MCU架构介绍

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MCU 架构介绍

上网时间: 2001年03月14日

Microcontroller(微控制器)又可简称MCU或μC,也有人称为单芯片微控制器(Single Chip Microcontroller),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/D MCU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。

以一个数值运算程序来说，使用 CISC 指令集的MCU运算对于一个积分表达式可能只需要十个机器指令，而 RISC MCU在执行相同的程序时，却因为CPU 本身不提供浮点数乘法的指令，所以可能需要执行上百个机器指令 (但每一个指令可能只需要 CISC 指令十分之一的时间)，而由程序语言转换成机器指令的动作是由程序语言的 Compiler 来执行，所以在 RISC MCU的Compiler 便会较复杂 。因为同样一个高级语言 A=B*C 的运算，在 RISC MCU转换为机器指令可能有许多种组合，而每一种组合的『时间/空间』组合都不尽相同。

所以 RISC 与 CISC 的取舍之间，似乎也是MCU硬件架构与软件(Compiler) 的平衡之争，应该没有绝对优势的一方，只能说因应不同的需求而有不同的产品，例如工作单纯的打印机核心 MCU，便适合使用效能稳定，但单位指令效率较佳的 RISC MCU.

微控制器(MCU)的基本架构

微控制器产品架构由早期以累积器为基础的CPU，演进至现今含精简指令(RISC)或同时含RISC、DSP如Motorola的68356,也有如DEC的SAIIC、与Hitachi的SH-DSP系列等之32位嵌入式微控制器 ，每一系列产品又因应不同的应用与接口需求 ，衍生出不同规格的产品 。微控制器产品以特性做为区分的标准与市场统计的依据 ，区分为4位 、8位 、以及16/32位等三大类 。各厂商依其不同功能组合 ，发展出系列性的微控制器产品 ，如NEC供应PD75X的4位系列 ，Toshiba供应47CXX的4位系列 、HOLTEK供应

HT48CXX的8位系列 、及Intel之MCS-96的16位系列等。

以下就微控器的基本架构做介绍,如下先介绍MCU架构方块图。

MCU架构方块图

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)：

表一

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