MCU定義：
微控制單元(Microcontroller Unit；MCU) ，又稱單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer )或者單片機(jī)，是把中央處理器(Central Process Unit；CPU)的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存(memory)、計(jì)數(shù)器(Timer)、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。諸如手機(jī)、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)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(jì)，例如錄音機(jī)機(jī)芯控制器、打印機(jī)控制器、電機(jī)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(jī)又分為1位、4位、8位、16位、32位甚至64位單片機(jī)。4位MCU大部份應(yīng)用在計(jì)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(dòng)控制器、LCD游戲機(jī)、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計(jì)、溫濕度計(jì)、遙控器及傻瓜相機(jī)等；8位MCU大部份應(yīng)用在電表、馬達(dá)控制器、電動(dòng)玩具機(jī)、變頻式冷氣機(jī)、呼叫器、傳真機(jī)、來電辨識(shí)器（CallerID）、電話錄音機(jī)、CRT顯示器、鍵盤及USB等；8位、16位單片機(jī)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(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)及攝錄放影機(jī)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(jī)與彩色傳真機(jī)； 32位用于網(wǎng)絡(luò)操作、多媒體處理等復(fù)雜處理的場(chǎng)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(dòng)系統(tǒng)、高級(jí)電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級(jí)終端機(jī)等。
8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，強(qiáng)調(diào)簡單效能、低成本應(yīng)用，在目前MCU市場(chǎng)總值仍有一定地位，而不少M(fèi)CU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(jì)，以因應(yīng)綠色時(shí)代的產(chǎn)品開發(fā)需求。
16位MCU，則以16位運(yùn)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(jià)及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價(jià)優(yōu)勢(shì)下，夾在中間的16bit MCU市場(chǎng)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(chǎng)主流，單顆報(bào)價(jià)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(dāng)多元。但32位MCU會(huì)因?yàn)椴僮鲾?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(duì)外腳位數(shù)量暴增，進(jìn)一步局限32bit MCU的成本縮減能力。
內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器類型
下面以51單片機(jī)為例（MCS-51系列MCU是我國使用最多的單片機(jī)），根據(jù)其內(nèi)部存儲(chǔ)器的類型不同可以分為以下幾個(gè)基本型：
1.無ROM型 ：8031
2.ROM型：8051
3.EPROM型：8751
4.EEPROM 型：8951
5.增強(qiáng)型：8032/8052/8752/8952/C8051F
MCU按其存儲(chǔ)器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對(duì)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(jià)格便宜，但程序在出廠時(shí)已經(jīng)固化，適合程序固定不變的應(yīng)用場(chǎng)合；FLASH ROM的MCU程序可以反復(fù)擦寫，靈活性很強(qiáng)，但價(jià)格較高，適合對(duì)價(jià)格不敏感的應(yīng)用場(chǎng)合或做開發(fā)用途；OTPROM的MCU價(jià)格介于前兩者之間，同時(shí)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(chǎng)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(qiáng)調(diào)是最大密集度與最小芯片面積，以有限的程序代碼達(dá)成控制功能，因此當(dāng)今MCU多半使用內(nèi)建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash內(nèi)存來儲(chǔ)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(chǔ)器結(jié)構(gòu)
MCU根據(jù)其存儲(chǔ)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(jī)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(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器）、一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)時(shí)器，還有用來與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/輸出端口，所有這些都被集成在單個(gè)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(jì)算機(jī))和RISC(Reduced Instruction Set Comuter,精簡指令集計(jì)算機(jī)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(shí)連接8個(gè)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(shí)，先要發(fā)出一個(gè)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(hào)）。傳感器中有3個(gè)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(gè)寄存器的。本方案中，主程序會(huì)不斷更新傳感器的配置寄存器，這會(huì)使傳感器工作于單步模式，每更新一次就會(huì)測(cè)量一次溫度。
