微控制器(MCU)介绍及基本结构和指令
◆MCU 架构介绍
Microcontroller(微控制器) 又可简称MCU 或μC,也有人称为单芯片微控制器(Single Chip
Microcontroller), 将ROM 、RAM 、CPU 、I/O集合在同一个芯片中, 为不同的应用场合做不同组合控制. 微控制器在经过这几年不断地研究, 发展, 历经4位,8位, 到现在的16位及32位, 甚至64位. 产品的成熟度, 以及投入厂商之多, 应用范围之广, 真可谓之空前. 目前在国外大厂因开发较早, 产品线广, 所以技术领先, 而本土厂商则以多功能为产品导向取胜. 但不可讳言的, 本土厂商的价格战是对外商造成威胁的关键因素.
由于制程的改进，8位MCU 与4位MCU 价差相去无几，8位已渐成为市场主流；针对4位MCU ，大部份供货商采接单生产，目前4位MCU 大部份应用在计算器、车表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD Player、LCD 驱动控制器、LCD Game、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等；8位MCU 大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器（Caller ID）、电话录音机、CRT Display、键盘及USB 等；16位MCU 大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等；32位MCU 大部份应用在Modem 、GPS 、PDA 、HPC 、STB 、Hub 、Bridge 、Router 、工作站、ISDN 电话、激光打印机与彩色传真机；64位MCU 大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器（如SEGA 的Dreamcast 及Nintendo 的GameBoy ）及高级终端机等。
而在MCU 开发方面, 以架构而言, 可分为两大主流;RISC(如HOLTEK HT48XXX系列) 与CISC(如华邦W78系列). RISC (Reduced Instruction Set Computer) 代表MCU 的所有指令都是利用一些简单的指令组成的，简单的指令代表 MCU 的线路可以尽量做到最佳化，而提高执行速率，相对的使得一个指令所需的时间减到最短。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 结构来设计。不管是 RISC 或是 CISC(Complex Instruction Set Computer)，设计MCU 的目的便是为人类服务的，对于 RISC 来说，因为指令集的精简，所以许多工作都必须组合简单的指令，而针对较复杂组合的工作便需要由『编译程序』(compiler) 来执行，而 CISC MCU因为硬件所提供的指令集较多，所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替，compiler 的工作因而减少许多。
以一个数值运算程序来说，使用 CISC 指令集的MCU 运算对于一个积分表达式可能只需要十个机器指令，而 RISC MCU在执行相同的程序时，却因为CPU 本身不提供浮点数乘法的指令，所以可能需要执行上百个机器指令 (但每一个指令可能只需要 CISC 指令十分之一的时间) ，而由程序语言转换成机器指令的动作是由程序语言的 Compiler 来执行，所以在 RISC MCU的Compiler 便会较复杂 。因为同样一个高级语言 A=B*C 的运算，在 RISC MCU转换为机器指令可能有许多种组合，而每一种组合的『时间/空间』组合都不尽相同。
所以 RISC 与 CISC 的取舍之间，似乎也是MCU 硬件架构与软件(Compiler) 的平衡之争，应该没有绝对优势的一方，只能说因应不同的需求而有不同的产品，例如工作单纯的打印机核心 MCU ，便适合使用效能稳定，但单位指令效率较佳的 RISC MCU.
