MCU 又名：單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)或者單片機

       微控制單元(Microcontroller Unit；MCU) ，又稱單片微型計算機(Single Chip Microcomputer )或者單片機，是把中央處理器(Central Process Unit；CPU)的頻率與規(guī)格做適當縮減，并將內(nèi)存(memory)、計數(shù)器(Timer)、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。諸如手機、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進馬達、機器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。

主要分類

按用途分類：

       通用型：將可開發(fā)的資源（ROM、RAM、I/O、 EPROM）等全部提供給用戶。

       專用型：其硬件及指令是按照某種特定用途而設(shè)計，例如錄音機機芯控制器、打印機控制器、電機控制器等。

按其基本操作處理的數(shù)據(jù)位數(shù)分類：

       根據(jù)總線或數(shù)據(jù)暫存器的寬度，單片機又可分為1位、4位、8位、16位、32位甚至64位單片機。4位MCU大部份應(yīng)用在計算器、車用儀表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD播放器、LCD驅(qū)動控制器、LCD游戲機、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機等；8位MCU大部份應(yīng)用在電表、馬達控制器、電動玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來電辨識器（CallerID）、電話錄音機、CRT顯示器、鍵盤及USB等；8位、16位單片機主要用于一般的控制領(lǐng)域，一般不使用操作系統(tǒng)， 16位MCU大部份應(yīng)用在行動電話、數(shù)字相機及攝錄放影機等；32位MCU大部份應(yīng)用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、激光打印機與彩色傳真機； 32位用于網(wǎng)絡(luò)操作、多媒體處理等復(fù)雜處理的場合，一般要使用嵌入式操作系統(tǒng)。64位MCU大部份應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動系統(tǒng)、高級電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級終端機等。

       8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，強調(diào)簡單效能、低成本應(yīng)用，在目前MCU市場總值仍有一定地位，而不少MCU業(yè)者也持續(xù)為8bit MCU開發(fā)頻率調(diào)節(jié)的節(jié)能設(shè)計，以因應(yīng)綠色時代的產(chǎn)品開發(fā)需求。

       16位MCU，則以16位運算、16/24位尋址能力及頻率在24~100MHz為主流規(guī)格，部分16bit MCU額外提供32位加/減/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出現(xiàn)并持續(xù)降價及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價優(yōu)勢下，夾在中間的16bit MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產(chǎn)品。

       32位MCU可說是MCU市場主流，單顆報價在1.5~4美元之間，工作頻率大多在100~350MHz之間，執(zhí)行效能更佳，應(yīng)用類型也相當多元。但32位MCU會因為操作數(shù)與內(nèi)存長度的增加，相同功能的程序代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%，這導(dǎo)致內(nèi)嵌OTP/FlashROM內(nèi)存容量不能太小，而芯片對外腳位數(shù)量暴增，進一步局限32bit MCU的成本縮減能力。

內(nèi)嵌程序存儲器類型

       下面以51單片機為例（MCS-51系列MCU是我國使用最多的單片機），根據(jù)其內(nèi)部存儲器的類型不同可以分為以下幾個基本型：

       1.無ROM型 ：8031

       2.ROM型：8051

       3.EPROM型：8751

       4.EEPROM 型：8951

       5.增強型：8032/8052/8752/8952/C8051F

       MCU按其存儲器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)FLASH型（典型芯片為89C51）等類型，一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程ROM（One Time Programming, OTP)的芯片（典型芯片為97C51)。MASKROM的MCU價格便宜，但程序在出廠時已經(jīng)固化，適合程序固定不變的應(yīng)用場合；FLASH ROM的MCU程序可以反復(fù)擦寫，靈活性很強，但價格較高，適合對價格不敏感的應(yīng)用場合或做開發(fā)用途；OTPROM的MCU價格介于前兩者之間，同時又擁有一次性可編程能力，適合既要求一定靈活性，又要求低成本的應(yīng)用場合，尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。

       由于MCU強調(diào)是最大密集度與最小芯片面積，以有限的程序代碼達成控制功能，因此當今MCU多半使用內(nèi)建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash內(nèi)存來儲存韌體碼，MCU內(nèi)建Flash內(nèi)存容量從低階4~64KB到最高階512KB~2MB不等。

存儲器結(jié)構(gòu)

       MCU根據(jù)其存儲器結(jié)構(gòu)可分為哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)和馮?諾依曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的單片機絕大多數(shù)都是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個基本部分：一個中央處理器核心，程序存儲器（只讀存儲器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲器（隨機存儲器）、一個或者更多的定時/計時器，還有用來與外圍設(shè)備以及擴展資源進行 通信 的輸入/輸出端口，所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。

