《微控制器概览》课件

微控制器概览目录微控制器的定义与历微控制器的基本架构主要类型和特点应用领域史什么是微控制器？微控制器是一种集成电路，包与微处理器相比，微控制器通含中央处理单元（）、存常具有更小的尺寸、更低的功CPU储器和输入输出（）接口耗、更低的成本，并且针对特/I/O，用于控制和管理电子设备定应用场景进行了优化主要特征包括嵌入式设计、低功耗、高集成度、可编程性、可靠性和灵活性微控制器的发展历史早期发展1第一代微控制器诞生于世纪年代初，主要用于控制简单设2070备，如洗衣机、烤箱等关键里程碑2位微控制器的出现标志着微控制器应用的飞跃发展，例如8Intel，成为广泛应用的经典产品8051技术演进3近年来，微控制器技术不断演进，从位发展到位，并融合了832各种先进技术，如低功耗、无线通信、人工智能等微控制器的基本架构中央处理单元（存储器输入输出接口定时器计数器CPU//）用于存储程序代码、数据和系用于与外部设备进行通信，接用于计时、计数、产生特定频负责执行指令、处理数据、控统配置信息收和发送数据率信号等制系统运行中央处理单元（）CPU功能主要组成部分负责执行指令、处理数据、控制运算器、控制器、寄存器、缓存系统运行等指令集架构定义了可以执行的指令类型和格式CPU存储器系统程序存储器（数据存储器（）一种非易失RAM EEPROM）用于存用于存储程序运行时的性存储器，用于存储系ROM/Flash储固件代码，通常为非数据，通常为易失性存统配置参数等信息易失性存储器储器输入输出接口/通用输入输出（）/GPIO用于控制各种输入输出设备，如、按钮、传感器等LED串行通信接口用于与其他设备进行数据传输，如、、等UART SPII2C并行通信接口用于快速传输大量数据，如并行总线等定时器计数器/应用场景定时任务、脉冲宽度调制（）、频率PWM测量等配置方法功能通过寄存器配置定时器参数，例如计时器用于计时、计数、产生特定频率信号等模式、计数器分频等213中断系统中断的概念中断是指外部事件或内部事件发生时，打断正在执行的程序，转而执CPU行相应的处理程序中断处理过程当发生中断时，会保存当前程序状态，并跳转到中断处理程序执CPU行中断优先级用于区分不同中断的优先级，优先级高的中断可以打断优先级低的中断看门狗定时器功能用于监控微控制器的运行状态，防止程序死机或异常运行1工作原理看门狗定时器会定期计数，如果程序没有及时更新计数器，则看门狗定时2器会触发复位操作应用场景3提高系统可靠性，防止程序意外终止模拟接口模数转换器（）ADC1用于将模拟信号转换为数字信号，以便微控制器进行处理数模转换器（）DAC2用于将数字信号转换为模拟信号，以便控制模拟设备比较器3用于比较两个模拟信号的大小，并输出相应的数字信号主要类型和特点位微控制器位微控制器位微控制器81632低成本、低功耗、简单易用，适合控制简性能更高，功能更丰富，适合控制更复杂性能更强大，支持更多外设，适合控制高单设备的设备性能的嵌入式系统位微控制器8特点代表产品低成本、低功耗、简单易用，适系列、系列、Atmel AVRPIC合控制简单设备系列等STM8应用领域智能家电、玩具、遥控器、小型设备控制等位微控制器16特点性能更高，功能更丰富，适合控制代表产品系列、系列应用领域工业控制、汽车电子、医疗设STM32F1MSP430更复杂的设备、系列等备等PIC24位微控制器32特点性能更强大，支持更多外设，适合控制高性能的嵌入式系统代表产品系列、架构、系列等ARM Cortex-M RISC-V TIMSP432应用领域物联网、工业自动化、汽车电子、医疗设备、航空航天等系列ARM