从历史切入，了解微控制器的五个要素

要说起微控制器的历史，就不得不提起距今51年前的1971年，那时，美国英特尔公司开发了第一款名为i4004d的4位微控制器。它由一家日本BUSICOM公司订购，并用于其计算器设计。后来因为合同变更，它成功地作为通用微控制器正式出售。随后英特尔又开发了“i8008”、“i8080A”和“i8085”等8位微控制器，继这之后，英特尔公司又开发了16位微控制器“8086”，自此微控制器开启了多样化发展之路。

作为半导体行业领导厂商，东芝也是最早涉足微控制器产品的厂商之一。由于美国当时考虑将电子控制单元作为废气法规的应对方案，因此，1973年，东芝开发了12位微控制器TLCS-12，作为福特的车载发动机控制器。此后，东芝相继开发了从4位到32位或更高版本的高级微控制器，并一直致力于先进微控制器产品的开发。

微控制器自诞生后逐渐得到越来越广泛的应用，特别是随着半导体技术的不断发展，大规模集成电路（LSI，一般是指由1000个及以上元件所组成的IC）的出现让微控制器可以实现计算机的功能。如今，微控制器作为部分电子系统的核心控制单元，掌控着整个系统的运转。类似于人类的大脑，通过眼睛和耳朵输入信息，通过思维进行计算和记忆，并用自己的身体部位说出、写出结果，最终大脑和神经控制着整个身体统一运动。在微控制器中，也会存储开关、键盘、传感器等器件输入的信息，进行计算，并将结果作为数据输出。因此，微控制器还必须满足输入、计算、存储、输出和控制这五个基本要素。

微控制器发展至今，随着市场需求的不断变化，每年都会带来新的设计和支持方面的创新，但回归本身还是离不开上述的五个基本要素。

1、CPU（计算、控制）

微控制器五要素中的第一个，也是最关键的一个是负责计算和控制的CPU。它被称为“微控制器的中心”或“微控制器的大脑”。一般来讲，CPU是由C（Central／中央）、P（Processing／处理）和U（Unit／单元）三个字母组合而成。由于需要处理中心数据，因此，CPU又被称为中央处理器，可以说它是一个处理器最核心的部分。

2、存储器

微控制器的关键作用之一就是对数据进行处理，只要有数据的地方就要有存储数据的单元。因此，微控制器五要素中的第二个，就是负责存储的存储器。存储器最直接的操作有两个：即记忆和读取存储的数据和指令。通常，“记忆”或“读取”操作都是由CPU的信号来选择的。在微控制器的技术术语中，我们把“记忆”的操作称为“写入”，因为这个过程中CPU要向存储器发出“写入”的指令。而“读取”操作之所以被称为“读取”，是因为它的动作是从存储器中读取数据。

在微控制器的存储单元中通常分为代码区和数据区，代码区是放置程序的地方，用于存放微控制器自身需要执行的程序，数据区是放置数据的地方，存放各种需要处理和处理后的数据。微控制器中存储器有两种类型：可以读取和写入数据的RAM（随机存取存储器），和只能读取数据的ROM（只读存储器）。根据用途的不同，RAM和ROM有多种类型。通常，RAM在关闭电源会丢失存储的数据，但ROM不会在关闭电源后丢失数据。

3/4、输入和输出端口

五个要素中的第三和第四分别是输入和输出（I/O）。I/O是外部设备与微控制器之间进行数据和信号交换的通道。在微控制器设计中需要有专用于外部设备的外围电路，它们执行数据的输入、输出和通信。输入和输出对应的基本操作包括CPU的读和写，输入／输出称为端口，其地址称为端口地址。根据与外部设备的数据和信号交换功能不同，需要分为输入端口和输出端口。

5、总线

CPU、存储器和I/O功能构成了一个微控制器的基本内部功能单元，但只有通过布线将CPU、存储器和I/O连接起来，使信号可以在各个单元流通，才能实现微控制器的控制，因此，微控制器的第五个要素就是总线。下图是一个微控制器信号流的示例。微控制器的各项功能都由多条信号线连接，这些信号线被称为总线。

在微控制器内部的总线类型有三种：数据总线、地址总线和控制总线。每条总线上的通信都是在另一条总线的配合下进行的。

数据总线是用于CPU与存储器、I/O之间交换数据的信号线，并处理存储在指定位置的数据。交换的数据包括用于计算的数值、计算结果、外部设备的输入信号和输出到外部设备的信号。

地址总线是用于指定存储器和I/O位置的信号线。在CPU交换数据时，需要指定数据的发送目的地或数据的存储目的地。因此，地址总线便用来指定此位置。

控制总线是用于指定读取或写入地址总线位置的信号线。当控制总线发出写入指令时，地址总线上指定的存储器和I/O接收数据总线上发送的数据。当控制总线发出“读取”指令时，数据被输出到数据总线。

如今，微控制器的应用几乎无处不在，经过几十年的发展，它不仅功能强大，且类型也非常多样化。通过今天的介绍，你是不是对微控制器又有了更透彻的理解？

来源：东芝半导体
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审核编辑 黄宇