指令結(jié)構(gòu)

       MCU根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer,復(fù)雜指令集計算機)和RISC(Reduced Instruction Set Comuter,精簡指令集計算機微控制器)

技術(shù)原理

       MCU同溫度傳感器之間通過I2C總線連接。I2C總線占用2條MCU輸入輸出口線，二者之間的通信完全依靠軟件完成。溫度傳感器的地址可以通過2根地址引腳設(shè)定，這使得一根I2C總線上可以同時連接8個這樣的傳感器。本方案中，傳感器的7位地址已經(jīng)設(shè)定為1001000。MCU需要訪問傳感器時，先要發(fā)出一個8位的寄存器指針，然后再發(fā)出傳感器的地址（7位地址，低位是WR信號）。傳感器中有3個寄存器可供MCU使用，8位寄存器指針就是用來確定MCU究竟要使用哪個寄存器的。本方案中，主程序會不斷更新傳感器的配置寄存器，這會使傳感器工作于單步模式，每更新一次就會測量一次溫度。

       要讀取傳感器測量值寄存器的內(nèi)容，MCU必須首先發(fā)送傳感器地址和寄存器指針。MCU發(fā)出一個啟動信號，接著發(fā)出傳感器地址，然后將RD/WR管腳設(shè)為高電平，就可以讀取測量值寄存器。

       為了讀出傳感器測量值寄存器中的16位數(shù)據(jù)，MCU必須與傳感器進行兩次8位數(shù)據(jù)通信。當傳感器上電工作時，默認的測量精度為9位，分辨力為0.5 C/LSB（量程為-128.5 C至128.5 C）。本方案采用默認測量精度，根據(jù)需要，可以重新設(shè)置傳感器，將測量精度提高到12位。如果只要求作一般的溫度指示，比如自動調(diào)溫器，那么分辨力達到1 C就可以滿足要求了。這種情況下，傳感器的低8位數(shù)據(jù)可以忽略，只用高8位數(shù)據(jù)就可以達到分辨力1 C的設(shè)計要求。由于讀取寄存器時是按先高8位后低8位的順序，所以低8位數(shù)據(jù)既可以讀，也可以不讀。只讀取高8位數(shù)據(jù)的好處有二，第一是可以縮短MCU和傳感器的工作時間，降低功耗；第二是不影響分辨力指標。

       MCU讀取傳感器的測量值后，接下來就要進行換算并將結(jié)果顯示在LCD上。整個處理過程包括：判斷顯示結(jié)果的正負號，進行二進制碼到BCD碼的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳到LCD的相關(guān)寄存器中。

數(shù)據(jù)處理完畢并顯示結(jié)果之后，MCU會向傳感器發(fā)出一個單步指令。單步指令會讓傳感器啟動一次溫度測試，然后自動進入等待模式，直到模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢。MCU發(fā)出單步指令后，就進入LPM3模式，這時MCU系統(tǒng)時鐘繼續(xù)工作，產(chǎn)生定時中斷喚醒CPU。定時的長短可以通過編程調(diào)整，以便適應(yīng)具體應(yīng)用的需要。

發(fā)展歷史

       單片機出現(xiàn)的歷史并不長，但發(fā)展十分迅猛。 它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來，它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個階段。下面以Intel公司的單片機發(fā)展為代表加以介紹。

1971-1976

       單片機發(fā)展的初級階段。 1971年11月Intel公司首先設(shè)計出集成度為2000多只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004, 并配有RAM、ROM和移位寄存器, 構(gòu)成了第一臺MCS—4微處理器, 而后又推出了8位微處理器Intel 8008, 其它各公司也相繼推出的8位微處理器。

1976-1980

       低性能單片機階段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列為代表, 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時/計數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu), 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）, 也沒有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中斷系統(tǒng)也較簡單, 但其功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。

1980-1983

       高性能單片機階段。這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口, 有多級中斷處理系統(tǒng), 多個16位定時器/計數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM的容量加大，且尋址范圍可達64 KB，個別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。

1983-80年代末

       16位單片機階段。1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS－96系列, 由于其采用了最新的制造工藝, 使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。

1990年代

       單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。

       按照單片機的特點，單片機的應(yīng)用分為單機應(yīng)用與多機應(yīng)用。在一個應(yīng)用系統(tǒng)中，只使用一片單片機稱為單機應(yīng)用。單片機的單機應(yīng)用范圍包括：