Cortex-MCortex-M3性能更高，支持指令，适合数字信号DSP处理Cortex-M0/M0+Cortex-M4/M7低功耗、低成本，适合简单应用高性能，支持浮点运算，适合复杂应用213架构微控制器RISC-V开源指令集1架构是一个开源的指令集，允许任何人使用和修改RISC-V优势2灵活性、可定制性、易于扩展，适合各种应用场景发展趋势3架构正在快速发展，越来越多的微控制器采用该架构RISC-V低功耗微控制器特点功耗极低，适合电池供电的设备，如可穿戴设备、传感器等1应用场景2无线传感器网络、可穿戴设备、智能家居等节能技术3低电压工作、低功耗模式、休眠模式等应用领域概述消费电子工业控制汽车电子医疗设备智能家电、可穿戴设备、智能自动化设备、传感器网络、工发动机管理系统、车身电子、便携式医疗设备、监护仪、诊玩具、音响等业机器人、等辅助驾驶系统、车联网等断设备、医疗影像设备等PLC消费电子应用智能家电可穿戴设备智能玩具冰箱、洗衣机、空调、智能音响等智能手表、健身手环、智能眼镜等遥控玩具、互动玩具、儿童学习机等工业控制应用自动化设备控制机器传感器网络收集和处工业机器人控制机器人的运动、生产线的控理来自各种传感器的信人的动作、运动路径等制等号汽车电子应用发动机管理系统控制发动机的点火、喷油、排气等车身电子控制车窗、车门、灯光、空调等辅助驾驶系统提供辅助驾驶功能，如自动巡航、车道保持等医疗设备应用监护仪2用于监测患者的生命体征，如心电图、血压等便携式医疗设备1血糖仪、血压计、心率监测仪等诊断设备用于诊断疾病，如超声波诊断仪、光机X3等物联网（）应用IoT智能家居控制照明、空调、家电等设备智慧城市交通管理、环境监测、公共安全等工业物联网提高生产效率、降低成本、提升安全等开发工具概述集成开发环境（）编译器调试器IDE提供代码编辑、编译、调试等功能将源代码转换为机器代码用于查找和解决代码中的错误常用集成开发环境Keil MDKIAR EmbeddedWorkbench广泛用于系列微ARM Cortex-M控制器支持多种微控制器，包括、ARM、等AVR PICArduinoIDE简单易用，适合入门学习和快速开发编译器一个开源编译厂商专用编译器由微GCC GNUCompiler LLVM，一个自由器基础设施项目控制器厂商提供的专用Collection软件编译器套件编译器调试工具调试器JTAG一种常用的调试器，通过接口连接到微控制器JTAG调试器SWD一种比调试器更小的调试器，通过接口连接到微控JTAG SWD制器仿真器一种高级的调试工具，可以模拟微控制器的运行环境开发板和评估套件选择标准微控制器类型、外设、价格、社区支持等功能常见开发板介绍提供微控制器、外设、接口等，方便用户、、Arduino UnoSTM32Nucleo进行开发和测试等Raspberry PiPico213固件开发裸机编程直接操作微控制器的硬件资源进行编程RTOS使用实时操作系统，简化开发流程，提高系统效率中间件提供各种功能模块，例如通信协议、图形库等实时操作系统（）RTOSFreeRTOS一个开源的实时操作系统，广泛用于各种嵌入式系统1RT-Thread2一个国产的实时操作系统，功能丰富，支持多种硬件平台μC/OS3一个商用实时操作系统，性能稳定，功能强大编程语言汇编语言1直接操作微控制器的硬件资源，效率最高，但难度较大语言C2常用的嵌入式编程语言，效率高，易于移植C++面向对象的编程语言，支持更复杂的程序结构，但效率相对较3低软件开发流程需求分析设计编码测试明确系统功能、性能、接口等设计系统架构、软件模块、数根据设计文档编写源代码测试软件功能、性能、可靠性需求据结构等等代码优化技巧提高执行效率减少内存使用使用更快的算法、优化数据结构合理分配内存、使用更小的数据、减少不必要的运算类型、减少内存碎片化降低功耗使用低功耗模式、减少不必要的功耗消耗调试技巧断点设置在代码中设单步执行逐条执行代内存查看查看内存中置断点，暂停程序运行码，观察程序运行流程的数据，分析程序运行，查看变量值状态性能分析执行时间测量测量程序执行时间，评估程序效率内存使用分析分析程序内存使用情况，优化内存分配策略功耗分析分析程序功耗，优化代码以降低功耗可靠性设计冗余设计2使用多个相同模块，提高系统可靠性看门狗机制1监控程序运行状态，防止程序死机故障检测与恢复检测故障并采取措施进行恢复，避免系3统崩溃安全性设计代码保护防止代码被盗用或篡改数据加密对敏感数据进行加密保护，防止数据泄露安全启动防止恶意代码在系统启动时加载执行通信协议UART