架構(gòu)由于微控制器MCU具備單價(jià)低、系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用程序的發(fā)展及修改容易、芯片穩(wěn)定度佳、可靠度高，是故其應(yīng)用領(lǐng)域極廣，幾乎是無(wú)所不在。

　  在MCU開(kāi)發(fā)方面,以架構(gòu)而言,可分為兩大主流;RISC(如HOLTEK HT48XXX系列)與CISC(如華邦W78系列). RISC (Reduced Instruction Set Computer) 代表MCU的所有指令都是利用一些簡(jiǎn)單的指令組成的，簡(jiǎn)單的指令代表 MCU 的線路可以盡量做到最佳化，而提高執(zhí)行速率，相對(duì)的使得一個(gè)指令所需的時(shí)間減到最短。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 結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)。不管是 RISC 或是 CISC(Complex Instruction Set Computer)，設(shè)計(jì)MCU的目的便是為人類(lèi)服務(wù)的，對(duì)于 RISC 來(lái)說(shuō)，因?yàn)橹噶罴木?jiǎn)，所以許多工作都必須組合簡(jiǎn)單的指令，而針對(duì)較復(fù)雜組合的工作便需要由『編譯程序』(compiler) 來(lái)執(zhí)行，而 CISC MCU因?yàn)橛布峁┑闹噶罴^多，所以許多工作都能夠以一個(gè)或是數(shù)個(gè)指令來(lái)代替，compiler 的工作因而減少許多。
　　以一個(gè)數(shù)值運(yùn)算程序來(lái)說(shuō)，使用 CISC 指令集的MCU運(yùn)算對(duì)于一個(gè)積分表達(dá)式可能只需要十個(gè)機(jī)器指令，而 RISC MCU在執(zhí)行相同的程序時(shí)，卻因?yàn)镃PU 本身不提供浮點(diǎn)數(shù)乘法的指令，所以可能需要執(zhí)行上百個(gè)機(jī)器指令 (但每一個(gè)指令可能只需要 CISC 指令十分之一的時(shí)間)，而由程序語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令的動(dòng)作是由程序語(yǔ)言的 Compiler 來(lái)執(zhí)行，所以在 RISC MCU的Compiler 便會(huì)較復(fù)雜 。因?yàn)橥瑯右粋€(gè)高級(jí)語(yǔ)言 A=B*C 的運(yùn)算，在 RISC MCU轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令可能有許多種組合，而每一種組合的『時(shí)間/空間』組合都不盡相同。
　　所以 RISC 與 CISC 的取舍之間，似乎也是MCU硬件架構(gòu)與軟件(Compiler) 的平衡之爭(zhēng)，應(yīng)該沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的一方，只能說(shuō)因應(yīng)不同的需求而有不同的產(chǎn)品，例如工作單純的打印機(jī)核心 MCU，便適合使用效能穩(wěn)定，但單位指令效率較佳的 RISC MCU.