微控制器(MCU)的基本架构
微控制器产品架构由早期以累积器为基础的CPU ，演进至现今含精简指令(RISC)或同时含RISC 、DSP 如Motorola 的68356, 也有如DEC 的SAIIC 、与Hitachi 的SH-DSP 系列等之32位嵌入式微控制器 ，每一系列产品又因应不同的应用与接口需求 ，衍生出不同规格的产品 。微控制器产品以特性做为区分的标准与市场统计的依据 ，区分为4位 、8位 、以及16/32位等三大类 。各厂商依其不同功能组合 ，发展出系列性的微控制器产品 ，如NEC 供应PD75X 的4位系列 ，Toshiba 供应47CXX 的4位系列 、HOLTEK 供应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构做介绍, 如下先介绍MCU 架构方块图。
MCU 架构方块图
程序内存
程序内存(Program ROM)在微控制器中是只读而不可写入之记忆单元，此内存主要用来放置使用者所开发之程序，而其性质乃属于不常更动或永不变动之资料，微控制器之动作便是依据储存于此区之程序指令运作。在8位单芯片中常见的程序内存容量有0.5K 、IK 、2K 、4K 及8K ，而通常应用在微控制器的程序内存有下列几种方式，见(表一) ：
表一
另外关于程序保密部分，不论是加密或保险丝烧断保护 ，都是为了防止程序被未授权之使用者窥看、窃取(如反组译程序 、修改内容 、盗取程序等) 。程序保密这个功能选择只在提供OTP 、开窗型包装、EEPROM 及 Flash ROM上使用，因为这些IC 可借由烧录器来回读取程序代码，在Mask 版本则不需要进行程序保密的步骤 。
随机存取内存
随机存取内存(Random Access Memory;RAM)，亦称为读/写内存(Read-Write Memory),常是被用来暂时存放资料、或是程序执行存放资料的地方，用途相当广泛。以HOLTEK 8位微控制器为例, 其容量有64、96、160及224个Byte 选择。
累积器
累积器(Accumulator)，是MCU 的运作中枢 ，80%的指令都与累积器有关 ; 资料可以被存放在累积器中，直到总线或其它单元准备接受它、或直到程序需要它为止 。
缓存器
缓存器(Register)是MCU 内部用来暂时存放资料的地方，每个缓存器的功能各不相同，但却有一共同的特性，就是可以直接读/写，因其位于MCU 的内部，故减少了一些不必要的等待及寻址时间, 另外有些MCU 的I/O Port,也以缓存器型态来直接存取控制。
堆栈及堆栈指针
堆栈(Stack)及堆栈指针(Stack Pointer)，堆栈就和盘子一样，一个一个由下往上堆，而取出时则由上一个一个往下拿，不能由中间抽出，因此又称为后进先出队列(Last-In-First-Out Queues)」。功能如下;
一. 暂时存放PC(Program Count)的值，适用于" 子程序呼叫”，或中断发生时将PC 的值暂时储存起来;
二. 可视为缓存器使用，以Push,Pop 来完成;
三. 有些MCU 其Stack Level数是固定的(如HOLTEK μC系列) ，有些则可自定。
运算逻辑单元
运算逻辑单元(Algorithm Logic Unit;ALU)，其功能在于执行算术指令及逻辑判断，除了产生结果之外，也产生相关的Flag(Zero、Carry 、Borrow 、Status) ，每一个MCU 都不完全一样，尤其是Carry Flag一定要查看指令解说表。
输入/输出(I/O Port)
在单芯片微电脑应用系统中，I/O的扩充不是目的，而是为了提供外部设备一个输入/输出的信道，做为外界与MCU 间的沟通管道。例如接键盘、显示器、驱动开关控制或测量等; 在I/O扩充时必
须考虑与之相连接的外围设备硬件电路特性，如:电位匹配、干扰抑制、驱动能力(如Source,Sink 能力) 等。
微控制器在I/O埠方面备有多种电路形式，其中有多端口可以经由软件以位单位来设定输出/入方向。各埠附加大电流、高耐压的缓冲器，以直接驱动LED 与高功率晶体管，以及做模拟讯号的输入之用。
定时器、定时器
定时器(Time Counter)、定时器(Timer)，由外加振荡晶体，经除频电路来提供MCU 数种不同的时基(Time Base)。常应用于:
