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走进MCU
- MCU即微控制单元，是英文Micro Controller Unit的缩写，又称单片机（Single Chip Microcomputer），是将CPU、存储、外围功能都整合在单一芯片上具有控制功能的芯片级计算机
- 特点：作为高度集成的微型计算机控制系统，单片机具有系统结构简单、可靠性高、处理功能强、低电压和低功耗、环境适应能力强等特点，已广泛应用于汽车电子、工业控制、仪器仪表、家电等领域
MCU经典架构
中央处理器（CPU）
- CPU是单片机的大脑
- 一般由算术逻辑单元(ALU)和控制单元(CU)组成
- CPU读取、解码和执行指令以执行算术、逻辑和数据传输操作。
存储单元
- 任何计算系统都需要两种类型的存储器：程序存储器 和数据存储器
- 程序存储器，顾名思义包含程序，即要由CPU执行的指令，特点是断电数据不丢失另一方面，数据存储器需要在执行指令时存储临时数据，特点是存取速度快，但断电数据会丢失
- 通常，程序存储器是闪存（FLASH）或只读存储器（ROM），数据存储器是随机存取存储器（RAM）
通用输入/输出端口（GPIO）
- 单片机与外部世界的接口由输入/输出端口（I/O端口）提供
- 开关、键盘等输入设备以二进制数据的形式从用户向CPU提供信息。CPU在接收到来自输入设备的数据后，执行适当的指令并通过LED、显示器、打印机等输出设备做出响应
定时器/计数器
- 单片机的重要组件之一是定时器和计数器。提供时间延迟和计数外部事件的操作
- 此外，定时器和计数器可以提供函数生成、脉宽调制、时钟控制等
串口等外设接口
- 单片机与外部交互数据的接口，主要有串口、SPI口、I2C、CAN、USB、并型数据接口等形式，其中以串口最为常见
- 每种接口形式的特点不同，通信的复杂程度、数据传输的速度和效率都有所不同
总线
- 单片机的另一个重要组件------系统总线，是一组连接线，将CPU与其他外围设备（如内存、I/O 端口和其他支持组件）连接起来，完成数据的交互
MCU的工作原理
指令
- MCU的工作原理是逐条执行预存指令的过程，不同类型的单片机有不同的指令系统
- 为了让一个单片功能自动完成某项具体任务，必须将所要解决的问题编成一系列的指令，并且这些指令必须是由一个单独的函数来识别和执行的，一系列指令的集合就变成了程序
- 程序需要预先储存在存储器中，在执行过程中，被CPU从存储器中读取、译码并执行
程序计数器PC
- 由于程序是按顺序执行的，因此程序中的指令也是一条条地存储，MCU在执行程序时要将这些指令逐个提取并执行，CPU有赖于程序计数器PC来指向程序中每一条指令的存储单元，并一一执行该项指令，PC中的内容自动增加，增加量由这个指令长度决定，每一条都指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行
外设寄存器
- 单片机的CPU可以通过指令访问存储器的所有空间，这种访问，根据存储器类型的不同可以只读或者读写
- 大部分单片机将外设映射的寄存器的也看作是特殊的存储器，与存储区一样分配了相应的地址空间，使用和访问存储器相同的指令，来访问外设寄存器
- 例如单片机的某组GPIO接口输出映射的寄存器是GPIOC_ODR，地址是0x40020814，如果GPIOC的13端口PC13负责控制LED2(D2)的亮、灭，如果PC13输出高电平，D2熄灭，输出低电平，D2点亮。那么使用汇编指令STR 0x00000000 [0x40020814]，意思是向地址 0x40020814 ，写入0，这样PC13会输出0（低电平），从而点亮D2，相应的如果使用指令STR 0x00010000 [0x40020814]，则会向地址0x4002 0814写入0x00010000。为"1"的那一位，对应的是PC13的输出，所以，PC13会输出1（高电平），从而熄灭D2
内核架构
- 内核架构是影响MCU性能的一个关键要素，优秀的运算单元需要更先进的内核架构
- 几十年前，各大MCU厂商均采用各自的内核，如英特尔采用8051（后被授权给多家半导体公司使用），瑞萨采用RX内核，飞思卡尔（被恩智浦收购）采用PowerPC，MicroChip采用PIC，Atmel（与MicroChip合并）采用AVR，后来。随着ARM公司推出Cortex-M架构并开展了独特的开创IP授权的模式，以其软件代码的共享和高兼容性、高密度指令集等特点，现已逐步占据主导地位
MCU的不同分类模式
两种经典的CPU架构
- 冯•诺依曼结构
- 哈佛结构
两种结构的特点
- 冯•诺依曼结构：
- 程序存储器和数据存储器为同一个存储器
- 指令和数据宽度相同
- 是通用微型计算机的常用的存储结构
- 哈佛结构：
- 程序存储器和数据存储器分开
- 指令和数据宽度不同
- 执行效率较高
属于冯•诺伊曼结构的MCU
- Intel公司的8086及其系列处理器
- ARM公司的ARM7
- MIPS公司的MIPS处理器等
属于哈佛结构的MCU
- Microchip公司的PIC系列芯片
- 摩托罗拉公司的MC68系列
- Atmel公司的AVR系列
- ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11，Cortex M系列
- 8051
两种经典的指令集
- 精简指令集
- 复杂指令集
- 复杂指令集（CISC）：包含处理复杂操作的特定指令，指令长度不固定，执行需要多个周期
- 精简指令集（RISC）：指令简单而有效，格式和长度通常是固定的，大多数指令在一个周期内可以执行完毕
- 属于精简指令集的MCU：
- ARM
- RISC-V
- 数据复杂指令集的MCU：
- 8086