　　微控制器(MCU)的基本架構(gòu)
　　微控制器產(chǎn)品架構(gòu)由早期以累積器為基礎(chǔ)的CPU，演進(jìn)至現(xiàn)今含精簡(jiǎn)指令(RISC)或同時(shí)含RISC、DSP如Motorola的68356,也有如DEC的SAIIC、與Hitachi的SH-DSP系列等之32位嵌入式微控制器 ，每一系列產(chǎn)品又因應(yīng)不同的應(yīng)用與接口需求 ，衍生出不同規(guī)格的產(chǎn)品 。微控制器產(chǎn)品以特性做為區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)與市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的依據(jù) ，區(qū)分為4位 、8位 、以及16/32位等三大類(lèi) 。各廠商依其不同功能組合 ，發(fā)展出系列性的微控制器產(chǎn)品 ，如NEC供應(yīng)PD75X的4位系列 ，Toshiba供應(yīng)47CXX的4位系列 、HOLTEK供應(yīng)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構(gòu)做介紹,如下先介紹MCU架構(gòu)方塊圖。
MCU架構(gòu)方塊圖
詳解單片機(jī)MCU 架構(gòu)1
　　程序內(nèi)存
　　程序內(nèi)存(Program ROM)在微控制器中是只讀而不可寫(xiě)入之記憶單元，此內(nèi)存主要用來(lái)放置使用者所開(kāi)發(fā)之程序，而其性質(zhì)乃屬于不常更動(dòng)或永不變動(dòng)之資料，微控制器之動(dòng)作便是依據(jù)儲(chǔ)存于此區(qū)之程序指令運(yùn)作。在8位單芯片中常見(jiàn)的程序內(nèi)存容量有0.5K、IK、2K、4K 及8K，而通常應(yīng)用在微控制器的程序內(nèi)存有下列幾種方式，見(jiàn)(表一)：

表一
詳解單片機(jī)MCU 架構(gòu)
　　另外關(guān)于程序保密部分，不論是加密或保險(xiǎn)絲燒斷保護(hù) ，都是為了防止程序被未授權(quán)之使用者窺看、竊取(如反組譯程序 、修改內(nèi)容 、盜取程序等)。程序保密這個(gè)功能選擇只在提供OTP、開(kāi)窗型包裝、EEPROM 及 Flash ROM上使用，因?yàn)檫@些IC可借由燒錄器來(lái)回讀取程序代碼，在Mask版本則不需要進(jìn)行程序保密的步驟 。
　　隨機(jī)存取內(nèi)存
　　隨機(jī)存取內(nèi)存(Random Access Memory;RAM)，亦稱為讀/寫(xiě)內(nèi)存(Read-Write Memory),常是被用來(lái)暫時(shí)存放資料、或是程序執(zhí)行存放資料的地方，用途相當(dāng)廣泛。以HOLTEK 8位微控制器為例,其容量有64、96、160及224個(gè)Byte選擇。
　　累積器
　　累積器(Accumulator)，是MCU的運(yùn)作中樞 ，80%的指令都與累積器有關(guān) ;資料可以被存放在累積器中，直到總線或其它單元準(zhǔn)備接受它、或直到程序需要它為止 。
　　緩存器
　　緩存器(Register)是MCU內(nèi)部用來(lái)暫時(shí)存放資料的地方，每個(gè)緩存器的功能各不相同，但卻有一共同的特性，就是可以直接讀/寫(xiě)，因其位于MCU的內(nèi)部，故減少了一些不必要的等待及尋址時(shí)間,另外有些MCU的I/O Port,也以緩存器型態(tài)來(lái)直接存取控制。
　　堆棧及堆棧指針
　　堆棧(Stack)及堆棧指針(Stack Pointer)，堆棧就和盤(pán)子一樣，一個(gè)一個(gè)由下往上堆，而取出時(shí)則由上一個(gè)一個(gè)往下拿，不能由中間抽出，因此又稱為后進(jìn)先出隊(duì)列(Last-In-First-Out Queues)」。功能如下;
　　一. 暫時(shí)存放PC(Program Count)的值，適用于"子程序呼叫”，或中斷發(fā)生時(shí)將PC的值暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái);
　　二. 可視為緩存器使用，以Push,Pop來(lái)完成;
　　三. 有些MCU其Stack Level數(shù)是固定的(如HOLTEK μC系列)，有些則可自定。
