Jaka jest różnica między mikroprocesorem a mikrokontrolerem?

Mikroprocesory, Mikrokontrolery i Układy Scalone: Kluczowe Elementy Elektroniki

Mikroprocesory, mikrokontrolery i układy scalone, często skracane do IC, są fundamentalnymi komponentami wszystkich urządzeń elektronicznych. Można je uznać za fundament i napęd przemysłu elektronicznego. Choć nazwy te brzmią podobnie, poszczególne elementy różnią się swoimi charakterystykami i zadaniami. Często zdarza się, że osoby niezwiązane z branżą nie do końca rozumieją rozróżnienie między mikroprocesorem a mikrokontrolerem. Zamieszanie na tym się nie kończy, gdyż kolejna kwestią sporną jest różnica między mikroprocesorem a procesorem. W niniejszym artykule dokonamy porównania mikroprocesora i mikrokontrolera, przedstawiając szczegółowe objaśnienie wszystkich tych terminów. Dodatkowo, przeanalizujemy relację między układem scalonym a mikroprocesorem. Zapraszamy do lektury, aby lepiej zrozumieć, jak te elementy różnią się od siebie.

Mikroprocesor a Mikrokontroler: Główne Różnice

Zapraszamy do dalszej lektury, aby zgłębić temat porównania i różnic między mikroprocesorem a mikrokontrolerem.

Czym Jest Mikroprocesor?

Zanim przejdziemy do analizy różnic, warto przyjrzeć się bliżej mikroprocesorom. Mikroprocesor to chip, który często określa się mianem „mózgu” komputera. Nazywany jest też centralną jednostką obliczeniową (CPU). Ten pojedynczy element potrafi przetwarzać informacje o charakterze logicznym i obliczeniowym, realizując operacje takie jak dodawanie/odejmowanie, zarządzanie wejściem/wyjściem (I/O) i wiele innych. Kontroluje on wszystkie podzespoły systemu, w tym USB, urządzenia I/O, ekrany, pamięć itp. Aby zrealizować polecenia od użytkownika, mikroprocesor pobiera dane, transformuje je z języka wysokiego poziomu na język maszynowy, a następnie wykonuje zadane instrukcje.

Z Czego Składa Się Mikroprocesor?

Mikroprocesor składa się z kilku kluczowych elementów, które umożliwiają mu wykonywanie instrukcji:

• Rejestry: To tymczasowe magazyny danych, służące do przechowywania informacji w trakcie realizacji instrukcji. Po zakończeniu operacji dane są przesyłane do docelowego miejsca i usuwane z rejestrów.

• Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU): Odpowiada za wykonywanie działań arytmetycznych i logicznych, w tym obliczeń matematycznych.

• Jednostka sterująca i taktująca: Gwarantuje, że wszystkie podzespoły wewnętrzne i zewnętrzne działają w skoordynowany sposób, zgodnie z właściwym czasem i kolejnością.

Jak Funkcjonuje Mikroprocesor?

Mikroprocesor, będąc autonomicznym układem scalonym, współpracuje z urządzeniami peryferyjnymi zewnętrznymi, takimi jak moduły I/O i pamięci, w celu wykonania konkretnego zestawu poleceń.

• Urządzenie wejściowe przekazuje informacje od użytkownika do pamięci.
• Pamięć przechowuje dane i realizuje wymagane funkcje.

• Urządzenia wyjściowe służą do prezentacji rezultatów.

Zdjęcie autorstwa Christiana Wiedigera na Unsplash

Rodzaje Mikroprocesorów

Mikroprocesory można podzielić na trzy główne typy, biorąc pod uwagę różne kryteria:

1. Szerokość Szyny Danych

W zależności od szerokości ścieżki danych, mikroprocesory dzieli się na:

• 4-bitowe: Ich magistrala danych ma szerokość 4 bitów. Pojawiły się na początku lat 70. Przykładem są układy INTEL 4004 i 4040.

• 8-bitowe: Potrafią przesyłać 8-bitowe dane w jednym cyklu. Przykładem jest INTEL 8085.

• 16-bitowe: Umożliwiają przesyłanie 16-bitowych danych jednocześnie. Przykładami są INTEL 8088 i 80286.

• 32-bitowe: Przesyłają 32-bitowe dane w jednym cyklu zegara. Przykładami są INTEL 80386, 80486 i Pentium.

2. Zastosowanie

W zależności od zastosowania procesory dzielimy na:

• Procesory Ogólnego Przeznaczenia (GPP): Projektowane do typowych zastosowań codziennego użytku, np. komputery, smartfony. Przykładami są INTEL 8085 i Pentium.