一. 时钟之时基(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。
计数器
计数器(Event Counter)专用于累计外部的事件个数，可能为Pulse 或其它资料，也可用以产生正确的时间延迟。常应用于:
一、另一种Time Base，外加固定频率;
二、计数器;
三、可规划成另一种立即中断输入;
四、计速器(Speed Meter)、转速表(Tachometer)。
中断
中断(Interrupt)用来处理立即事件、或列为优先处理之事件，负责时间计数器超时中断、及外部事件产生中断请求等工作。大部分微控制器的中断处理系统是多层的，内设有中断优先级电路，以决定先后顺序。常应用于:
一、MCU 呈被动Standby 状态(Halt-Stop)，由外加信号来Wakeup;
二、需要立即处理(传感器、开关、警报器、电源故障预警器);
三、需要一个固定间隔来处理(Display ,Key Scan ,Read-Time Clock);
微控制器上的外围资源
看了这么多微控制器的的基本架构后，让我们继续来了解微控制器还可以加挂那些外围资源，以扩充、延伸其功能。
串行输出(Serial I/O)
微控制器内含Serial I/O是为了提供对外部外围Device 的通讯管道，各家种类不同，常见的有以下几种:
◆UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter):Intel,Atmel;
◆USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver
Transmitter ):Siemens;
◆SPI(Serial Peripheral Interface):Motorola;
◆SCI(Sertal Communications Interface):这是UART 的加强版;
◆I2C bus(lnter Integrated Circuit bus):Philips;
◆Microwire/Plus:National Semiconductor;
液晶驱动装置(LCD Driver)
在显示接口上，LCD(Liquid Crystal Display)是常运用的显示装置，例如在一些多功能的电话、数字温度计、呼叫器、大哥大、掌上型游戏机以上皆可以发现它的踪迹。因此内含LCD 驱动线路的微控制器运用相当广泛，有两种驱动方式可供选用：Segment 和Dot Matrix，例如:之前流行的宠物蛋是使用Dot Matrix的LCD 显示器; 日系的微控制器厂商提供多样内含LCD 驱动装置的微控制器可供选用, 另外HOLTEK HT49XX 系列 也提供LCD 驱动装置的微控制器。
萤光管驱动装置(VFT Driver)
LCD 显示器在无光源或无背光的环境下，我们即无法读取显示器之内容，而VFT 显示器可提供高亮度、且色彩多变化的视觉效果，常应用于高级的家电产品上，如:碟影机、DSP 均衡器。要求炫丽输出效果的产品，在微控制器的选择上VFT(Vacuum Fluorescent Tube)Driver是重要的资源之一。
OSD
对于电视及监视器人性化接口是不可缺少的功能之一，OSD(On Screen Display)部分显示回路为接收水平同步信号(H-Sync)及垂直同步信号(V-Sync)，再将信号透过RGB 及Blanking 将屏幕信息送出，其显示颜色至多可达八种。各微控制器指令执行速率会造成OSD 的显示行数及字段的不同，显示行数由二行至数十行，字段则由15~26个字符或更多，通常执行速率较快者可显示较多的行数、字段，速率较慢者在显示上会有直接的受限。
模拟转换数字接口(ADC)
由于微控制器诸多应用上，需要侦测外部环境状况，做为处理数据上的参考，如在TV 应用方面其调谐器(Tuner)之自动频率控制(Auto Frequency Control)讯号，即为电压讯号，其它如温度之侦测也多是转换为电压讯号，所以模拟/数字转换(Analog to Digital Converter)的应用在工业及消费电子上都很广泛。