　　運(yùn)算邏輯單元
　　運(yùn)算邏輯單元(Algorithm Logic Unit;ALU)，其功能在于執(zhí)行算術(shù)指令及邏輯判斷，除了產(chǎn)生結(jié)果之外，也產(chǎn)生相關(guān)的Flag(Zero、Carry、Borrow、Status)，每一個(gè)MCU都不完全一樣，尤其是Carry Flag一定要查看指令解說(shuō)表。
　　輸入/輸出(I/O Port)
　　在單芯片微電腦應(yīng)用系統(tǒng)中，I/O的擴(kuò)充不是目的，而是為了提供外部設(shè)備一個(gè)輸入/輸出的信道，做為外界與MCU間的溝通管道。例如接鍵盤(pán)、顯示器、驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制或測(cè)量等;在I/O擴(kuò)充時(shí)必須考慮與之相連接的外圍設(shè)備硬件電路特性，如:電位匹配、干擾抑制、驅(qū)動(dòng)能力(如Source,Sink能力)等。
　　微控制器在I/O埠方面?zhèn)溆卸喾N電路形式，其中有多端口可以經(jīng)由軟件以位單位來(lái)設(shè)定輸出/入方向。各埠附加大電流、高耐壓的緩沖器，以直接驅(qū)動(dòng)LED與高功率晶體管，以及做模擬訊號(hào)的輸入之用。

　　定時(shí)器、定時(shí)器
　　定時(shí)器(Time Counter)、定時(shí)器(Timer)，由外加振蕩晶體，經(jīng)除頻電路來(lái)提供MCU數(shù)種不同的時(shí)基(Time Base)。常應(yīng)用于:

　　一. 時(shí)鐘之時(shí)基(如1sec、500ms、62.5ms、15.625ms等);
　　二. PWM(Pulse Width Modulation)之Time Base;
　　三. Key Scan;
　　四. LED Scan;
　　五. Frequency output;
　　六. Pulse Reading;
　　七. APO (Auto Power OFF)等。

　　計(jì)數(shù)器
　　計(jì)數(shù)器(Event Counter)專用于累計(jì)外部的事件個(gè)數(shù)，可能為Pulse或其它資料，也可用以產(chǎn)生正確的時(shí)間延遲。常應(yīng)用于:
　　一、另一種Time Base，外加固定頻率;
　　二、計(jì)數(shù)器;
　　三、可規(guī)劃成另一種立即中斷輸入;
　　四、計(jì)速器(Speed Meter)、轉(zhuǎn)速表Tachometer)。

　　中斷
　　中斷(Interrupt)用來(lái)處理立即事件、或列為優(yōu)先處理之事件，負(fù)責(zé)時(shí)間計(jì)數(shù)器超時(shí)中斷、及外部事件產(chǎn)生中斷請(qǐng)求等工作。大部分微控制器的中斷處理系統(tǒng)是多層的，內(nèi)設(shè)有中斷優(yōu)先級(jí)電路，以決定先后順序。常應(yīng)用于:
　　一、MCU呈被動(dòng)Standby狀態(tài)(Halt-Stop)，由外加信號(hào)來(lái)Wakeup;
　　二、需要立即處理(傳感器、開(kāi)關(guān)、警報(bào)器、電源故障預(yù)警器);
　　三、需要一個(gè)固定間隔來(lái)處理(Display ,Key Scan ,Read-Time Clock);
　　微控制器上的外圍資源
　　看了這么多微控制器的的基本架構(gòu)后，讓我們繼續(xù)來(lái)了解微控制器還可以加掛那些外圍資源，以擴(kuò)充、延伸其功能。

　　串行輸出(Serial I/O)
　　微控制器內(nèi)含Serial I/O是為了提供對(duì)外部外圍Device的通訊管道，各家種類(lèi)不同，常見(jiàn)的有以下幾種:
　　◆UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter):Intel,Atmel;
　　◆USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver
　　Transmitter ):Siemens;
　　◆SPI(Serial Peripheral Interface):Motorola;
　　◆SCI(Sertal Communications Interface):這是UART的加強(qiáng)版;