• Mikrokontrolery (MCU): Procesory ze zintegrowaną pamięcią i interfejsami we/wy, przeznaczone do realizacji konkretnych zadań. Na przykład INTEL 8051, stosowane w pralkach, drukarkach itp.

• Mikroprocesory Specjalnego Przeznaczenia (SPM): Zaprojektowane do wykonywania specyficznych operacji, np. cyfrowe przetwarzanie sygnału, systemy radarowe i lotnicze.

Zapraszamy do dalszej lektury, aby dowiedzieć się więcej o różnicach między mikroprocesorem a mikrokontrolerem.

3. Architektura

• Komputer ze Złożonym Zestawem Instrukcji (CISC): Wykorzystuje niewielką liczbę instrukcji na program, gdzie jedno polecenie może wykonywać wiele zadań. W efekcie proces ten jest złożony i mniej wydajny. Procesory INTEL i AMD bazują na architekturze CISC.

• Komputer ze Zredukowanym Zestawem Instrukcji (RISC): Został opracowany w połowie lat 80. jako odpowiedź na CISC. Ma minimalizować czas wykonywania zadań poprzez redukcję zestawu instrukcji. Każde polecenie zajmuje tylko jeden cykl zegara. Wymaga to większej pamięci RAM i bardziej zaawansowanego kompilatora. Przykładami są MIPS, PowerPC, procesory ARM.

Zalety Mikroprocesorów

Oto lista korzyści płynących z wykorzystania mikroprocesorów:

• Ekonomiczne rozwiązanie
• Wbudowane funkcje sztucznej inteligencji (AI) i graficzny interfejs użytkownika (GUI)
• Przenośne i szybkie
• Kompaktowe rozmiary
• Wszechstronne i niezawodne
• Niskie zużycie energii i mała emisja ciepła

Wady Mikroprocesorów

Mikroprocesory mają również swoje ograniczenia:

• Wymagają kodu binarnego
• Nie obsługują operacji zmiennoprzecinkowych
• Ograniczenia rozmiaru danych
• Wymagają urządzeń pomocniczych do działania
• Podatne na uszkodzenie w przypadku nieprawidłowego zasilania
• Powolne w przypadku procesorów jednordzeniowych

Zalety i Wady Mikroprocesorów

Podsumowując, plusy i minusy mikroprocesorów prezentują się następująco:

Zalety:

• Szybki przesył danych między różnymi komponentami
• Przeznaczone do zastosowań ogólnych
• Zdolność do jednoczesnego wykonywania wielu zadań

Wady:

• Wysoki koszt
• Duże rozmiary
• Brak zintegrowanej pamięci RAM, ROM i wejść/wyjść

Zapraszamy do dalszej lektury, aby dowiedzieć się więcej o różnicach między układem scalonym a mikroprocesorem oraz mikroprocesorem a procesorem.

Czym Jest Mikrokontroler i Jak Działa?

W kontekście różnic między mikroprocesorami i mikrokontrolerami, warto bliżej przyjrzeć się mikrokontrolerom. Mikrokontroler to scalone urządzenie elektroniczne, zaprojektowane do wykonywania konkretnych funkcji w systemie wbudowanym. Nazywany również jednostką mikrokontrolera (MCU). Mikrokontroler zawiera w sobie mikroprocesor, moduł pamięci oraz urządzenia peryferyjne wejścia i wyjścia, wszystko w jednym układzie scalonym. Do działania wykorzystuje urządzenia pomocnicze takie jak zegary, przetworniki analogowo-cyfrowe, interfejsy szeregowe oraz wspólną linię zwaną magistralą systemową.

Zasada Działania:

Pojedynczy mikrokontroler zintegrowany w systemie realizuje konkretne zadanie w urządzeniu. Proces ten obejmuje odbieranie i przetwarzanie danych z urządzeń wejściowych i wyjściowych za pośrednictwem mikroprocesora. Mikrokontroler przechowuje tymczasowe informacje w swojej pamięci danych, skąd procesor pobiera dane i wykonuje instrukcje z pamięci programu. Następnie wykorzystuje on urządzenia wyjściowe do wykonania zadanej akcji.

Zdjęcie: Vishnu Mohanan na Unsplash

Podstawowe Elementy Systemu Mikrokontrolera

Główne komponenty mikrokontrolera to:

• Mikroprocesor: Nazywany „mózgiem” urządzenia, wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne, takie jak dodawanie/odejmowanie, przesyłanie danych oraz operacje wejścia/wyjścia. Umożliwia również komunikację z innymi komponentami w większym systemie.

