Яка різниця між мікропроцесором і мікроконтролером?

Розбіжності між мікропроцесорами, мікроконтролерами та інтегральними схемами

Мікропроцесори, мікроконтролери та інтегральні схеми (ІС) є фундаментальними елементами будь-якого електронного пристрою. Їх часто називають “серцем” та “душею” електронної промисловості. Хоча ці компоненти можуть здаватися подібними, вони мають різні характеристики та призначення. Часто виникає плутанина щодо відмінностей між мікропроцесором і мікроконтролером, а також між мікропроцесором і центральним процесором. У цій статті ми розглянемо детальний аналіз та порівняння цих термінів, а також різницю між інтегральною схемою та мікропроцесором. Продовжуйте читати, щоб глибше зрозуміти їхні відмінності.

В чому полягає різниця між мікропроцесором та мікроконтролером?

Давайте детально розглянемо порівняння та відмінності між мікропроцесорами та мікроконтролерами.

Що таке мікропроцесор?

Перш ніж заглиблюватись у відмінності, давайте розберемося, що ж таке мікропроцесор. Мікропроцесор – це мікросхема, яку можна вважати “мозком” комп’ютера. Його також називають центральним процесором (ЦП). Цей єдиний чип здатний обробляти логічну та обчислювальну інформацію, виконувати такі операції, як додавання/віднімання, керування введенням/виведенням та багато іншого. Він контролює всі компоненти системи, включаючи USB, пристрої вводу/виводу, монітори та пам’ять. Для виконання інструкцій користувача він отримує дані, декодує їх з мови високого рівня в машинну, а потім виконує задані операції.

З яких елементів складається мікропроцесор?

Мікропроцесор має наступні компоненти, які допомагають йому виконувати команди:

Регістри: це тимчасова пам’ять для виконання інструкцій. Після виконання дані передаються до джерела та видаляються з регістрів.
Арифметико-логічний блок (АЛБ): виконує арифметичні та логічні операції, включаючи математичні обчислення.
Блок синхронізації та керування: забезпечує злагоджену роботу всіх внутрішніх і зовнішніх компонентів у визначений час та послідовності.

Як працює мікропроцесор?

Мікропроцесор – це окрема мікросхема, яка з’єднується із зовнішніми периферійними пристроями, такими як пристрої вводу/виводу та блоки пам’яті, для виконання заданого набору інструкцій.

Пристрій введення передає інформацію від користувача до блоку пам’яті.
Пам’ять зберігає інформацію та забезпечує виконання необхідної функції.
Пристрої виведення відображають результати.

Фотографія від Крістіана Відігера на Unsplash

Які бувають різновиди мікропроцесорів?

Мікропроцесори можна класифікувати за такими ознаками:

1. Розмір шини даних

Залежно від розміру шини даних, мікропроцесори поділяються на:

4-бітні: ці процесори мають ширину шляху даних у 4 біти. Вони з’явилися на початку 1970-х років. Приклади: INTEL 4004 і 4040.
8-бітні: процесори, здатні передавати 8-бітові дані одночасно. Приклад: INTEL 8085.
16-бітні: процесори, здатні передавати 16-бітові дані одночасно. Приклади: INTEL 8088 і 80286.
32-розрядні: процесори, які можуть передавати 32-бітові дані за один такт. Приклади: INTEL 80386, 80486 і Pentium.

2. Застосування

Залежно від призначення, процесори поділяються на:

Процесори загального призначення (GPP): призначені для щоденних задач, наприклад, настільні комп’ютери, мобільні телефони, INTEL 8085 і Pentium.
Мікроконтролери (MCU): процесори зі вбудованою пам’яттю та периферійними пристроями вводу/виводу, призначені для виконання конкретного набору функцій. Наприклад, INTEL 8051, пральні машини, комп’ютерні принтери.
Мікропроцесори спеціального призначення (SPM): призначені для виконання конкретних операцій, таких як обробка цифрових сигналів, радари, управління польотом.