　　◆I2C bus(lnter Integrated Circuit bus):Philips;
　　◆Microwire/Plus:National Semiconductor;
　　液晶驅(qū)動(dòng)裝置(LCD Driver)
　　在顯示接口上，LCD(Liquid Crystal Display)是常運(yùn)用的顯示裝置，例如在一些多功能的電話、數(shù)字溫度計(jì)、呼叫器、大哥大、掌上型游戲機(jī)以上皆可以發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。因此內(nèi)含LCD驅(qū)動(dòng)線路的微控制器運(yùn)用相當(dāng)廣泛，有兩種驅(qū)動(dòng)方式可供選用：Segment和Dot Matrix，例如:之前流行的寵物蛋是使用Dot Matrix的LCD顯示器;日系的微控制器廠商提供多樣內(nèi)含LCD驅(qū)動(dòng)裝置的微控制器可供選用,另外HOLTEK HT49XX 系列 也提供LCD驅(qū)動(dòng)裝置的微控制器。
　　螢光管驅(qū)動(dòng)裝置(VFT Driver)
　　LCD顯示器在無(wú)光源或無(wú)背光的環(huán)境下，我們即無(wú)法讀取顯示器之內(nèi)容，而VFT顯示器可提供高亮度、且色彩多變化的視覺(jué)效果，常應(yīng)用于高級(jí)的家電產(chǎn)品上，如:碟影機(jī)、DSP均衡器。要求炫麗輸出效果的產(chǎn)品，在微控制器的選擇上VFT(Vacuum Fluorescent Tube)Driver是重要的資源之一。
　　OSD
　　對(duì)于電視及監(jiān)視器人性化接口是不可缺少的功能之一，OSD(On Screen Display)部分顯示回路為接收水平同步信號(hào)(H-Sync)及垂直同步信號(hào)(V-Sync)，再將信號(hào)透過(guò)RGB及Blanking將屏幕信息送出，其顯示顏色至多可達(dá)八種。各微控制器指令執(zhí)行速率會(huì)造成OSD的顯示行數(shù)及字段的不同，顯示行數(shù)由二行至數(shù)十行，字段則由15~26個(gè)字符或更多，通常執(zhí)行速率較快者可顯示較多的行數(shù)、字段，速率較慢者在顯示上會(huì)有直接的受限。
　　模擬轉(zhuǎn)換數(shù)字接口(ADC)
　　由于微控制器諸多應(yīng)用上，需要偵測(cè)外部環(huán)境狀況，做為處理數(shù)據(jù)上的參考，如在TV應(yīng)用方面其調(diào)諧器(Tuner)之自動(dòng)頻率控制(Auto Frequency Control)訊號(hào)，即為電壓訊號(hào)，其它如溫度之偵測(cè)也多是轉(zhuǎn)換為電壓訊號(hào)，所以模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(Analog to Digital Converter)的應(yīng)用在工業(yè)及消費(fèi)電子上都很廣泛。
　　模擬之場(chǎng)合是如此頻繁，所以各廠家提供模擬/數(shù)字之轉(zhuǎn)換便成為一般之標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(如HOLTEK HT46XX系列)，雖然如此，對(duì)于模擬/數(shù)字之分辨率各家差異很大，由3位~10位皆有，視各不同需求而異。雖然提供的轉(zhuǎn)換信道有很多，通常內(nèi)部?jī)H有一個(gè)電路處理，靠選擇器切換，對(duì)于時(shí)間考慮不是特別強(qiáng)調(diào)之應(yīng)用上，不致有太大之影響。
　　另外還有一種模擬/數(shù)字之轉(zhuǎn)換方式,就是R to F(Resistance to Freguency),一般運(yùn)用在溫度/濕度之偵測(cè),利用電阻/電容式Sensor的變化特性,轉(zhuǎn)換成頻率值,以此頻率值來(lái)計(jì)算溫度/濕度的相對(duì)性,此類(lèi)的IC如HOLTEK HT47XX系列。
　　數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬接口(DAC)
