微控制器與微處理器，有什么選擇？

2021-05-13

微控制器與微處理器，有什么選擇？

在數字設計期間，微控制器與微處理器的選擇可能是一個(gè)棘手的過(guò)程，工程師們仍在努力尋找功耗，計算能力，嵌入式功能和價(jià)格之間的正確折衷方案。設計人員在項目期間應該做出的第一個(gè)重大決定是，是否將微控制器與微處理器作為主要邏輯單元。為了幫助您完成此任務(wù)，在這里我們介紹并比較微控制器和微處理器之間的主要區別，并將幫助您選擇使用微處理器還是微處理器。開(kāi)始吧。

什么是微處理器

微處理器是任何現代計算機的核心：它們是負責處理程序中存儲的每個(gè)操作的單芯片處理單元。微處理器從外部存儲器讀取算法，并使用特定語(yǔ)言執行命令。該語(yǔ)言定義了微處理器的類(lèi)型，可以是RISC（精簡(jiǎn)指令集計算機）或CISC（復雜指令集計算機）。

微處理器的整個(gè)設計鏈著(zhù)重于提高其計算能力和效率，而很少或根本不需要內部外圍設備。這樣就可以創(chuàng )建非?？焖?，精確和高效的計算單元。但是，由于整個(gè)制造過(guò)程僅用于處理，因此微處理器需要使用外圍設備，例如存儲器，I / O引腳，串行通信，電源控制。圖1顯示了應用微處理器的數字板的功能圖，以及它如何與外部外圍設備交互。由于它沒(méi)有內部存儲器，因此無(wú)法直接對微處理器進(jìn)行編程，并且只能運行ROM存儲器提供的指令。 

圖1：典型的微處理器應用圖 

什么是微控制器 

微控制器是更完整的邏輯單元：它們在單個(gè)芯片中集成了微處理器和所有必需的外圍設備：存儲器，I / O引腳，計時(shí)器，串行接口，模數轉換器，電源管理等。單個(gè)任務(wù)中的應用：設計人員只需要選擇微控制器，而不需要選擇所有外設并設計它們之間的接口。與微處理器不同，微控制器是可編程的，也就是說(shuō)，它可以通過(guò)串行或并行通信來(lái)接收和存儲代碼。 

微控制器是嵌入式設備，通常針對其設計的特定任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。它們嵌入在汽車(chē)，智能手機，警報器和冰箱中。但是，通用微控制器也可以在市場(chǎng)上大量購買(mǎi)。這些微控制器是為原型設計的，通常在嵌入式開(kāi)發(fā)板中出售以進(jìn)行原型設計。開(kāi)發(fā)板的一個(gè)流行示例是Arduino Uno，它以8位ATMega微控制器為核心。 

  

圖2：具有內部外圍設備的基本微控制器 

架構比較 

微處理器和微控制器之間的根本區別在于體系結構。組成典型微處理器的主要模塊如圖3所示。算術(shù)邏輯單元（ALU）是組合數字電路，負責執行整數之間的簡(jiǎn)單操作（加法，減法，組合邏輯），是微處理器的基本模塊。除了ALU，基本的微處理器體系結構還需要寄存器。寄存器是能夠將數值存儲在CPU內部的數字電路，它們是累加輸出值和ALU狀態(tài)的必要條件，它們可以用作下一個(gè)操作的輸入。最后，控制單元負責微處理器與外圍設備之間的同步，通信和數據傳輸。  

圖3：微處理器的總體圖 

在內存訪(fǎng)問(wèn)方面，微處理器通?；隈T·諾依曼架構，將程序和數據都存儲在同一內存中。相反，微控制器具有內部存儲器模塊，這有助于實(shí)現哈佛體系結構，該體系結構將程序存儲器與數據存儲器分開(kāi)。這樣可以更快，更有條理地分配內存，從而降低程序的復雜性。 