要讀取傳感器測(cè)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(gè)啟動(dòng)信號(hào)，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(cè)量值寄存器。
為了讀出傳感器測(cè)量值寄存器中的16位數(shù)據(jù)，MCU必須與傳感器進(jìn)行兩次8位數(shù)據(jù)通信。當(dāng)傳感器上電工作時(shí)，默認(rèn)的測(cè)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(rèn)測(cè)量精度，根據(jù)需要，可以重新設(shè)置傳感器，將測(cè)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(dòng)調(diào)溫器，那么分辨力達(dá)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(dá)到分辨力1 C的設(shè)計(jì)要求。由于讀取寄存器時(shí)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(shí)間，降低功耗；第二是不影響分辨力指標(biāo)。
MCU讀取傳感器的測(cè)量值后，接下來就要進(jìn)行換算并將結(jié)果顯示在LCD上。整個(gè)處理過程包括：判斷顯示結(jié)果的正負(fù)號(hào)，進(jìn)行二進(jìn)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(huì)向傳感器發(fā)出一個(gè)單步指令。單步指令會(huì)讓傳感器啟動(dòng)一次溫度測(cè)試，然后自動(dòng)進(jìn)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(jìn)入LPM3模式，這時(shí)MCU系統(tǒng)時(shí)鐘繼續(xù)工作，產(chǎn)生定時(shí)中斷喚醒CPU。定時(shí)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。
主要區(qū)別
在20世紀(jì)最值得人們稱道的成就中，就有集成電路和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)，在科學(xué)技術(shù)界引起了影響深遠(yuǎn)的變革。在70年代中期，微型計(jì)算機(jī)家族中又分裂出一個(gè)小小的派系--單片機(jī)。隨著4位單片機(jī)出現(xiàn)之后，又推出了8位的單片機(jī)。MCS48系列，特別是MCS51系列單片機(jī)的出現(xiàn)，確立了單片機(jī)作為微控制器（MCU）的地位，引起了微型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新的變革。在當(dāng)今世界上，微處理器（MPU）和微控制器（MCU）形成了各具特色的兩個(gè)分支。它們互相區(qū)別，但又互相融合、互相促進(jìn)。與微處理器（MPU）以運(yùn)算性能和速度為特征的飛速發(fā)展不同，微控制器（MCU）則是以其控制功能的不斷完善為發(fā)展標(biāo)志的。
CPU（Central Processing Unit，中央處理器）發(fā)展出來三個(gè)分枝，一個(gè)是DSP（Digital Signal Processing/Processor，數(shù)字信號(hào)處理），另外兩個(gè)是MCU（Micro Control Unit，微控制器單元）和MPU（Micro Processor Unit，微處理器單元）。
MCU集成了片上外圍器件；MPU不帶外圍器件（例如存儲(chǔ)器陣列），是高度集成的通用結(jié)構(gòu)的處理器，是去除了集成外設(shè)的MCU；DSP運(yùn)算能力強(qiáng)，擅長很多的重復(fù)數(shù)據(jù)運(yùn)算，而MCU則適合不同信息源的多種數(shù)據(jù)的處理診斷和運(yùn)算，側(cè)重于控制，速度并不如DSP。MCU區(qū)別于DSP的最大特點(diǎn)在于它的通用性，反應(yīng)在指令集和尋址模式中。DSP與MCU的結(jié)合是DSC，它終將取代這兩種芯片。
1.對(duì)密集的乘法運(yùn)算的支持
GPP不是設(shè)計(jì)來做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現(xiàn)代的GPP，也要求多個(gè)指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實(shí)現(xiàn)單周期乘 法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個(gè)乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱為結(jié)果bits的額外bits來避免溢出。同時(shí)，為了 充分體現(xiàn)專門的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。
2. 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)上，GPP使用馮.諾依曼存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)存儲(chǔ)器空間通過一組總線（一個(gè)地址總線和一個(gè)數(shù)據(jù)總線）連接到處理器核。通常，做一次乘法會(huì)發(fā)生4次存儲(chǔ)器訪問，用掉至少四個(gè)指令周期。
大多數(shù)DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲(chǔ)器空間劃分成兩個(gè)，分別存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行訪問。這種安排將處理器存儲(chǔ)器的帶寬加倍，更重要的是同時(shí)為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令。在這種布局下，DSP得以實(shí)現(xiàn)單周期的MAC指令。
典型的高性能GPP實(shí)際上已包含兩個(gè)片內(nèi)高速緩存，一個(gè)是數(shù)據(jù)，一個(gè)是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運(yùn)行時(shí)的訪問速度。從物理上說，這種片內(nèi)的雙存儲(chǔ)器和總線的結(jié)構(gòu)幾乎與哈佛結(jié)構(gòu)的一樣了。然而從邏輯上說，兩者還是有重要的區(qū)別。
GPP使用控制邏輯來決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲(chǔ)在片內(nèi)的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）。與此相反，DSP使用多個(gè)片內(nèi) 存儲(chǔ)器和多組總線來保證每個(gè)指令周期內(nèi)存儲(chǔ)器的多次訪問。在使用DSP時(shí)，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲(chǔ)在片內(nèi)存儲(chǔ)器中。程序員在寫程序時(shí)，必 須保證處理器能夠有效地使用其雙總線。
