微控制器（MCU）架構介紹

微控制器(MicroController)又可簡稱MCU或μC，也有人稱為單芯片微控制器(Single Chip Microcontroller)，將ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一個芯片中,為不同的應用場合做不同組合控制。微控制器在經過這幾年不斷地研究、發展，歷經4位、8位，到現在的16位及32位，甚至64位。產品的成熟度，以及投入廠商之多、應用范圍之廣，真可謂之空前。目前在國外大廠因開發較早、產品線廣，所以技術領先，而本土廠商則以多功能為產品導向取勝。但不可諱言的，本土廠商的價格戰是對外商造成威脅的關鍵因素。

由于制程的改進，8位MCU與4位MCU價差相去無幾，8位已漸成為市場主流;針對4位MCU，大部份供貨商采接單生產，目前4位MCU大部份應用在計算器、車表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD Player、LCD驅動控制器、LCD Game、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機等;8位MCU大部份應用在電表、馬達控制器、電動玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來電辨識器(Caller ID)、電話錄音機、CRT Display、鍵盤及USB等;16位MCU大部份應用在行動電話、數字相機及攝錄放影機等;32位MCU大部份應用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、激光打印機與彩色傳真機;64位MCU大部份應用在高階工作站、多媒體互動系統、高級電視游樂器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高級終端機等。

而在MCU開發方面,以架構而言,可分為兩大主流;RISC(如HOLTEK HT48XXX系列)與CISC(如華邦W78系列). RISC (Reduced Instruction Set Computer) 代表MCU的所有指令都是利用一些簡單的指令組成的，簡單的指令代表 MCU 的線路可以盡量做到最佳化，而提高執行速率，相對的使得一個指令所需的時間減到最短。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 結構來設計。不管是 RISC 或是 CISC(Complex Instruction Set Computer)，設計MCU的目的便是為人類服務的，對于 RISC 來說，因為指令集的精簡，所以許多工作都必須組合簡單的指令，而針對較復雜組合的工作便需要由『編譯程序』(compiler) 來執行，而 CISC MCU因為硬件所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個或是數個指令來代替，compiler 的工作因而減少許多。

圖 1：MCU 架構方塊示意圖。

程序內存

程序內存(Program ROM)在微控制器中是只讀而不可寫入之記憶單元，此內存主要用來放 置使用者所開發之程序，而其性質乃屬于不常更動或永不變動之資料，微控制器之動作便是 依據儲存于此區之程序指令運作。在 8 位單芯片中常見的程序內存容量有 0.5K、IK、2K、4K 及 8K，而通常應用在微控制器的程序內存有下列幾種方式，見(表一)：

表 1：在微控制器的程序內存通常有幾種方式。

另外關于程序保密部分，不論是加密或保險絲燒斷保護 ，都是為了防止程序被未授權之使 用者窺看、竊取(如反組譯程序 、修改內容 、盜取程序等)。程序保密這個功能選擇只在提供 OTP、開窗型包裝、EEPROM 及 Flash ROM 上使用，因為這些 IC 可借由燒錄器來回讀取程序代碼，在 Mask 版本則不需要進行程序保密的步驟 。 隨機存取內存隨機存取內存(Random Access Memory;RAM)，亦稱為讀/寫內存(Read-Write Memory),常是被用來暫時存放資料、或是程序執行存放資料的地方，用途相當廣泛。以 HOLTEK 8 位 微控制器為例,其容量有 64、96、160 及 224 個 Byte 選擇。

累積器

累積器(Accumulator)，是 MCU 的運作中樞 ，80%的指令都與累積器有關 ;資料可以被存 放在累積器中，直到總線或其它單元準備接受它、或直到程序需要它為止 。

緩存器

緩存器(Register)是 MCU 內部用來暫時存放資料的地方，每個緩存器的功能各不相同，但 卻有一共同的特性，就是可以直接讀/寫，因其位于 MCU 的內部，故減少了一些不必要的 等待及尋址時間,另外有些 MCU 的 I/O Port,也以緩存器型態來直接存取控制。

堆棧及堆棧指針

堆棧(Stack)及堆棧指針(Stack Pointer)，堆棧就和盤子一樣，一個一個由下往上堆，而取出 時則由上一個一個往下拿，不能由中間抽出，因此又稱為后進先出隊列(Last-In-First-Out Queues)」。功能如下;

一. 暫時存放 PC(Program Count)的值，適用于子程序呼叫”，或中斷發生時將 PC 的值暫 時儲存起來;

二. 可視為緩存器使用，以 Push,Pop 來完成;

三. 有些 MCU 其 Stack Level 數是固定的(如 HOLTEK μC 系列)，有些則可自定。 運算邏輯單元

運算邏輯單元(Algorithm Logic Unit;ALU)，其功能在于執行算術指令及邏輯判斷，除了產生 結果之外，也產生相關的 Flag(Zero、Carry、Borrow、Status)，每一個 MCU 都不完全一 樣，尤其是 Carry Flag 一定要查看指令解說表。

輸入/輸出(I/O Port)

在單芯片微電腦應用系統中，I/O 的擴充不是目的，而是為了提供外部設備一個輸入/輸出的 信道，做為外界與 MCU 間的溝通管道。例如接鍵盤、顯示器、驅動開關控制或測量等;在I/O 擴充時必須考慮與之相連接的外圍設備硬件電路特性，如:電位匹配、干擾抑制、驅動能 力(如 Source,Sink 能力)等。

微控制器在 I/O 埠方面備有多種電路形式，其中有多端口可以經由軟件以位單位來設定輸出/入方向。各埠附加大電流、高耐壓的緩沖器，以直接驅動 LED 與高功率晶體管，以及做模 擬訊號的輸入之用。

定時器、定時器

定時器(Time Counter)、定時器(Timer)，由外加振蕩晶體，經除頻電路來提供 MCU 數種不 同的時基(Time Base)。常應用于:

一. 時鐘之時基(如 1sec、500ms、62.5ms、15.625ms 等);

二. PWM(Pulse Width Modulation)之 Time Base;