微控制器与微处理器：有什么区别？
微控制器单元 (MCU) 和微处理器单元 (MPU) 是两种集成电路，虽然在某些方面相似，但在许多其他方面却截然不同。这些单芯片处理器以独立的逻辑单元取代了过时的多组件中央处理器 (CPU)，在计算技术的持续发展中具有极其重要的价值。然而，微控制器和微处理器在组件结构、芯片架构、性能和应用方面存在很大差异。
这两种设备的主要区别在于，微控制器将微型计算机系统的所有必要元素整合到一个硬件中。微控制器不需要额外的外设或复杂的操作系统，而微处理器则需要。这两种电路都包含中央处理器，但微控制器还集成了存储器、输入/输出 (I/O) 元件和其他各种外设。
性价比高、体积小、低功耗的微控制器针对一体化功能进行了优化。因此，这些设备最适合用于汽车信息娱乐系统和物联网 (IoT) 设备等特定应用。
相反，通用微处理器的功能通常更为强大，其设计目的是在个人计算和图形处理等要求较高的应用中，通过专用硬件的支持来提高性能。
在硬件层面，微处理器基于"经典"的冯-诺依曼架构。这包括一个带有算术逻辑单元 (ALU) 和处理器寄存器（用于快速访问数据的少量快速存储器）的中央处理器、一个控制单元、数据和指令存储器、用于大容量存储的外部存储器以及输入/输出机制。这种方法使用同一组互连线（称为总线）来传输指令和执行操作。微处理器无法同时执行这些操作，但现代设备使用各种缓解技术来避免数据瓶颈。
另一方面，微控制器使用更复杂的哈佛架构，它有一组专用的数据总线和地址总线，用于向内存读写数据，另一组用于获取执行操作的指令。由于 CPU 可以同时读取指令和访问数据存储器，因此哈佛架构可以更快地执行基本操作。
哈佛架构擅长实时和高速计算任务。不过，简化的冯-诺依曼体系结构具有统一的数据和指令内存空间，从而提高了可靠性和可扩展性。因此，基于冯-诺依曼的微处理器更适用于要求更高的任务，如高性能计算 (HPC) 和游戏，而微控制器通常用于处理快速信号处理。
从本质上讲，微控制器是单芯片上的小型计算机，包含一个（或多个）处理器核心、运行存储器 (RAM) 和用于程序存储器的电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)。微控制器集成经过优化，可作为独立单元使用，改进了实时信号处理，使这些小巧的单元成为控制嵌入式系统中特定任务或职责的理想选择。
微控制器的主要组件
- 中央处理器 (CPU)：中央处理器俗称计算机的 "大脑"，负责执行指令和控制操作。
- 内存：微控制器包含易失性内存 (RAM) 和非易失性闪存 (ROM)，前者用于存储系统断电时可能丢失的临时数据，后者用于存储微控制器的编程代码。
- 外围设备：根据预期应用，微控制器可能包含各种外设组件，如 I/O 接口、定时器、计数器、模数转换器 (ADC) 和通信协议（UART、SPI、I2C）。
微控制器重量轻、体积小、功耗低，是智能手机、智能手表和其他可穿戴设备等电池供电电子设备的理想之选。它们也是业余爱好者的最爱。消费级可编程微控制器，如 Arduino 或 Raspberry Pi 制造的微控制器，可以很容易地用 C、C++ 和 Python 等编程语言进行配置，这些语言通常用于 Windows、Linux 和 MacOS 操作系统。微控制器甚至连初级开发人员都可以使用，而且还经常被应用于各种专业和工业用例，包括工业自动化、交通安全系统和原型开发。
微控制器类型和用例
1971 年，德州仪器公司工程师 Gary Boone 和 Michael Cochran 应一家日本计算器制造商的定制芯片要求，发明了第一款微控制器。作为电路技术领域的一项突破，Intel、NXP 和 Arm 等制造商在随后的几年里对其进行了无数次改进和迭代。
以下是一些较为常见的微控制器类型：
- 8 位微控制器： 最基本的微控制器类型，处理能力和内存有限，通常用于玩具和遥控器等小家电。
- 16 位微控制器：16 位微控制器的功能是 8 位微控制器的两倍，可用于更复杂的应用，包括医疗设备、汽车系统和工业控制系统。
- 32 位微控制器：功能最强大、特性最丰富的微控制器类型，用于要求苛刻的应用，如游戏机、娱乐设备和高端工业自动化。
