Microcontroller (MCU) es un tipo de chip de circuito integrado, que integra la unidad de procesamiento central (CPU), la memoria (RAM, ROM), varias interfaces de entrada/salida (E/S) y otros módulos funcionales en un pequeño chip de silicio. Caracterizados por un pequeño tamaño, bajo consumo de energía, bajo costo y funciones potentes, los microcontroladores se usan ampliamente en una variedad de dispositivos y sistemas electrónicos, como electrodomésticos, control industrial, equipos de comunicación, electrónica automotriz, etc.
El proceso de trabajo del microcontrolador se puede dividir en los siguientes pasos:
1. Restablecimiento de encendido:Cuando el microcontrolador está conectado a la fuente de alimentación, llevará a cabo automáticamente un reinicio de encendido para borrar los registros internos y prepararse para el funcionamiento normal.
2. Instrucción para obtener:Después de completar el reinicio, el MCU saca una instrucción de la memoria del programa y la almacena en el registro de instrucciones.
3. Decodificación de instrucciones:El decodificador de instrucciones del microcontrolador decodifica la instrucción en el registro de instrucciones para determinar la operación que se realizará.
4. Ejecución de instrucciones:Según los resultados de decodificación, el microcontrolador realiza las operaciones correspondientes, como la operación de datos, el juicio lógico, la salida de control, etc.
5. Procesamiento de interrupción:Durante la ejecución de la instrucción, si encuentra una solicitud de interrupción, la MCU detendrá la ejecución de la instrucción actual y se dirigirá al programa de servicio de interrupción.
6. Ejecución cíclica:La MCU repite el proceso anterior de acuerdo con el orden de las instrucciones en la memoria del programa para realizar diversas funciones.
La siguiente es una descripción detallada de los diversos componentes del microcontrolador y su principio de trabajo.
1. CPU:La unidad central de procesamiento (CPU) del microcontrolador es el núcleo de todo el sistema, que es responsable de ejecutar las instrucciones en el programa. La CPU consiste principalmente en la unidad lógica aritmética (ALU), la unidad de control (CU) y el grupo de registro. El ALU es responsable de llevar a cabo todo tipo de juicios aritméticos y lógicos de datos; El CU es responsable de decodificar y controlar las instrucciones; y el grupo de registro se utiliza para almacenar los datos y los resultados intermedios.
2. Memoria:La memoria del microcontrolador incluye principalmente la memoria del programa (ROM) y la memoria de datos (RAM). La memoria del programa se utiliza para almacenar el código de programa escrito; La memoria de datos se utiliza para almacenar los datos y las variables durante la operación.
3. Interfaz de E/S:La interfaz de E/S del microcontrolador se utiliza para intercambiar datos con dispositivos externos, y la interfaz de E/S incluye la interfaz de entrada (entrada), la interfaz de salida (salida) e interfaz bidireccional (bidireccional). La interfaz de entrada se utiliza para recibir datos enviados por dispositivos externos; La interfaz de salida se utiliza para enviar datos a dispositivos externos; La interfaz bidireccional puede recibir datos enviados por dispositivos externos y enviar datos a dispositivos externos.
4. Temporizador/contador:El temporizador/contador de un microcontrolador se utiliza para generar señales de tiempo o contar eventos externos. El temporizador/contador puede generar señales de pulso con frecuencia fija o contar según la frecuencia de la señal de entrada.
5. Interfaz de comunicación en serie:La interfaz de comunicación en serie del microcontrolador se utiliza para la comunicación en serie con otros dispositivos. La interfaz de comunicación en serie incluye transmisor en serie (transmisor en serie) y receptor serial (receptor en serie), que puede realizar datos de datos completos o medio dúplex.
6. Convertidor analógico a digital (ADC) y convertidor digital a analógico (DAC):El ADC del microcontrolador se utiliza para convertir señales analógicas en señales digitales para su procesamiento; El DAC se utiliza para convertir las señales digitales en señales analógicas para la salida a dispositivos externos.
7. Sistema de interrupción:El sistema de interrupción del microcontrolador se utiliza para lidiar con eventos inesperados y mejorar la velocidad de respuesta en tiempo real y de respuesta del sistema. El sistema de interrupción incluye fuente de interrupción, controlador de interrupción y programa de servicio de interrupción. La fuente de interrupción es el dispositivo o evento que genera la solicitud de interrupción; El controlador de interrupción es responsable de administrar y priorizar la solicitud de interrupción; Y el programa de servicio de interrupción es el programa que maneja el evento de interrupción.
8. Circuito de reloj:El circuito de reloj de un microcontrolador se utiliza para proporcionar una señal de reloj estable para sincronizar el trabajo de cada módulo. El circuito del reloj generalmente consiste en un oscilador interno y un divisor de reloj. El oscilador interno genera una señal de reloj de alta frecuencia; El divisor del reloj divide la señal del reloj de alta frecuencia en señales de reloj de baja frecuencia adecuadas para el trabajo de cada módulo.
9. Circuito de fuente de alimentación:El circuito de fuente de alimentación del microcontrolador se utiliza para proporcionar un voltaje de fuente de alimentación estable para todo el sistema. El circuito de la fuente de alimentación generalmente incluye un regulador de voltaje y un filtro. El regulador de voltaje estabiliza el voltaje de suministro de entrada a un voltaje adecuado para la operación del microcontrolador; El filtro se utiliza para eliminar el ruido y las fluctuaciones en el voltaje de suministro.
10. Circuitos periféricos:Los circuitos periféricos de un microcontrolador incluyen varios sensores, actuadores y otros circuitos auxiliares. Los sensores se utilizan para detectar cambios en el entorno externo; Los actuadores se utilizan para impulsar dispositivos externos de acuerdo con las señales de control; y los circuitos auxiliares se utilizan para realizar funciones específicas, como amplificadores y filtros.
En resumen, el microcontrolador es un microcomputador altamente integrado, que realiza el control y la gestión de varios dispositivos a través de varios módulos de funciones internas y circuitos periféricos externos. El proceso de trabajo de un microcontrolador se puede dividir en pasos, como reinicio de encendido, obtención de instrucciones, decodificación de instrucciones, ejecución de instrucciones, manejo de interrupciones y ejecución de bucle. Comprender la composición y el principio de funcionamiento del microcontrolador nos ayuda a diseñar y desarrollar mejor dispositivos y sistemas electrónicos.