　　在控制模擬組件需要模擬訊號(hào)，以微控制器而言,就必須內(nèi)建數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換(Digital to Analog Converter)來(lái)因應(yīng).其內(nèi)部由數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換緩存器及一階梯電阻構(gòu)成,數(shù)字/模擬的分辨率各為8位.在一個(gè)8位/參考電壓為5V的微控制器,假設(shè)一個(gè)數(shù)字值60轉(zhuǎn)換成模擬值的計(jì)算方式是(60/256x5Volts)=1.171875V
　　例如應(yīng)用在鎖相回路上，VCO(電壓控制振蕩器)即可用DAC做控制。另外Voice IC也是利用原先將語(yǔ)音錄制成數(shù)字資料,然后用DAC 方式將數(shù)字資料音頻轉(zhuǎn)換還原模擬語(yǔ)音訊號(hào)。
　　脈寬調(diào)變(PWM)
　　其目的也是以數(shù)字輸出搭配外圍回路，達(dá)到模擬的效果，其組成有前置配器(Pre-divider)、計(jì)數(shù)器(Counter)、數(shù)據(jù)閂鎖(Data Latches)、及比較電路
　　(Compare Circuits)等。PWM(Pulse Width Modulation)分辨率由程控，當(dāng)然在一般的I/O埠亦可用時(shí)間及Duty Cycle計(jì)算技巧來(lái)達(dá)成PWM之功能，但反應(yīng)速度會(huì)受到限制，且以今日各大半導(dǎo)體廠家皆提供其PWM功能之微控制器就便利性而言 (如HOLTEK HT46XX系列)，實(shí)在不需再將心思放在PWM之撰寫(xiě)上,以減輕軟件的負(fù)擔(dān)。而PWM之功能由6位~14位之分辨率，適合各種不同的需求。
　　DTMF產(chǎn)生器、接收器
　　電話由原來(lái)的Pulse演進(jìn)為現(xiàn)在的Tone譯碼方式，不但提高了譯碼的速度，也增加了可靠性與抗噪聲能力，DTMF(Dual Tone Multiple Frequency)顧名思義就是混合兩種頻率的音頻訊號(hào)，所以譯碼不易出差錯(cuò)。應(yīng)用在電話產(chǎn)品的微控制器時(shí)，DTMF這個(gè)資源常是選擇的重要規(guī)格。
　　看門(mén)狗(Watchdog Timer)
　　微控制器在產(chǎn)品中是不允許當(dāng)機(jī)的，但受到噪聲干擾或操作不當(dāng)時(shí)，需有防范措施確保微控制器在當(dāng)機(jī)的情況下能夠自動(dòng)重置，讓微控制器能夠繼續(xù)運(yùn)作.我們可以說(shuō)看門(mén)狗(Watchdog timer)是用來(lái)監(jiān)看微控制器是否為不正常的當(dāng)機(jī)，許多微控制器都已把它列為標(biāo)準(zhǔn)配備。
　　看門(mén)狗定時(shí)器實(shí)際上就像一個(gè)自跑式的RC振蕩器，它完全不必外加零件，意即不管是芯片的時(shí)脈振蕩接腳的時(shí)脈振蕩有沒(méi)有停止，它還是繼續(xù)計(jì)數(shù)而不隨之中斷而停止，即便是芯片進(jìn)入省電的Halt狀態(tài)(在Halt狀態(tài)下，芯片之時(shí)脈停止振蕩也一定不曾停止Watchdog timer之計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)逾時(shí)后將使本芯片自動(dòng)重置，I/O腳輸出保持不變，耗電相當(dāng)?shù)氖?，Watchdog timer要不要致能，在OTP版本必須在程序燒錄時(shí)決定，以便決定要不要燒斷其保險(xiǎn)絲，在Mask版本由使用者選擇是否使用這個(gè)功能。
　　雙時(shí)脈(Dual Clock)
　　微控制器的供應(yīng)時(shí)脈愈高時(shí) ，相對(duì)地耗電量也愈大 因此在一些使用電池供應(yīng)的產(chǎn)品選用時(shí) ，雙時(shí)脈常是必須考慮的功能 ，一般副時(shí)脈是以32.768KHz運(yùn)作，主要做為計(jì)時(shí)(Real Time Clock)之用。

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溫馨提示：
凡在本公司進(jìn)行電路板克隆業(yè)務(wù)的客戶，必須有合法的PCB設(shè)計(jì)版權(quán)來(lái)源聲明，以保護(hù)原創(chuàng)PCB設(shè)計(jì)版權(quán)所有者的合法權(quán)益；