- 精简指令集电脑 (RISC) 微控制器：RISC 微控制器采用了一种设计架构，与复杂指令集电脑 (CISC) 架构等其他方法相比，它能以更快的速度执行更少的计算指令，从而简化和改进操作。
- ARM 微控制器：这种类型的微控制器以前是高级 RISC 机器 (Advanced RISC Machines) 的首字母缩写词，采用 ARM 架构，包括现代 ARM Cortex 子集，可以增强性能和可靠性。ARM 微控制器广泛用于移动设备、汽车系统和工业控制系统。
- PIC 微控制器：由 Microchip Technology 开发，PIC 微控制器是世界上最小的微控制器，经常用于机器人、家庭和工业自动化以及可再生能源系统。
- 基于 FPGA 的微控制器：这些微控制器通常用于需要进行数字信号处理、视频处理和高速网络连接的应用中，使用称为现场可编程门阵列 (FPGA) 的可定制芯片，可在硬件层面进行配置和重新配置，以创建满足苛刻处理要求的独特硬件解决方案。
微处理器是电脑处理器的主要类型，它将 CPU 所需的所有组件集成到一个电路中。MPU 将老式 CPU 电脑系统的算术、逻辑和控制单元整合为一个多功能、时钟驱动和基于寄存器的硬件。这种集成设计减少了潜在的故障点，从而提高了可靠性。虽然微处理器不包含片上程序存储器，但它们针对要求苛刻的通用用途进行了优化，旨在支持专用电脑外设，并由专用电脑外设提供支持。
微处理器的主要组件
现代微处理器将数百万个小型晶体管、电阻器和二极管组装在半导体材料上，用以创建 CPU 的关键组件。
- 算术逻辑单元 (ALU)：CPU 的主要逻辑单元，该组件执行逻辑运算，包括数学计算和数据比较。
- 控制单元 (CU)：CU 电路解释指令并启动指令的执行，指导处理器的基本操作。
- 寄存器： CPU 用于在计算过程中临时保存数据和指令的小型快速存储器。
- 高速缓存内存：微处理器和 CPU 使用高速缓存内存（邻近 CPU 的高速存储器）来存储频繁访问的数据，以提高性能。
- 处理器内核：微处理器内的单个处理单元称为内核。现代处理器通常包含多个内核（双核、四核），从而通过同时执行多个任务来支持并行处理。
- I/O 模块：微处理器的 I/O 组件对于管理 CPU（包括任何其他电脑外设，如以太网端口或 WiFi 设备等网络外设）之间的数据流至关重要。
微处理器类型及用例
通用微处理器的应用范围非常广泛，而专用微处理器通常用于需要大功率处理的特定任务。微处理器的功率、性能、尺寸、能耗和许多其他方面各不相同，以下是一些主要类型的微处理器：
- 通用微处理器：这些通用微处理器广泛应用于笔记本电脑和服务器等常见应用和设备中。
- 数字信号处理器 (DSP)：DSP 专门用于高速数字计算，通常用于音频处理、电信和图像处理等要求较高的任务。它们也可能会出现在需要将模拟信号转换为数字信号的应用中，例如天气传感器。DSP 通常用于军事应用，例如无人侦察机和其他自主驾驶飞机。
- 专用集成电路 (ASIC)： ASIC 微处理器专为特定任务而设计，并经过定制，以满足各种应用的特定需求。ASIC 微处理器的一些示例包括用于游戏机或加密货币挖掘的定制芯片。DSP、GPU 和其他类型的专用微处理器在技术上也是 ASIC。
- 图形处理单元 (GPU)： GPU是专门为渲染数字视频和图形这种需要高性能和并行处理的苛刻任务而设计的。高性能的 GPU 微处理器对于高端游戏至关重要，也常用于加密货币挖掘，并且因其高功耗而闻名。
- 网络处理器：一种 ASIC 微处理器，专门进行了优化，用于处理电信交换机、路由器和网络安全设备中最常用的网络数据包。
- 协处理器：协处理器，如浮点单元 (FPU)，旨在为系统的主 CPU 提供辅助支持，以在执行高级科学计算或复杂数学公式等某些高要求任务时提高处理性能。
微控制器和微处理器能够执行一些相同的任务。不过，根据不同的应用要求，每种设备都有自己独特的优缺点。微控制器的集成功能，包括低功耗省电模式，使其成为大多数嵌入式系统的理想选择。
不过，在需要复杂计算或更高处理能力的情况下，微处理器是更好的选择，但性能和灵活性的提高是以更高的功耗和更高的价格为代价的。这些特性使微处理器成为个人电脑和工业超级电脑的首选。