       (1) 測控系統(tǒng)。用單片機可以構(gòu)成各種不太復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等, 達到測量與控制的目的。

       (2) 智能儀表。用單片機改造原有的測量、控制儀表, 促進儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向發(fā)展。

       (3) 機電一體化產(chǎn)品。單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品相結(jié)合, 使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化, 控制智能化。

       (4) 智能接口。在計算機控制系統(tǒng), 特別是在較大型的工業(yè)測、控系統(tǒng)中, 用單片機進行接口的控制與管理, 加之單片機與主機的并行工作, 大大提高了系統(tǒng)的運行速度。

       (5) 智能民用產(chǎn)品。如在家用電器、玩具、游戲機、聲像設(shè)備、電子秤、辦公設(shè)備、廚房設(shè)備等許多產(chǎn)品中，單片機控制器的引入不僅使產(chǎn)品的功能大大增強，性能得到提高，而且獲得了良好的使用效果。

       單片機的多機應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機處理及局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

       (1) 功能集散系統(tǒng)。 多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機系統(tǒng)。

       (2) 并行多機控制系統(tǒng)。 并行多機控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速性問題, 以便構(gòu)成大型實時工程應(yīng)用系統(tǒng)。

       (3) 局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

       單片機按應(yīng)用范圍又可分成通用型和專用型。專用型是針對某種特定產(chǎn)品而設(shè)計的，例如用于體溫計的單片機、用于洗衣機的單片機等等。在通用型的單片機中，又可按字長分為4位、8位、16/32位，雖然計算機的微處理器現(xiàn)在幾乎是32/64位的天下，8位、16位的微處理器已趨于萎縮，但單片機情況卻不同，8位單片機成本低，價格廉，便于開發(fā)，其性能能滿足大部分的需要，只有在航天、汽車、機器人等高技術(shù)領(lǐng)域，需要高速處理大量數(shù)據(jù)時，才需要選用16/32位，而在一般工業(yè)領(lǐng)域，8位通用型單片機，仍然是目前應(yīng)用最廣的單片機。

       到目前為止，中國的單片機應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)走過了二十余年的歷程，隨著嵌入式系統(tǒng)逐漸深入社會生活各個方面，單片機課程的教學也有從傳統(tǒng)的8位處理器平臺向32位高級RISC處理器平臺轉(zhuǎn)變的趨勢，但8位機依然難以被取代。國民經(jīng)濟建設(shè)、軍事及家用電器等各個領(lǐng)域，尤其是手機、汽車自動導(dǎo)航設(shè)備、PDA、智能玩具、智能家電、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)都是國內(nèi)急需單片機人才的行業(yè)。行業(yè)高端目前有超過10余萬名從事單片機開發(fā)應(yīng)用的工程師，但面對嵌入式系統(tǒng)工業(yè)化的潮流和我國大力推動建設(shè)“嵌入式軟件工廠”的機遇，我國的嵌入式產(chǎn)品要融入國際市場，形成產(chǎn)業(yè)，則必將急需大批單片機應(yīng)用型人才，這為高職類學生從事這類高技術(shù)行業(yè)提供了巨大機會。

英漢計算機詞匯

       Main Computational Unit,主要計算部件; Maintenance Control Unit, 維護控制器; Master Control Unit, 主控制器; Memory Control Unit, 存儲(器)控制器;Micro (computer) Control Unit, 微(計算機)控制器; Microprocessor Control Unit, 微處理機控制器

區(qū)別

MCU和SOC的區(qū)別

       MCU（微控制器單元）和SoC（系統(tǒng)級芯片）都是集成電路的重要類型，它們在電子設(shè)備中，尤其是嵌入式系統(tǒng)中，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。盡管它們有相似之處，但也存在顯著的區(qū)別。以下是對MCU和SoC之間區(qū)別的詳細分析：

定義與集成度：

       MCU：是一種集成了處理器核心（通常是低功耗的）、內(nèi)存（RAM和ROM）、輸入/輸出接口以及其他功能于單一芯片的小型計算機。它的集成度相對較低，專注于基本的控制和處理任務(wù)。

       SoC：是一種高度集成的電路，不僅包含了傳統(tǒng)MCU的功能，還集成了更多的系統(tǒng)組件，如完整的操作系統(tǒng)、高性能處理器（如CPU、GPU）、多媒體處理單元、網(wǎng)絡(luò)接口等。SoC在單個芯片上實現(xiàn)了更高層次的系統(tǒng)集成。