3. Архітектура

Комп’ютер зі складним набором інструкцій (CISC): використовує мінімальну кількість інструкцій на програму, де одна команда виконує кілька функцій. Процесори INTEL та AMD використовують архітектуру CISC.
Комп’ютер зі скороченим набором інструкцій (RISC): розроблений для мінімізації часу виконання за рахунок спрощення набору інструкцій. Кожна команда виконується за один такт. Приклади: MIPS, PowerPC, процесори Arm.

Які переваги мікропроцесорів?

Мікропроцесори мають наступні переваги:

Економічно ефективні
Мають вбудований штучний інтелект (ШІ) та графічний інтерфейс користувача (GUI)
Портативні та високошвидкісні
Компактні за розміром
Універсальні та надійні
Мають низьке енергоспоживання та тепловиділення

Які недоліки мікропроцесорів?

До недоліків мікропроцесорів відносять:

Потребують двійкову мову
Не підтримують операції з плаваючою комою
Обмежений розмір даних
Не можуть працювати без зовнішніх допоміжних пристроїв
Чутливі до неправильного живлення
Повільні одноядерні процесори

Які плюси і мінуси мікропроцесорів?

Плюси мікропроцесорів:

Швидко передають дані між різними компонентами
Використовуються для широкого спектру завдань
Здатні виконувати кілька завдань одночасно

Мінуси мікропроцесорів:

Висока вартість
Великі розміри
Не мають вбудованої RAM, ROM або портів I/O

Що таке мікроконтролер та як він працює?

Мікроконтролер – це вбудований електронний пристрій, призначений для виконання конкретної функції у вбудованій системі. Його також називають блоком мікроконтролера або MCU. Мікроконтролер складається з трьох основних компонентів на одній мікросхемі: мікропроцесора, блоку пам’яті та периферійних пристроїв введення/виведення. Він використовує допоміжні пристрої, такі як таймери, аналого-цифрові перетворювачі, послідовні входи/виходи та системну шину.

Принцип роботи:

Мікроконтролер, вбудований у систему, виконує конкретну функцію. Він отримує та обробляє дані від периферійних пристроїв введення/виведення за допомогою мікропроцесора. Мікроконтролер зберігає тимчасову інформацію у своїй пам’яті, де процесор отримує доступ до даних та використовує команди з пам’яті програм для виконання операцій. Потім він використовує вихідні периферійні пристрої для реалізації необхідної дії.

Фотографія від Вішну Моханана на Unsplash

Які основні компоненти мікроконтролерної системи?

Основними компонентами мікроконтролера є:

Мікропроцесор: “мозок” пристрою, що виконує арифметичні та логічні операції, передає дані та керує введенням/виведенням.
Пам’ять: зберігає дані, які використовуються процесором для виконання інструкцій.
Периферійні пристрої вводу-виводу: порти введення отримують дані та надсилають їх до процесора у машинній мові. Процесор виконує операції та дає команди зовнішнім пристроям виведення.

Скільки існує типів мікроконтролерів?

Мікроконтролери класифікують за такими критеріями:

1. Ширина

Ширина шини – це кількість паралельних ліній, що з’єднують внутрішні компоненти мікроконтролера. Вона передає дані між процесором, пам’яттю та периферійними пристроями введення/виведення. Існують 8-розрядні, 16-розрядні та 32-розрядні мікроконтролери.

8-розрядний мікроконтролер: має шину шириною 8 біт та може обробляти 8 біт даних за один цикл. Приклади: INTEL 8031/8051.
16-розрядний мікроконтролер: має шину шириною 16 біт, є швидшим за 8-бітовий, і точніше виконує операції для програм, що потребують таймерів. Приклади: INTEL 8051XA, PIC2X, INTEL 8096.
32-розрядний мікроконтролер: має шину шириною 32 біти, є найпродуктивнішим, підтримує кілька периферійних пристроїв, таких як USB, Ethernet. Приклад: сімейство INTEL/ATMEL 251.

2. Пам’ять

Залежно від пам’яті, мікроконтролери поділяються на:

Мікроконтролери з вбудованою пам’яттю: мають всі компоненти, включаючи пам’ять даних і програм, переривання, таймери, лічильники, інтегровані в одну мікросхему. Пам’ять може бути розширена за допомогою ПЗУ.
Мікроконтролери із зовнішньою пам’яттю: не мають вбудованої пам’яті та потребують зовнішню підтримку пам’яті. Наприклад, INTEL 8031.