應用比較

微控制器更適合需要優(yōu)化成本和減少組件數量的應用。由于所需的外部組件數量較少，因此可以輕松地在便攜式設備中實(shí)現它們。例如，微控制器廣泛用于智能手表，手機，相機和汽車(chē)。微控制器也是要求高確定性和可靠性的應用中的最佳選擇，因為整個(gè)數字系統在設計上都可以在工廠(chǎng)正常工作，而微處理器應用則需要由設計人員開(kāi)發(fā)整個(gè)數字系統，這可能會(huì )引入功能錯誤。顧名思義，微控制器更適用于控制過(guò)程，接收傳感器數據，對其進(jìn)行處理以及向外部執行器提供控制信號。 

 

由于需要外部組件，微處理器應用通常具有較高的成本和較高的功耗。因此，微處理器適用于計算性能至關(guān)重要的情況，例如個(gè)人計算機，高質(zhì)量視頻處理和高級數據處理。同樣，在需要外圍設備具有比微控制器所不能提供的功能更多的功能的應用中，微處理器是一個(gè)不錯的選擇，例如大內存和快速的通信速度?；旧?，在需要在短時(shí)間內處理大量數據的應用程序中需要微處理器，例如高速通信系統，個(gè)人和多功能計算機，視頻處理和計算機視覺(jué)。這種類(lèi)型的應用通常還需要多個(gè)微處理器， 

內存比較 

如前所述，沒(méi)有外部存儲模塊，微處理器就無(wú)法運行。這包括用于存儲編程算法的ROM存儲器和用于處理數據的RAM存儲器。盡管這會(huì )增加系統的最終價(jià)格和功耗，但使用外部存儲器仍可靈活使用較大的代碼大小和處理大量數據。 

另一方面，微控制器具有內部存儲器，為簡(jiǎn)單的任務(wù)提供了必要的存儲能力。這提供了優(yōu)化的功耗，并減少了成本和工程時(shí)間。但是，設計人員僅限于微控制器提供的功能：例如，微控制器的程序存儲器通常限于2 MB的空間。由于微控制器更專(zhuān)注于單個(gè)任務(wù)，因此在某些情況下，內存大小不足。需要存儲大量數據的應用程序可能與市場(chǎng)上可用的微控制器不兼容。 

功耗比較 

僅考慮芯片本身，微控制器通常更適合于低功耗應用。首先，現代微控制器比典型的微處理器提供更多的低功耗模式（空閑，睡眠，待機）。其次，微處理器需要外部硬件，可能無(wú)法針對低功耗操作進(jìn)行優(yōu)化。相反，微控制器的內部外圍設備被設計為在特定操作模式下使用最佳功率來(lái)協(xié)調工作。因此，對于功耗敏感的應用和電池供電的設備，微控制器通常是最佳選擇。

另一個(gè)基本區別是電源的設計。微控制器僅需為整個(gè)系統提供一個(gè)電源，因為如果需要，電壓調整是由集成電路本身在內部進(jìn)行的。另一方面，微處理器可能需要用于不同數字模塊的多個(gè)電壓軌，這可能會(huì )增加成本和復雜性。

尺寸比較 

基于微處理器的系統大于等效的基于微處理器的系統。使用外部硬件需要印刷電路板，其中包含執行所需任務(wù)所需的所有外圍組件，內部通信總線(xiàn)和電源轉換器。相反，微控制器是單芯片設備，可以輕松地嵌入到較大的電路中，而不會(huì )占用大量空間。 

價(jià)格對比 

微控制器通常比微處理器便宜。這是因為設計人員可以獲取完整的系統，而無(wú)需單獨購買(mǎi)每個(gè)外圍設備并設計互連電路。而且，微處理器的工作頻率比微控制器大得多，這使整個(gè)電路更加昂貴。但是，微處理器僅應在需要更快處理和功能強大的外圍設備的應用中實(shí)現，從而證明了成本的增加。 

結論微控制器與微處理器 

微處理器和微控制器是指定給類(lèi)似壁ni的設備，在某些情況下其應用范圍可能會(huì )重疊。但是，它們是為不同的目的而設計的：微控制器旨在控制系統，從外部傳感器接收信息并做出執行單個(gè)任務(wù)的決定，而微處理器則旨在非?？焖俚靥幚泶罅繑祿⒁愿蟮乃俣冗\行。一般時(shí)尚。在兩者之間進(jìn)行選擇之前，工程師應考慮預期的應用程序類(lèi)型，所需的處理能力以及設計約束，例如內存，功耗，成本和大小。