微控制器單元（MCU）是單芯片計算機，專為執行嵌入式計算任務而優化，如控制咖啡機或醫療設備、工業機器人或電動汽車電池充電器。它們不需要像個人電腦和服務器那樣復雜的作系統（OS）。

中央處理單元（CPU）是執行MCU程序的關鍵元件。MCU中的其他組件包括隨機存取存儲器（RAM），用于設備通電時的臨時數據存儲;只讀存儲器（ROM），如Flash或EEPROM，即使在設備關閉時也能存儲程序和其他數據;此外還有各種輸入/輸出（I/O）和串口，用于協調程序執行和通信的定時器，以及與外部控制信號（中斷）的接口。

振蕩器（OSC）為數字電路執行定時器作。振蕩器越快，MCU的性能越高（見圖1）。

圖1。基本的MCU方框圖。（圖片來源：RS Components)

工作原理

MCU接收來自用戶界面或傳感器等來源的輸入信號。ROM中的編程指令用于解讀信號，并將其轉換為執行諸如充電或煮咖啡等功能所需的特定命令。

系統還可以包含傳感器反饋，使過程能夠根據溫度或電池充電狀態等特定因素進行調整。

總線控制器管理MCU內不同組件之間的數據流和通信，確保高效運行，將數據導向正確目的地并管理多個設備訪問共享總線。串口支持與其他MCU、計算機及外設如傳感器和顯示器的通信。

基本特征

選擇MCU時需要考慮若干基本特征，包括計算架構、數據總線寬度、指令集類型以及應用特定需求（見圖2）。

圖2。MCU分類示例（圖片：嵌入式硬件設計）)

MCU主要采用哈佛架構，指令和數據通過獨立總線，允許同時取用和執行，以提高速度和效率。馮·諾依曼架構擁有單一內存空間和程序指令和數據總線。它在通用設備中更為常見，如智能手機，將指令視為數據的靈活性非常有用。

MCU通常提供8位、16位和32位總線寬度。最佳總線寬度基于應用對處理速度、內存容量和成本目標的要求。更寬的64位總線適用于人工智能、工業自動化、機器人和汽車系統的高性能MCU。

有使用簡化指令集計算（RISC）和復雜指令集計算（CISC）的MCU。采用RISC架構的MCU通常功耗較低，散熱也更少。采用CISC架構的MCU代碼密度更高，內存效率更高，且更具多樣性。

應用特定的考慮因素包括汽車資格認證以及汽車專用通信接口如CAN、LIN和FlexRay。醫療級設備符合ISO 13485和FDA指南等標準。工業微控制器在惡劣環境下運行，且工作溫度范圍較長。支持藍牙、Wi-Fi及其他無線網絡協議的消費設備。

更多因素

某些應用可通過使用集成模擬元件的MCU，如模擬轉數字（ADC）和數字轉模擬（DAC）轉換器，支持與傳感器等模擬設備直接連接，從而受益。

安全性日益重要，MCU配備了集成的加密引擎和其他安全功能。

成熟開發生態系統的可用性會顯著影響上市時間和成本。需要考慮的因素包括：

• 軟件和驅動程序的可用性，如硬件抽象庫（HAL）、通信棧如TCP/IP和USB、脈寬調制驅動程序以及各種電機控制軟件選項。

• 一個包含編輯器、編譯器和調試器的綜合集成開發環境（IDE）可以加快開發進程，而基于云的IDE則可以支持分散的團隊和協作項目。

• 評估和開發板可以支持快速原型設計和測試新硬件配置。

總結

MCU是一個完整的計算機系統，包括CPU、內存和各種I/O端口。它們針對嵌入式計算和控制任務進行了優化，應用于消費設備、汽車系統、醫療電子、工業控制等應用。關鍵性能標準包括數據總線的寬度和內部振蕩器的速度。