3. Архітектура набору інструкцій

За архітектурою набору інструкцій, мікроконтролери діляться на:

Комп’ютер зі складним набором інструкцій (CISC): виконує одну складну інструкцію, використовуючи великі інструкції та різні режими адресації. Вимагає багато часу для виконання інструкцій.
Комп’ютер зі скороченим набором інструкцій (RISC): обробляє простіші інструкції та виконує їх по одній за раз.

4. Архітектура мікроконтролера

За архітектурою мікроконтролера, їх поділяють на:

Мікроконтролер Гарвардської архітектури: має два окремих інтерфейси пам’яті, один для даних, а інший для програм. Забезпечує паралелізм інтерфейсів інструкцій, але є дорожчим через складний дизайн.
Мікроконтролер архітектури Фон Неймана/Прінстона: використовує єдиний інтерфейс для зберігання як даних, так і інструкцій. Економічно вигідний, але має довгий час виконання інструкцій.

Які переваги та недоліки мікроконтролерів?

Переваги мікроконтролерів:

Діють як мікрокомп’ютери без цифрових частин
Прості у використанні та обслуговуванні
Економічні та компактні
Швидше виконують задані інструкції
Мають таймер циклу інструкцій
Підтримують додавання RAM, ROM та периферійних пристроїв введення/виведення

Недоліки мікроконтролерів:

Складна архітектура
Не можуть керувати потужними пристроями через низьку швидкість
Одночасно виконують обмежену кількість функцій
Використовуються в мікрообладнанні, що ускладнює використання
Не всі мікроконтролери мають периферійні пристрої введення/виведення
Чутливі до пошкодження статичним зарядом

Які плюси і мінуси мікроконтролерів?

Плюси мікроконтролерів:

Працюють на пристроях з накопиченою потужністю
Мають низьке енергоспоживання
Використовуються у пристроях, які регулярно використовуються

Мінуси мікроконтролерів:

Потребують навчання, оскільки призначені для конкретних цілей
Не можуть отримати доступ до пам’яті програми

Яка різниця між мікропроцесором і мікроконтролером?

Порівняння мікропроцесора та мікроконтролера:

Мікропроцесор	Мікроконтролер
Основна частина комп’ютерної системи	Частина вбудованої системи
Складається лише з процесора. Потребує додаткову пам’ять та порти вводу/виводу	Має процесор, внутрішню пам’ять та компоненти вводу/виводу
Має великі розміри через додавання зовнішніх компонентів	Має менші розміри через внутрішні компоненти
Неефективний у компактних системах	Ефективний у компактних системах
Висока вартість системи	Низька вартість системи
Високе енергоспоживання, не працює від накопиченого живлення	Низьке енергоспоживання, може працювати від накопичених батарей
Не має режиму енергозбереження	Має режими енергозбереження (режим очікування)
Використовується лише у персональних комп’ютерах	Широко використовується у пральних машинах, mp3-плеєрах, калькуляторах, автомобілях
Базується на архітектурі фон Неймана	Базується на Гарвардській архітектурі
Працює повільно через зв’язок із зовнішніми компонентами	Працює швидко завдяки внутрішнім компонентам
Складний, з великою кількістю інструкцій	Простий, з кількома інструкціями
Використовується для загального призначення	Використовується для систем, пов’язаних із застосуванням
Не має RAM, ROM та інших периферійних пристроїв вводу/виводу	Має процесор, RAM, ROM та інші периферійні пристрої, вбудовані в мікросхему
Системи працюють на дуже високій швидкості	Системи працюють до 200 МГц або більше залежно від схеми
Має меншу кількість регістрів, операції залежать від пам’яті	Має більше регістрів, що спрощує написання програм
Приклади: INTEL 8085 І 8086	Приклади: Altera, INTEL, NEC, Panasonic тощо

З цього порівняння видно, що мікропроцесор є частиною мікроконтролера з додатковою пам’яттю, портами вводу/виводу та іншими периферійними пристроями. Мікропроцесор також називають центральним процесором (ЦП). Далі ми розглянемо різницю між мікросхемою та мікропроцесором.