• Pamięć: Służy jako magazyn danych, wykorzystywany przez procesor do realizacji instrukcji.

• Peryferia I/O: Porty wejściowe służą do odbierania danych i przekazywania ich do procesora w postaci języka maszynowego. Procesor wykonuje niezbędne operacje i instruuje urządzenia wyjściowe o zadaniu do wykonania.

Rodzaje Mikrokontrolerów

Mikrokontrolery dzielimy na różne typy, ze względu na:

1. Szerokość Magistrali

Szerokość magistrali to liczba równoległych linii łączących wewnętrzne elementy mikrokontrolera. Służy ona do przesyłania danych między procesorem, pamięcią i urządzeniami peryferyjnymi. Wyróżniamy trzy typy magistral: danych, adresową i sterującą. Ze względu na szerokość magistrali, mikrokontrolery dzielimy na 8-bitowe, 16-bitowe i 32-bitowe.

• 8-bitowy mikrokontroler: Magistrala danych ma szerokość 8 bitów. W jednym cyklu wykonuje operacje na danych 8-bitowych. Przy operacji 16-bitowej czas wykonania jest dwukrotnie dłuższy. Przykładem są INTEL 8031/8051.

• 16-bitowy mikrokontroler: Magistrala ma szerokość 16 bitów. Jest bardziej wydajny od 8-bitowego, ponieważ może przetwarzać 16 bitów danych na raz. Jest bardziej precyzyjny w zastosowaniach wymagających funkcji timera. Na przykład INTEL 8051XA, PIC2X, INTEL 8096.

• 32-bitowy mikrokontroler: Magistrala ma szerokość 32 bitów. Oferuje najlepsze parametry wydajnościowe, choć kosztem większego zużycia energii. Obsługuje wiele urządzeń peryferyjnych, takich jak USB, Ethernet, magistrala CAN. Przykładem jest rodzina INTEL/ATMEL 251.

W dalszej części artykułu dowiesz się o porównaniu mikroprocesora z mikrokontrolerem.

2. Pamięć

Ze względu na pamięć, mikrokontrolery dzielimy na:

• Mikrokontrolery z wbudowaną pamięcią: Mają wszystkie komponenty zintegrowane w jednym układzie, w tym pamięć danych, programów, przerwania, liczniki. Bloki pamięci nie są rozszerzalne, ale można użyć pamięci ROM do rozszerzenia przestrzeni.

• Mikrokontrolery z zewnętrzną pamięcią: Nie posiadają wbudowanej pamięci, wymagają zewnętrznej pamięci do poprawnego działania. Na przykład INTEL 8031 nie ma wbudowanej pamięci.

3. Architektura Zestawu Instrukcji

Zgodnie z architekturą zestawu instrukcji, mikrokontrolery dzielimy na:

• Komputer ze Złożonym Zestawem Rozkazów (CISC): Mikrokontroler, który wykonuje jedną złożoną instrukcję. Realizuje wiele działań za pomocą jednego polecenia. Jest to kompaktowy program, który używa rozbudowanych instrukcji i wielu trybów adresowania. Wykonanie instrukcji trwa dłużej.

• Komputer o Uproszczonym Zestawie Instrukcji (RISC): Opracowany jako odpowiedź na system CISC. Umożliwia przetwarzanie prostszych instrukcji, wykonując jedną instrukcję na raz.

Zapraszamy do dalszej lektury, aby zrozumieć różnice między mikroprocesorem i mikrokontrolerem.

4. Architektura Mikrokontrolera

Biorąc pod uwagę architekturę, mikrokontrolery dzielimy na:

• Mikrokontrolery o Architekturze Harvarda: Posiadają dwa oddzielne interfejsy pamięci: jeden dla danych, a drugi dla programów. Charakteryzują się równoległością interfejsu instrukcji. Są droższe ze względu na zaawansowaną konstrukcję.

• Mikrokontrolery o Architekturze Von Neumanna/Princeton: Używają jednego interfejsu do przechowywania danych i instrukcji. Mimo że wykonanie instrukcji trwa dłużej, są opłacalne i wygodne.

