微控制器的定义、构成及分类

CAN总线的关键技术包括两方面，硬件和软件。硬件包括：微控制器、CAN控制器和CAN收发器。软件包括节点控制程序和CAN总线网络应用层协议。

微控制器作为CAN总线重要的硬件组成，这篇文章中，我们详细讲解不同分类的微控制器。

1微控制器定义

MCU英文名为Microcontroller Unit，简写为MCU，中文称为微控制器单元或微控制器。由于微控制器是将算术逻辑单元(Arithmetic Loaic Unit.ALU)、存储器、定时器/计算器及各种/O电路等集成到一个芯片上，构成了一个基本完整的计算系统，故而又称为单片机(Single-ChipMicrocomputer)。

在微控制器存储器中的程序，与微控制器硬件和外围硬件电路紧密配合使用，区别于PC的软件，称微控制器的程序为固件(Firmware)。一般地，微处理器是指CPU在单个集成电路上，而微控制器是指CPU、ROM、RAM、VO、定时器等都在单个集成电路上。与CPU相比，微控制器没有那么强大的计算能力，也不具备内存管理单元(MemoryManaaement Unit，MMU)，这使得微控制器只能处理一些相对单一和简单的控制、逻辑等任务，其广泛应用于设备控制、传感器信号处理等领域，如一些家电产品、工业设备、电动工具等。

2微控制器的构成

微控制器由中央处理器、存储器、输入/输出几个部分组成：

·中央处理器：

中央处理器是MCU的核心部件，包括运算器和控制器两个主要部分。

运算器

运算器由运算部件——算术逻辑单元(Arithmetic & Logical Unit，简称ALU)、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。

运算器有两个功能：

(1) 执行各种算术运算。

(2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

控制器

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：

(1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。

(2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。

(3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。

·存储器

存储器可以分为数据存储器和程序存储器两大类。

数据存储器用于保存数据，程序储存器用于存储程序和参数。

·输入/输出-链接或驱动不同的设备

串行通信端口-MCU和不同外设之间进行数据交换，如UART、SPI、12C等。

3微控制器分类

从位数上分，可以将微控制器分为：4位、8位、16位、32位。在实际应用中，32位占比55%，8位占比43%，4位占比2%，16位占比1%

可以看出32位和8位微控制器是如今使用最广泛的微控制器。

位数的区别，不可以代表微处理器的好坏，并不是位数越高的微处理器就越好，也并不是位数越低的微处理器就越差。

8位MCU是多功能的;它们提供简单的编程、能源效率和小型封装尺寸(有些只有六个引脚)。但是这些微控制器通常不是用来实现网络和通信功能的。

最常见的网络协议和通信软件堆栈是16位或32位。通信外围设备可用于一些8位设备，但16位和32位MCU 往往是更有效的选择。尽管如此，8位MCU通常用于各种控制、传感和接口应用程序。

从架构上分，可以把微控制器分为：RISC(Reduced Instruction Set Computers，精简指令集计算机)和CISC(Complex Instruction Set Computers，复杂指令集计算机)这两类。

RISC是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于80年代的MIPS主机(即RISC机)，RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来，它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令，即MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢。

CISC包括一个丰富的微指令集，这些微指令简化了在处理器上运行的程序的创建。指令由汇编语言所组成，把一些原来由软件实现的常用的功能改用硬件的指令系统实现，编程者的工作因而减少许多，在每个指令期同时处理一些低阶的操作或运算，以提高计算机的执行速度，这种系统就被称为复杂指令系统。

4总结

当今汽车电子工程师面临的一大严峻挑战就是构建一个低成本、无故障，甚至在发生故障时也能工作的汽车系统，在汽车性能逐渐提升的当下，微控制器有望提升汽车电子控制单元的性能。

审核编辑：汤梓红