Що таке центральний процесор (CPU)?

Центральний процесор (ЦП) є “мозком” комп’ютера, що складається з мільйонів транзисторів. Мікропроцесор – це схема, яка включає ЦП. Центральний процесор є найважливішою частиною комп’ютерної системи, відповідає за введення/виведення, обробку та зберігання даних. Він виконує арифметичні, логічні та операції введення/виведення. ЦП часто помилково вважають апаратним забезпеченням, хоча він є частиною мікросхеми, яка називається мікропроцесором. ЦП виконує операції в чотири етапи: отримання, декодування, виконання та зворотний запис.

Компоненти ЦП включають арифметико-логічний блок (АЛБ) та блок керування (БК). АЛБ виконує обчислення, а БК отримує команди з пам’яті, декодує та виконує їх.

Фотографія від Крістіана Відігера на Unsplash

Чим мікропроцесор відрізняється від ЦП?

Мікропроцесор об’єднує всі функції ЦП на одній мікросхемі, яка називається інтегральною схемою (ІС). Він також має схеми введення/виведення та доступу до пам’яті. Мікропроцесор отримує інформацію, обробляє її та виводить результат у двійковій мові.

Мікропроцесор	ЦП
Це лише центральний процесор	Має інтегровану пам’ять та ввід/вивід
Використовується в персональних комп’ютерах	Використовується у вбудованих системах
Не має RAM, ROM, I/O та інших периферійних пристроїв	Має RAM, ROM та інші периферійні пристрої, вбудовані в мікросхему
Зовнішні носії використовуються для підключення RAM, ROM та пристроїв вводу/виводу	ЦП використовує вбудовану керуючу шину
Має складну архітектуру, обробляє велику кількість інструкцій	Має просту структуру, обробляє меншу кількість інструкцій

Хоча ЦП є мікропроцесором, не всі мікропроцесори є ЦП. Мікропроцесор – це більше, ніж ЦП, оскільки він містить інші процесори, такі як графічний процесор (GPU), мережевий процесор (NPU) та блок обробки аудіо (APU). Мікропроцесори також включають звукові та мережеві карти. Перш ніж перейти до відмінностей між IC та мікропроцесором, розглянемо, що таке IC.

Що таке інтегральна схема (ІС)?

Інтегральна схема (ІС) – це міні-електронна схема, виготовлена на напівпровідниковому кристалі. ІС містить транзистори, конденсатори, резистори та діоди. Вона працює як підсилювач, мікропроцесор, мікроконтролер, генератор, таймер, лічильник, логічний вентиль та пам’ять комп’ютера.

Особливості IC:

Конструкція та упаковка: виготовлені з кремнію, є малими та крихкими. Компоненти з’єднуються золотими або алюмінієвими дротами та поміщаються у пластиковий або керамічний корпус.
Розмір мікросхеми: доступні в розмірах від 1 до 200 квадратних мм.
Інтеграція IC: інтегральні схеми інтегрують різні пристрої на одному чипі. Наприклад, мікроконтролер – це інтегральна схема, що включає пам’ять, мікропроцесор, порти вводу/виводу та інші периферійні пристрої.

Чим відрізняється мікропроцесор від IC?

Мікропроцесори є одним із типів ІС, і вони складні. Мікропроцесор виконує функції центрального процесора на одному чипі, призначений для використання в комп’ютерах. Інтегральні схеми – це пристрої загального призначення, які застосовуються для різних програм.

Мікропроцесори містять усі компоненти інтегральної схеми, включаючи пам’ять, центральний процесор, порти вводу/виводу та енергонезалежну пам’ять RAM і ROM. Вони можуть запускати програмне забезпечення без додаткових пристроїв. Інтегральна схема не може працювати самостійно, оскільки вона зберігає лише інструкції.

***

Сподіваємось, ця стаття допомогла вам краще зрозуміти відмінності між мікропроцесором, мікроконтролером та інтегральними схемами. Якщо у вас є інші питання або пропозиції, напишіть нам у коментарях.