微控制器(MICroController)又可簡稱MCU或μC，也有人稱為單芯片微控制器(SingleChipMicrocontroller)，將ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一個芯片中,為不同的應用場合做不同組合控制。微控制器在經(jīng)過這幾年不斷地研究、發(fā)展，歷經(jīng)4位、8位，到現(xiàn)在的16位及32位，甚至64位。產(chǎn)品的成熟度，以及投入廠商之多、應用范圍之廣，真可謂之空前。目前在國外大廠因開發(fā)較早、產(chǎn)品線廣，所以技術領先，而本土廠商則以多功能為產(chǎn)品導向取勝。但不可諱言的，本土廠商的價格戰(zhàn)是對外商造成威脅的關鍵因素。

由于制程的改進，8位MCU與4位MCU價差相去無幾，8位已漸成為市場主流;針對4位MCU，大部份供貨商采接單生產(chǎn)，目前4位MCU大部份應用在計算器、車表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD Player、LCD驅動控制器、LCD Game、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(Caller ID)、電話錄音機、CRT Display、鍵盤及USB等;16位MCU大部份應用在行動電話、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;64位MCU大部份應用在高階工作站、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。

而在MCU開發(fā)方面,以架構而言,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單的指令組成的，簡單的指令代表 MCU 的線路可以盡量做到最佳化，而提高執(zhí)行速率，相對的使得一個指令所需的時間減到最短。HOLTEK的HT46XX(A/DMCU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 結構來設計。不管是 RISC 或是 CISC(Complex Instruction Set Computer)，設計MCU的目的便是為人類服務的，對于 RISC 來說，因為指令集的精簡，所以許多工作都必須組合簡單的指令，而針對較復雜組合的工作便需要由『編譯程序』(compiler) 來執(zhí)行，而 CISC MCU因為硬件所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個或是數(shù)個指令來代替，compiler 的工作因而減少許多。

圖 1：MCU 架構方塊示意圖。

程序內存

程序內存(Program ROM)在微控制器中是只讀而不可寫入之記憶單元，此內存主要用來放 置使用者所開發(fā)之程序，而其性質乃屬于不常更動或永不變動之資料，微控制器之動作便是 依據(jù)儲存于此區(qū)之程序指令運作。在 8 位單芯片中常見的程序內存容量有 0.5K、IK、2K、4K 及 8K，而通常應用在微控制器的程序內存有下列幾種方式，見(表一)：

表 1：在微控制器的程序內存通常有幾種方式。

另外關于程序保密部分，不論是加密或保險絲燒斷保護 ，都是為了防止程序被未授權之使 用者窺看、竊取(如反組譯程序 、修改內容 、盜取程序等)。程序保密這個功能選擇只在提供 OTP、開窗型包裝、EEPROM 及FLASH ROM上使用，因為這些 IC 可借由燒錄器來回讀取程序代碼，在 Mask 版本則不需要進行程序保密的步驟 。 隨機存取內存隨機存取內存(Random ACCess Memory;RAM)，亦稱為讀/寫內存(Read-Write Memory),常是被用來暫時存放資料、或是程序執(zhí)行存放資料的地方，用途相當廣泛。以 HOLTEK 8 位 微控制器為例,其容量有 64、96、160 及 224 個 Byte 選擇。

累積器

累積器(Accumulator)，是 MCU 的運作中樞 ，80%的指令都與累積器有關 ;資料可以被存 放在累積器中，直到總線或其它單元準備接受它、或直到程序需要它為止 。

緩存器

緩存器(Register)是 MCU 內部用來暫時存放資料的地方，每個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，因其位于 MCU 的內部，故減少了一些不必要的 等待及尋址時間,另外有些 MCU 的 I/O Port,也以緩存器型態(tài)來直接存取控制。

堆棧及堆棧指針

堆棧(Stack)及堆棧指針(Stack Pointer)，堆棧就和盤子一樣，一個一個由下往上堆，而取出 時則由上一個一個往下拿，不能由中間抽出，因此又稱為后進先出隊列(Last-In-First-Out Queues)」。功能如下;

一. 暫時存放 PC(Program Count)的值，適用于"子程序呼叫”，或中斷發(fā)生時將 PC 的值暫 時儲存起來;