性能：

       MCU：通常具有較低的處理能力和內(nèi)存容量，適用于簡單的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

       SoC：包含高性能的處理器核心，能夠處理復(fù)雜的任務(wù)和大量的數(shù)據(jù)，適用于需要高計算能力和多任務(wù)處理的應(yīng)用場景。

功耗：

       MCU：設(shè)計注重低功耗，適合在電池供電或能源受限的環(huán)境中長期運行。

       SoC：由于其高性能和集成的多功能模塊，功耗相對較高。

應(yīng)用領(lǐng)域：

       MCU：廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車電子、工業(yè)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，執(zhí)行簡單的控制和管理任務(wù)。

       SoC：用于更復(fù)雜的系統(tǒng)，如智能手機、平板電腦、高端嵌入式系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)需要更高的處理能力和更豐富的功能支持。

成本：

       MCU：通常成本較低，適合成本敏感的應(yīng)用。

       SoC：由于其高度集成和強大的性能，可能成本較高。

       綜上所述，MCU和SoC在定義、性能、功耗、應(yīng)用領(lǐng)域和成本等方面存在顯著差異。在選擇使用MCU還是SoC時，需要根據(jù)項目的具體需求、預(yù)算、功耗要求和性能需求來做出決策。

MCU和DSP的區(qū)別

       MCU（微控制器單元，Microcontroller Unit）和DSP（數(shù)字信號處理器，Digital Signal Processor）在多個方面存在顯著的區(qū)別，以下從幾個關(guān)鍵維度進行詳細比較：

一、定義與功能

       MCU：MCU是一種基于單片微處理器的集成電路，集成了CPU、存儲器、輸入/輸出接口等功能模塊。它主要用于實現(xiàn)對各種外設(shè)的控制和管理，具有集成度高、低功耗、易于開發(fā)、實時性強和低成本等特點。

       DSP：DSP是一種專門的微處理器芯片，其結(jié)構(gòu)為數(shù)字信號處理的操作需要而優(yōu)化。它主要用于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字信號處理任務(wù)，如音頻處理、圖像處理等，具有高性能的運算能力和豐富的數(shù)據(jù)處理功能。

二、架構(gòu)與性能

       MCU：MCU的架構(gòu)通常比較簡單，運算速度和數(shù)據(jù)處理能力相對較低，但功耗非常低。它適用于對實時性要求不高的應(yīng)用，如家電控制、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

       DSP：DSP的架構(gòu)更加復(fù)雜，專為高速數(shù)字信號處理而設(shè)計。它通常采用哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲器空間劃分成兩個，分別存儲程序和數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)訪問速度。DSP的運算速度和數(shù)據(jù)處理能力非常高，適用于對實時性要求較高的應(yīng)用。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

       MCU：MCU廣泛應(yīng)用于家電、汽車電子、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備、安防系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。例如，在家電領(lǐng)域，MCU可以實現(xiàn)對洗衣機、冰箱、空調(diào)等設(shè)備的智能控制；在汽車電子領(lǐng)域，MCU可以應(yīng)用于發(fā)動機控制、剎車系統(tǒng)、車載娛樂系統(tǒng)等。

       DSP：DSP主要應(yīng)用于通信、音視頻處理、圖像處理等領(lǐng)域。例如，在通信領(lǐng)域，DSP可以實現(xiàn)對信號的高效處理，提高通信系統(tǒng)的性能和可靠性；在音視頻處理領(lǐng)域，DSP可以實現(xiàn)音頻編解碼、視頻編解碼等功能，提高音視頻質(zhì)量。

四、其他區(qū)別

       存儲器結(jié)構(gòu)：MCU通常采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，只有一個存儲器空間；而DSP則通常采用哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲器空間劃分成程序和數(shù)據(jù)兩個獨立的空間。

       定點計算：DSP普遍采用定點計算方式，以避免使用浮點機器并確保數(shù)字的準確性。而MCU在處理數(shù)字信號時可能更多地依賴于浮點計算。

       尋址方式與乘法運算：DSP處理器往往支持專門的尋址模式，并且使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法，支持高效的乘法累加運算。相比之下，MCU可能不是為密集乘法任務(wù)設(shè)計的，其乘法運算效率較低。

       綜上所述，MCU和DSP在定義、功能、架構(gòu)、性能、應(yīng)用領(lǐng)域以及具體的技術(shù)實現(xiàn)等方面都存在顯著的區(qū)別。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的需求和場景選擇合適的處理器。隨著科技的不斷發(fā)展，MCU和DSP將在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。