此外，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存。這是因?yàn)镈SP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說，DSP處理器對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)樣本做計(jì)算后，就丟棄了，幾乎不再重復(fù)使用。
3.零開銷循環(huán)
如果了解到DSP算法的一個(gè)共同的特點(diǎn)，即大多數(shù)的處理時(shí)間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件，用于 零開銷循環(huán)。所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時(shí)，不用花時(shí)間去檢查循環(huán)計(jì)數(shù)器的值、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計(jì)數(shù)器減1。
與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來實(shí)現(xiàn)。某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預(yù)報(bào)硬件，幾乎達(dá)到與硬件支持的零開銷循環(huán)同樣的效果。
4.定點(diǎn)計(jì)算
大多數(shù)DSP使用定點(diǎn)計(jì)算，而不是使用浮點(diǎn)。雖然DSP的應(yīng)用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點(diǎn)來做應(yīng)該容易的多，但是對(duì)DSP來說，廉價(jià)也是非 常重要的。定點(diǎn)機(jī)器比起相應(yīng)的浮點(diǎn)機(jī)器來要便宜（而且更快）。為了不使用浮點(diǎn)機(jī)器而又保證數(shù)字的準(zhǔn)確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計(jì)算、舍 入和移位。
5.專門的尋址方式
DSP處理器往往都支持專門的尋址模式，它們對(duì)通常的信號(hào)處理操作和算法是很有用的。例如，模塊（循環(huán)）尋址（對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器延時(shí)線很有用）、位倒序?qū)ぶ罚▽?duì)FFT很有用）。這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來實(shí)現(xiàn)。
6.執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)
大多數(shù)的DSP應(yīng)用（如蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器）都是嚴(yán)格的實(shí)時(shí)應(yīng)用，所有的處理必須在指定的時(shí)間內(nèi)完成。這就要求程序員準(zhǔn)確地確定每個(gè)樣本需要多少處理時(shí)間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時(shí)間。如果打算用低成本的GPP去完成實(shí)時(shí)信號(hào)處理的任務(wù)，執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)大概不會(huì)成為什么問題，應(yīng)為低成本GPP具有相對(duì)直接的結(jié)構(gòu)，比較容易預(yù)測(cè)執(zhí)行時(shí)間。然而，大多數(shù)實(shí)時(shí)DSP應(yīng)用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。 這時(shí)候，DSP對(duì)高性能GPP的優(yōu)勢(shì)在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會(huì)放進(jìn)去也是由程序員（而不是處理器）來決定的，因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲(chǔ)器中讀取。DSP一般不使用動(dòng)態(tài)特性，如轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)和推理執(zhí)行等。因此，由一段給定的代碼來預(yù)測(cè)所要求的執(zhí)行時(shí)間是完全直截了當(dāng)?shù)?。從而使程序員得以確定芯片的性能限制。
7.定點(diǎn)DSP指令集
定點(diǎn)DSP指令集是按兩個(gè)目標(biāo)來設(shè)計(jì)的：使處理器能夠在每個(gè)指令周期內(nèi)完成多個(gè)操作，從而提高每個(gè)指令周期的計(jì)算效率。將存貯DSP程序的存儲(chǔ)器空間減到最?。ㄓ捎诖鎯?chǔ)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本影響甚大，該問題在對(duì)成本敏感的DSP應(yīng)用中尤為重要）。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，DSP處理器的指令集通常都允許程序員在一個(gè)指令內(nèi)說明若干個(gè)并行的操作。例如，在一條指令包含了MAC操作，即同時(shí)的一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)移動(dòng)。在典型的例子里，一條指令就包含了計(jì)算FIR濾波器的一節(jié)所需要的所有操作。這種高效率付出的代價(jià)是，其指令集既不直觀，也不容易使用（與GPP的指令集相比）。 GPP的程序通常并不在意處理器的指令集是否容易使用，因?yàn)樗麄円话闶褂孟驝或C++等高級(jí)語言。而對(duì)于DSP的程序員來說，不幸的是主要的DSP應(yīng)用程序都是用匯編語言寫的（至少部分是匯編語言優(yōu)化的）。這里有兩個(gè)理由：首先，大多數(shù)廣泛使用的高級(jí)語言，例如C，并不適合于描述典型的DSP算法。其次， DSP結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如多存儲(chǔ)器空間、多總線、不規(guī)則的指令集、高度專門化的硬件等，使得難于為其編寫高效率的編譯器。 即便用編譯器將C源代碼編譯成為DSP的匯編代碼，優(yōu)化的任務(wù)仍然很重。典型的DSP應(yīng)用都具有大量計(jì)算的要求，并有嚴(yán)格的開銷限制，使得程序的優(yōu)化必不可少（至少是對(duì)程序的最關(guān)鍵部分）。因此，考慮選用DSP的一個(gè)關(guān)鍵因素是，是否存在足夠的能夠較好地適應(yīng)DSP處理器指令集的程序員。
8.開發(fā)工具的要求
因?yàn)镈SP應(yīng)用要求高度優(yōu)化的代碼，大多數(shù)DSP廠商都提供一些開發(fā)工具，以幫助程序員完成其優(yōu)化工作。例如，大多數(shù)廠商都提供處理器的仿真工具，以準(zhǔn)確地仿真每個(gè)指令周期內(nèi)處理器的活動(dòng)。無論對(duì)于確保實(shí)時(shí)操作還是代碼的優(yōu)化，這些都是很有用的工具。 GPP廠商通常并不提供這樣的工具，主要是因?yàn)镚PP程序員通常并不需要詳細(xì)到這一層的信息。GPP缺乏精確到指令周期的仿真工具，是DSP應(yīng)用開發(fā)者所面臨的的大問題：由于幾乎不可能預(yù)測(cè)高性能GPP對(duì)于給定任務(wù)所需要的周期數(shù)，從而無法說明如何去改善代碼的性能。
