器。

微处理器和微控制器的区别

这样的区别主要集中在硬件结构、应用领域和指令集特征3个方面:

1)硬件结构
微处理器是一个单芯片CPU,而微控制器则在一块集成电路芯片中集成了CPU和其他电路,构成了一个完整的微型计算机系统。图1-6虚线框中所示是大多数微控制器的完整结构。除了CPU,微控制器还包括RAM、ROM、一个串行接口、一个并行接口,计时器和中断调度电路。这些都集成在一块集成电路上。虽然片上RAM的容量比普通微型计算机系统还要小,但是这并未限制微控制器的使用。在后面可以了解到,微控制器的应用范围非常广泛。

微控制器的一个重要的特征是内建的中断系统。作为面向控制的设备,微控制器经常要实时响应外界的激励(中断)。微控制器必须执行快速上下文切换,挂起一个进程去执行另一个进程以响应一个“事件”。例如,打开微波炉的门就是一个事件,在基于微控制器的产品中这个事件将触发一个中断。微处理器也能拥有强大的中断功能,但是通常需要外部元件的配合,而微控制器在片上集成了所有处理中断必需的电路。

2)应用领域
微处理器通常作为微型计算机系统中的CPU使用。其设计正是针对这样的应用,这也是微处理器的优势所在。然而,微控制器通常用于面向控制的应用。其系统设计追求小型化,尽可能减少元器件数量。在过去,这些应用通常需要用数十个甚至数百个数字集成电路来实现。使用微控制器可以减少元器件的使用数量,只需一个微控制器、少量的外部元件和存储在ROM中的控制程序就能够实现同样的功能。微控制器适用于那些以极少的元件实现对输入/输出设备进行控制的场合,而微处理器适用于计算机系统中进行信息处理。

3)指令集特征
由于应用场合不同,微控制器和微处理器的指令集也有所不同。微处理器的指令集增强了处理功能,使其拥有强大的寻址模式和适于操作大规模数据的指令。微处理器的指令可以对半字节、字节、字,甚至双字进行操作。通过使用地址指针和地址偏移,微处理器提供了可以访问大批数据的寻址模式。自增和自减模式使得以字节、字或双字为单位访问数据变得非常容易。另外,微处理器还具有其他的特点,如用户程序中无法使用特权指 令等。

微控制器的指令集适用于输入/输出控制。许多输入/输出的接口是单/位的。例如,电磁铁控制着马达的开关,而电磁铁由一个1位的输出端口控制。微控制器具有设置和清除单位的指令,也能执行其他面向位的操作,如对“位”进行逻辑与、或和异或的运算,根据标志位跳转等。很少有微处理器具备这些强大的位操作能力,因为设计者在设计微处理器时,仅考虑以字节或更大的单位来操作数据。

在对设备的控制和监视方面(可能是通过一个1位的接口),微控制器具有专门的内部电路和指令用于输入/输出、计时和外部中断的优先权分配。微处理器一般需要配合附加的电路(串行接口芯片、中断控制器、定时器等)才能执行相同的任务。不过,单纯就处理能力而言,微控制器永远达不到微处理器的水平(在其他条件相同的情况下),因为微控制器芯片中的集成电路的很大一部分用于实现其他的片上功能,代价就是牺牲掉一部分处理能力。

由于微控制器芯片上的资源非常紧张,它的指令必须非常精简,大部分指令的长度都短于1个字节。控制程序的设计原则通常是要求程序能够装入片上的ROM,因为即使只增加1片外部ROM也将显着提高产品的硬件成本。微控制器指令集的基本特点就是具有精简的编码方案。微处理器不具备这样的特点,因为它们强大的寻址模式使得指令编码不够简洁。

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