微控制器（Micro Controller Unit, MCU）基础整理

什么是微控制器（MCU）

微控制器是一种采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的微处理器MPU、随机存储RAM、只读存储ROM、多种I/O接口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一片硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

早期MCU也叫单片机。

目前微控制器几乎已被ARM占据。

按指令系统分类

复杂指令系统计算机（CISC）

• 特点：

  • 指令数目多，功能复杂
  • 指令长度不固定

• 代表架构：8086、x86、x64

精简指令系统计算机（RISC）

• 特点：
  • 指令数目少，结构简单
  • 指令长度固定
• 代表架构：ARM

计算机体系结构

冯·诺依曼结构

• 由 运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备 组成
• 程序和数据 共用一个存储器
• 指令与数据访问 不能同时进行

哈佛体系结构

• 程序指令 与 数据 分开存储
• 指令和数据访问可以 并行进行
• 多用于现代 MCU 架构，提高执行效率

I/O接口技术

常用的CPU管理外围设备的输入输出控制方式：

• 查询方式（Polling）

  • 软件主动设置参数并轮询外设状态

• 中断方式（Interrupt）

  • 外设完成任务后主动通知 CPU

• DMA 方式（Direct Memory Access）

  • 外设与存储器直接传输，CPU 可并行工作，完成后中断通知

存储器

CPU向存储器读写数据时通常以字为单位，对于32位机，一个字等于32bit。

分类：

• RAM（随机存储器）：
  • SRAM： 断电数据丢失，速度快、成本高；可用于堆栈、全局变量、Cache
  • DRAM： 速度慢，需要刷新，但容量大、成本低；可用于堆栈、全局变量
• ROM（只读存储器）：
  • Flash： 主要用于存储程序代码和常用数据

Cache缓存技术

原理：程序访问的局部性

CPU 在一段时间内会频繁访问主存中某些区域 → 将这些数据预先放在 Cache 中，可显著提高速度。

工作机制

• CPU ↔ Cache：按"字"交换数据
• Cache ↔ 主存：按"块"交换数据
• 访问流程：
  • CPU 访问地址 → 同时查 Cache 和主存
  • 命中（Hit）：直接从 Cache 读取
  • 未命中（Miss）：从主存读取并写入 Cache，可能触发替换策略

嵌入式系统

嵌入式系统时一种嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。

常见体系架构：

• ARM（主流）
• MIPS
• PowerPC
• x86（少数工业控制）
• 68K（早期）