SPII2C CAN串行异步通信协议，简单易用串行同步通信协议，速度快，串行同步通信协议，支持多设控制器局域网络协议，用于汽，常用于近距离通信常用于与外设通信备通信，常用于与传感器通信车电子、工业控制等领域通信UART工作原理配置参数异步通信，数据传输不需要同步波特率、数据位、校验位、停止时钟信号位等应用场景与电脑通信、与其他设备进行简单数据交换等通信SPI工作原理同步通信，主从模式一个设备为应用场景与各种外设数据传输需要同步时钟主设备，其他设备为从通信，如传感器、显示信号设备器等通信I2C工作原理同步通信，使用两根数据线进行通信地址寻址每个设备都有一个唯一的地址，用于区分不同的设备应用场景与各种传感器、存储器、显示器等通信通信CAN报文格式报文包含标识符、数据等信息CAN工作原理应用场景一种面向消息的协议，用于实时通信汽车电子、工业控制、航空航天等领域213无线通信蓝牙短距离无线通信技术，用于连接手机、耳机、音响等设备Wi-Fi无线局域网技术，用于连接互联网、共享资源等ZigBee低功耗无线通信技术，用于构建无线传感器网络LoRa长距离无线通信技术，用于物联网应用，如智能农业、智慧城市等电机控制应用技术PWM脉冲宽度调制技术，用于控制电机的转速和方向1闭环控制2根据电机实际转速进行反馈控制，提高控制精度驱动电路3用于驱动电机，提供电流和电压传感器接口模拟传感器1输出模拟信号，需要使用进行转换ADC数字传感器2输出数字信号，可以直接与微控制器通信智能传感器3内置微处理器，可以进行数据处理，减少微控制器的负担显示接口驱动驱动驱动LCD OLEDE-paper控制显示器，用于显示文字、图形等控制显示器，具有自发光、高对比控制电子纸显示器，具有低功耗、无背光LCD OLED度等特点等特点电源管理低功耗模式电压监控降低微控制器功耗，延长电池寿监控电源电压，防止电源电压过命高或过低电池管理管理电池充电、放电，延长电池使用寿命实时时钟（）RTC功能提供精确的实时配置方法通过寄存器应用场景记录事件发时间和日期信息设置时间和日期信息生时间、定时器、闹钟等微控制器选型性能需求根据应用场景选择合适的性能CPU外设需求根据应用场景选择所需的外设，例如、、通信接口等ADC DAC功耗要求根据应用场景选择低功耗的微控制器成本考虑根据预算选择合适的微控制器未来发展趋势高性能化低功耗化12不断提高性能，支持更复杂的应用场景CPU降低功耗，延长电池寿命，扩展应用范围智能化集成化融合人工智能技术，实现更智能化的控制和集成更多外设，简化开发流程，提高系统效43管理率和机器学习AI边缘计算将人工智能计算任务转移到边缘设备，提高效率和响应速度神经网络处理器专门用于处理神经网络计算，提高人工智能性能应用前景智能家居、智慧城市、工业自动化等领域和物联网5G模块集成5G将模块集成到微控制器，实现高速无线通信15G大规模物联网2支持更多设备连接，实现更广泛的应用应用场景3智能制造、智慧城市、智能农业等领域汽车电子发展自动驾驶1使用微控制器实现自动驾驶功能，提高汽车安全性车联网2将汽车连接到互联网，实现信息共享和服务电动汽车3使用微控制器控制电动汽车的动力系统工业

4.0智能制造预测性维护数字孪生使用微控制器实现自动化生产，提高生产使用传感器和微控制器预测设备故障，进创建虚拟模型，模拟真实设备的运行状态效率行提前维护，进行分析和优化安全性可靠性and功能安全信息安全确保系统在正常运行状态下，不保护系统免受恶意攻击，确保数会出现安全隐患据安全可靠性设计提高系统可靠性，减少故障发生概率开源硬件趋势开源提供开源的微控制器设计和代开源开发板提供开源的开发板设计和软社区生态建立开源社区，促进技术交流MCU码件和合作总结微控制器的重要性微控制器是现代电子设备的核心，广泛应用于各种领域应用前景随着技术的不断发展，微控制器的应用领域将更加广泛技术发展方向高性能化、低功耗化、集成化、智能化是未来的发展趋势问答环节。