Zalety i Wady Mikrokontrolerów

Oto lista zalet mikrokontrolerów:

• Działa jak mikrokomputer bez dodatkowych elementów cyfrowych
• Łatwy w użyciu i utrzymaniu
• Ekonomiczny i kompaktowy
• Szybko realizuje zadane instrukcje
• Posiada zegar cyklu instrukcji
• Możliwość rozbudowy o pamięć RAM, ROM i urządzenia peryferyjne wejścia/wyjścia

Poniżej przedstawiono wady mikrokontrolerów:

• Złożona architektura
• Ograniczona moc, przez co nie mogą obsługiwać urządzeń o dużej mocy
• Wykonuje ograniczoną liczbę funkcji jednocześnie
• Wykorzystywany w mikrosprzęcie, który jest trudny w obsłudze
• Nie wszystkie mikrokontrolery mają wbudowane urządzenia I/O
• Wykonane z komplementarnego półprzewodnika z tlenku metalu, podatne na uszkodzenia przez ładunek statyczny

Zalety i Wady Mikrokontrolerów

Podsumowując, plusy i minusy mikrokontrolerów prezentują się następująco:

Zalety:

• Może działać na zasilaniu z baterii
• Niskie zużycie energii
• Stosowany w powszechnie używanych urządzeniach

Wady:

• Wymaga specjalistycznej wiedzy, gdyż jest przeznaczony do konkretnego celu
• Nie mają dostępu do pamięci programu

Przejdźmy teraz do omówienia różnic między mikroprocesorem a mikrokontrolerem oraz między układem scalonym a mikroprocesorem.

Mikroprocesor a Mikrokontroler: Kluczowe Różnice

Po omówieniu mikroprocesora i mikrokontrolera, przejdźmy do porównania tych dwóch elementów.

Mikroprocesor

Mikrokontroler

Główna część systemu komputerowego

Część systemu wbudowanego

Składa się jedynie z jednostki centralnej, dlatego wymaga dodatkowej pamięci i portów I/O

Zawiera procesor oraz wewnętrzną pamięć i elementy wejścia/wyjścia

Obwód jest duży ze względu na dodatkowe elementy zewnętrzne

Obwód jest mniejszy dzięki zintegrowanym komponentom

Nie jest efektywny w systemach kompaktowych

Efektywny w systemach kompaktowych

Wysoki koszt całego systemu

Niski koszt całego systemu

Wysokie zużycie energii, nie może działać na zasilaniu bateryjnym

Niskie zużycie energii, działa na zasilaniu bateryjnym

Brak trybu oszczędzania energii

Posiada tryby oszczędzania energii (tryb bezczynności, tryb oszczędzania energii)

Wykorzystywany w komputerach osobistych

Powszechnie stosowany w pralkach, odtwarzaczach mp3, kalkulatorach, samochodach

Opiera się na architekturze von Neumanna

Opiera się na architekturze Harvarda

Działa wolno, ponieważ każda operacja wymaga komunikacji z komponentami zewnętrznymi

Działa szybciej, ponieważ komunikacja jest szybka dzięki komponentom wewnętrznym

Złożony, z dużą liczbą instrukcji

Prosty, z ograniczoną liczbą instrukcji

Używany w zastosowaniach ogólnych

Używany w systemach przeznaczonych do konkretnych zastosowań

Nie posiada wbudowanej pamięci RAM, ROM i innych urządzeń peryferyjnych

Ma wbudowany procesor, RAM, ROM i inne urządzenia peryferyjne

Systemy działają z bardzo dużą prędkością

Systemy działają do 200 MHz lub więcej w zależności od obwodu

Mniejsza liczba rejestrów, operacje oparte na pamięci

Większa liczba rejestrów, ułatwia pisanie programów

Przykłady: INTEL 8085 I 8086

Przykłady: Altera, INTEL, NEC, Panasonic itp.

Z powyższego porównania wynika, że mikroprocesor jest elementem mikrokontrolera, który posiada dodatkową pamięć, porty I/O i inne urządzenia peryferyjne. Mikroprocesor, nazywany również centralną jednostką obliczeniową (CPU), jest znacznie bardziej rozbudowany niż sam procesor. Przejdźmy do omówienia różnic między układem scalonym a mikroprocesorem.

Czym Jest Jednostka Centralna (CPU)?

Jednostka centralna (CPU) to „mózg” komputera, składający się z milionów tranzystorów. Mikroprocesor to obwód otaczający procesor. Zrozummy więc, czym dokładnie jest procesor.

Jednostka centralna (CPU) to kluczowy element systemu komputerowego. Odpowiada za wykonywanie operacji wejścia/wyjścia, przetwarzanie i przechowywanie danych. Realizuje instrukcje, wykonując operacje arytmetyczne, logiczne i wejścia/wyjścia. Procesor jest często mylony ze sprzętem, ale w rzeczywistości jest osadzony w pojedynczym układzie zwanym mikroprocesorem. Procesor wykonuje swoje operacje w czterech krokach:

• Pobranie
• Dekodowanie
• Wykonanie
• Zapisanie

Komponenty procesora to jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) i jednostka sterująca (CU). ALU wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne, a CU pobiera polecenia z pamięci, dekoduje je i wykonuje.