模拟之场合是如此频繁，所以各厂家提供模拟/数字之转换便成为一般之标准规格(如HOLTEK HT46XX 系列) ，虽然如此，对于模拟/数字之分辨率各家差异很大，由3位~10位皆有，视各不同需求而异。虽然提供的转换信道有很多，通常内部仅有一个电路处理，靠选择器切换，对于时间考虑不是特别强调之应用上，不致有太大之影响。
另外还有一种模拟/数字之转换方式, 就是R to F(Resistance to Freguency),一般运用在温度/湿度之侦测, 利用电阻/电容式Sensor 的变化特性, 转换成频率值, 以此频率值来计算温度/湿度的相对性, 此类的IC 如HOLTEK HT47XX系列。
数字转换模拟接口(DAC)
在控制模拟组件需要模拟讯号，以微控制器而言, 就必须内建数字/模拟转换(Digital to Analog Converter) 来因应. 其内部由数字/模拟转换缓存器及一阶梯电阻构成, 数字/模拟的分辨率各为8位. 在一个8位/参考电压为5V 的微控制器, 假设一个数字值60转换成模拟值的计算方式是(60/256x5Volts)=1.171875V
例如应用在锁相回路上，VCO(电压控制振荡器) 即可用DAC 做控制。另外Voice IC也是利用原先将语音录制成数字资料, 然后用DAC 方式将数字资料音频转换还原模拟语音讯号。
脉宽调变(PWM)
其目的也是以数字输出搭配外围回路，达到模拟的效果，其组成有前置配器(Pre-divider)、计数器(Counter)、数据闩锁(Data Latches)、及比较电路
(Compare Circuits)等。PWM(Pulse Width Modulation)分辨率由程控，当然在一般的I/O埠亦可用时间及Duty Cycle计算技巧来达成PWM 之功能，但反应速度会受到限制，且以今日各大半导体厂家皆提供其PWM 功能之微控制器就便利性而言 (如HOLTEK HT46XX系列) ，实在不需再将心思放在PWM 之撰写上, 以减轻软件的负担。而PWM 之功能由6位~14位之分辨率，适合各种不同的需求。
DTMF 产生器、接收器
电话由原来的Pulse 演进为现在的Tone 译码方式，不但提高了译码的速度，也增加了可靠性与抗噪声能力，DTMF(Dual Tone Multiple Frequency)顾名思义就是混合两种频率的音频讯号，所以译码不易出差错。应用在电话产品的微控制器时，DTMF 这个资源常是选择的重要规格。
看门狗(Watchdog Timer)
微控制器在产品中是不允许当机的，但受到噪声干扰或操作不当时，需有防范措施确保微控制器在当机的情况下能够自动重置，让微控制器能够继续运作. 我们可以说看门狗(Watchdog timer)是用来监看微控制器是否为不正常的当机，许多微控制器都已把它列为标准配备。
看门狗定时器实际上就像一个自跑式的RC 振荡器，它完全不必外加零件，意即不管是芯片的时脉振荡接脚的时脉振荡有没有停止，它还是继续计数而不随之中断而停止，即便是芯片进入省电的Halt 状态(在Halt 状态下，芯片之时脉停止振荡也一定不曾停止Watchdog timer之计时，当计时逾时后将使本芯片自动重置，I/O脚输出保持不变，耗电相当的省) ，Watchdog timer要不要致能，在OTP 版本必须在程序烧录时决定，以便决定要不要烧断其保险丝，在Mask 版本由使用者选择是否使用这个功能。
双时脉(Dual Clock)
微控制器的供应时脉愈高时 ，相对地耗电量也愈大 因此在一些使用电池供应的产品选用时 ，双时脉常是必须考虑的功能 ，一般副时脉是以32.768KHz 运作，主要做为计时(Real Time Clock)之用。
所以综合上面所言, 微控制器的指令集结构较单纯、容易发展及修改、I/O及中断处理能力强，主要发展工作集中在软件设计上，只要透过发展系统(ICE:In-Circuit Emulator)及万用板即可进行线上仿真工作，进行设计及修改的工作。由于微控制器具备单价低、系统硬件架构简单、应用程序的发展及修改容易、芯片稳定度佳、可靠度高，是故其应用领域极广，几乎是无所不在。故在不同的场合选择不同的配备，充份了解微控制器的内部资源将有助于产品开发且降低成本。相信在未来会陆续增加新的外围资源于微控制器内，应用的范围也愈来愈广，也因目前已经取代传统电路设计观念，进而成为新的设计主流。
作者：陈进成 毕业于海洋大学 电子工程学系
目前服务于盛群半导体 微控制器产品处