二. 可視為緩存器使用，以 Push,Pop 來完成;

三. 有些 MCU 其 Stack Level 數(shù)是固定的(如 HOLTEK μC 系列)，有些則可自定。 運算邏輯單元

運算邏輯單元(Algorithm Logic Unit;ALU)，其功能在于執(zhí)行算術指令及邏輯判斷，除了產(chǎn)生 結果之外，也產(chǎn)生相關的 Flag(Zero、Carry、Borrow、Status)，每一個 MCU 都不完全一 樣，尤其是 Carry Flag 一定要查看指令解說表。

輸入/輸出(I/O Port)

在單芯片微電腦應用系統(tǒng)中，I/O 的擴充不是目的，而是為了提供外部設備一個輸入/輸出的 信道，做為外界與 MCU 間的溝通管道。例如接鍵盤、顯示器、驅動開關控制或測量等;在I/O 擴充時必須考慮與之相連接的外圍設備硬件電路特性，如:電位匹配、干擾抑制、驅動能 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)由軟件以位單位來設定輸出/入方向。各埠附加大電流、高耐壓的緩沖器，以直接驅動LED與高功率晶體管，以及做模 擬訊號的輸入之用。

定時器、定時器

定時器(Time Counter)、定時器(Timer)，由外加振蕩晶體，經(jīng)除頻電路來提供 MCU 數(shù)種不 同的時基(Time Base)。常應用于:

一. 時鐘之時基(如 1sec、500ms、62.5ms、15.625ms 等);

二.PWM(Pulse Width Modulation)之 Time Base;

三. Key SCAN;

四.LEDScan;

五.Frequencyoutput;

六. Pulse Reading;

七. APO (Auto Power OFF)等。 計數(shù)器

計數(shù)器(Event Counter)專用于累計外部的事件個數(shù)，可能為 Pulse 或其它資料，也可用以 產(chǎn)生正確的時間延遲。常應用于:

一、另一種 Time Base，外加固定頻率; 二、計數(shù)器; 三、可規(guī)劃成另一種立即中斷輸入;

四、計速器(Speed Meter)、轉速表(Tachometer)。 中斷中斷(Interrupt)用來處理立即事件、或列為優(yōu)先處理之事件，負責時間計數(shù)器超時中斷、及 外部事件產(chǎn)生中斷請求等工作。大部分微控制器的中斷處理系統(tǒng)是多層的，內設有中斷優(yōu)先 級電路，以決定先后順序。常應用于:

一、MCU 呈被動 Standby 狀態(tài)(Halt-Stop)，由外加信號來 Wakeup;

二、需要立即處理(傳感器、開關、警報器、電源故障預警器); 三、需要一個固定間隔來處理(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后，讓我們繼續(xù)來了解微控制器還可以加掛那些外圍資 源，以擴充、延伸其功能。

串行輸出(Serial I/O)

微控制器內含 Serial I/O 是為了提供對外部外圍 DevICe 的通訊管道，各家種類不同，常見 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 的加強版;

◆I2C bus(lnter Integrated Circuit bus):Philips;

◆Microwire/Plus:National SEMIconductor;

液晶驅動裝置(LCDDriver)

在顯示接口上，LCD(Liquid Crystal Display)是常運用的顯示裝置，例如在一些多功能的電 話、數(shù)字溫度計、呼叫器、大哥大、掌上型游戲機以上皆可以發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。因此內含 LCD 驅動線路的微控制器運用相當廣泛，有兩種驅動方式可供選用：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含 LCD 驅動裝置的微控制器可供選用,另外 HOLTEK HT49XX 系列 也提供 LCD 驅動裝置 的微控制器。

螢光管驅動裝置(VFT Driver)

LCD 顯示器在無光源或無背光的環(huán)境下，我們即無法讀取顯示器之內容，而 VFT 顯示器可提供高亮度、且色彩多變化的視覺效果，常應用于高級的家電產(chǎn)品上，如:碟影機、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(H-Sync)及垂直同步信號(V-Sync)，再將信號透過 RGB 及Blanking 將屏幕信息送出，其顯示顏色至多可達八種。各微控制器指令執(zhí)行速率會造成 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 1