Zdjęcie autorstwa Christiana Wiedigera na Unsplash

Mikroprocesor a Procesor: Różnice

Po omówieniu różnic między mikroprocesorem a mikrokontrolerem, przeanalizujmy różnice między mikroprocesorem a procesorem. Mikroprocesor umieszcza wszystkie funkcje procesora w jednym chipie, zwanym układem scalonym (IC). Oprócz tego zawiera obwody wejścia/wyjścia i dostępu do pamięci. Mikroprocesor odbiera dane, przetwarza je zgodnie z instrukcjami i generuje wynik w postaci binarnej.

Mikroprocesor

Procesor

Tylko jednostka centralna

Ma zintegrowaną pamięć i we/wy

Stosowany w komputerach osobistych

Stosowany w systemach wbudowanych

Nie posiada wbudowanej pamięci RAM, ROM, I/O i innych urządzeń peryferyjnych

Posiada zintegrowaną pamięć RAM, ROM i inne urządzenia peryferyjne

Wykorzystuje nośnik zewnętrzny do podłączenia pamięci RAM, ROM i urządzeń peryferyjnych I/O

Procesor korzysta z wbudowanej magistrali sterującej

Posiada złożoną architekturę, która przetwarza dużą liczbę instrukcji

Prosta konstrukcja i przetwarzanie ograniczonej liczby instrukcji

Procesor jest integralną częścią mikroprocesora, ale nie wszystkie mikroprocesory są procesorami. Mikroprocesor to rozbudowany układ, który może zawierać inne procesory, takie jak procesor graficzny (GPU), procesor sieciowy (NPU) i procesor dźwięku (APU). Karty dźwiękowe i sieciowe również mogą być wbudowane w mikroprocesor. Zanim przejdziemy do różnic między układem scalonym a mikroprocesorem, wyjaśnijmy czym jest układ scalony.

Czym Jest Układ Scalony (IC)?

Układ scalony (IC) to miniaturowy układ elektroniczny, wykonany na chipie półprzewodnikowym. Jeden z pierwszych układów scalonych powstał w latach 70. Składnikami układu scalonego są tranzystory, kondensatory, rezystory i diody. Może on działać jako wzmacniacz, mikroprocesor, mikrokontroler, oscylator, timer, licznik, bramka logiczna i pamięć komputera.

Oto kilka cech układów scalonych:

• Konstrukcja i opakowanie: Wykonane z silikonu, małe i delikatne. Składniki łączone złotymi i aluminiowymi drutami, a następnie zalewane w obudowie z tworzywa sztucznego lub ceramiki.

• Rozmiar: Wymiary od 1 mm² do 200 mm².

• Integracja: Układy scalone otrzymują swoją nazwę, gdy są osadzane w różnych urządzeniach na tym samym chipie. Mikrokontroler to przykład układu scalonego, który zawiera pamięć, mikroprocesor, porty we/wy i inne urządzenia peryferyjne.

W dalszej części artykułu znajdziesz informacje o różnicach między układem scalonym a mikroprocesorem.

Mikroprocesor a Układ Scalony: Różnice

Po omówieniu różnic między mikroprocesorem a mikrokontrolerem, przejdźmy do analizy różnic między układem scalonym a mikroprocesorem. Mikroprocesory są jednym z rodzajów układów scalonych, o bardzo złożonej budowie. Mikroprocesor pełni funkcję centralnej jednostki obliczeniowej w jednym chipie. Jest on przeznaczony do zastosowań komputerowych, podczas gdy układy scalone są urządzeniami ogólnego przeznaczenia.

Mikroprocesor zawiera wszystkie komponenty układu scalonego, takie jak pamięć, procesor, porty I/O, pamięć nieulotna RAM i ROM. Może uruchamiać oprogramowanie bez konieczności posiadania dodatkowych urządzeń. Układ scalony nie działa samodzielnie, ponieważ zawiera instrukcje. Na tym polega główna różnica.

***

Mamy nadzieję, że nasz artykuł dostarczył wyczerpujących informacji na temat różnic między mikroprocesorem a mikrokontrolerem oraz między układem scalonym a mikroprocesorem. Jeśli masz pytania lub sugestie dotyczące innych tematów, zachęcamy do podzielenia się nimi w sekcji komentarzy.