Jaký je rozdíl mezi mikroprocesorem a mikrokontrolérem?

Základní stavební kameny elektroniky: Mikroprocesory, mikrokontroléry a integrované obvody

Mikroprocesory, mikrokontroléry a integrované obvody (IC) představují fundamentální prvky ve světě elektroniky. Jsou často označovány jako srdce a mozek celého elektronického průmyslu. Ačkoliv se tyto termíny mohou zdát podobné, každý z nich má své specifické vlastnosti a funkce. Častým nepochopením je rozdíl mezi mikroprocesorem a mikrokontrolérem, a stejně tak i rozdíl mezi mikroprocesorem a CPU (centrální procesorovou jednotkou). Tento článek si klade za cíl objasnit tyto rozdíly a poskytnout detailní srovnání těchto klíčových pojmů. Dále se podíváme na rozdíly mezi IC a mikroprocesorem, abychom lépe pochopili jejich odlišnosti.

Rozdíly mezi mikroprocesorem a mikrokontrolérem

Pojďme se detailněji podívat na rozdíly a srovnání mezi mikroprocesorem a mikrokontrolérem.

Co je to mikroprocesor?

Než se ponoříme do rozdílů, podívejme se na definici mikroprocesoru. Mikroprocesor je čip, který je často považován za mozek počítače a je také známý jako centrální procesorová jednotka (CPU). Tento jediný čip je schopen zpracovávat veškeré logické a aritmetické informace, včetně sčítání, odčítání a správy I/O operací. Řídí veškeré systémové komponenty, jako jsou USB, I/O zařízení, monitory a paměť. Pro vykonání uživatelských instrukcí načítá data, dekóduje je z jazyka vysoké úrovně do strojového jazyka a následně provádí instrukce.

Z čeho se skládá mikroprocesor?

Mikroprocesor se skládá z několika klíčových komponent:

• Registry: Jedná se o dočasné úložiště pro provedení dané instrukce. Po dokončení jsou data odeslána do zdroje a z registrů vymazána.

• Aritmeticko-logická jednotka (ALU): Provádí aritmetické a logické operace, například matematické výpočty.

• Řídicí jednotka: Zajišťuje, že všechny interní a externí komponenty spolupracují synchronizovaně a v daném pořadí.

Jak mikroprocesor funguje?

Mikroprocesor je samostatný čip, který je propojen s externími periferiemi, jako jsou I/O zařízení a paměťové jednotky, aby mohl vykonávat danou sadu instrukcí. Tento proces typicky zahrnuje:

• Vstupní zařízení, které předává informace od uživatele do paměťové jednotky.
• Paměť, která uchovává informace a slouží k provádění požadované funkce.
• Výstupní zařízení, které zobrazuje výsledky.

Foto Christian Wiediger na Unsplash

Typy mikroprocesorů

Mikroprocesory lze klasifikovat do tří hlavních kategorií:

1. Podle velikosti datové sběrnice:

Podle šířky datové cesty se mikroprocesory dělí na:

• 4bitové: S šířkou datové cesty 4 bity. Příkladem je INTEL 4004 a 4040.

• 8bitové: Schopné přenášet 8bitová data. Příkladem je INTEL 8085.

• 16bitové: Zpracovávají 16bitová data. Příkladem jsou INTEL 8088 a 80286.

• 32bitové: Dokáží přenášet 32 bitů dat. Příkladem jsou INTEL 80386, 80486 a Pentium.

2. Podle aplikace:

Na základě použití se procesory rozdělují na:

• Procesory pro všeobecné použití (GPP): Určeny pro běžné aplikace, jako jsou stolní počítače a mobilní telefony. Příkladem jsou INTEL 8085 a Pentium.

• Mikrokontroléry (MCU): Procesory s integrovanými paměťovými jednotkami a I/O periferiemi určené pro specifické funkce. Příkladem jsou INTEL 8051, používané v pračkách a tiskárnách.

• Procesory pro speciální účely (SPM): Navržené pro konkrétní operace, jako je zpracování digitálního signálu nebo radarové systémy.

3. Podle architektury:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): Používá minimum instrukcí na program. Jeden příkaz provádí mnoho funkcí. CPU INTEL a AMD jsou založeny na CISC.

• RISC (Reduced Instruction Set Computer): Minimalizuje čas provádění zkrácením instrukční sady. Každý příkaz vyžaduje jeden hodinový cyklus. Příkladem jsou MIPS, PowerPC a Arm Processors.

Výhody mikroprocesorů

Mezi hlavní výhody mikroprocesorů patří:

• Nízké náklady
• Integrace umělé inteligence (AI) a grafického uživatelského rozhraní (GUI)
• Přenosnost a vysoká rychlost
• Kompaktní rozměry
• Univerzálnost a spolehlivost
• Nízká spotřeba energie a tvorba tepla

Nevýhody mikroprocesorů

Mezi nevýhody mikroprocesorů patří:

• Vyžadují binární jazyk
• Nepodporují operace s pohyblivou řádovou čárkou
• Omezená velikost dat
• Nemožnost fungovat bez externích podpůrných zařízení
• Náchylnost k poškození nesprávným napájením
• Pomalé jednojádrové procesory

Výhody a nevýhody mikroprocesorů – shrnutí

Výhody:

• Rychlé přesouvání dat
• Univerzální použití
• Schopnost vykonávat více úkolů současně

Nevýhody:

• Vysoká cena
• Velké rozměry
• Chybí integrovaná RAM, ROM nebo I/O

Co je mikrokontrolér a jak funguje?

Mikrokontrolér je integrované výpočetní zařízení navržené k provádění specifických funkcí v embedded systémech. Obsahuje mikroprocesor, paměťovou jednotku a vstupní/výstupní periferie na jednom čipu. Mezi další podpůrné zařízení patří časovače, analogově-digitální převodníky, sériový vstup a výstup. Mikrokontrolér pracuje tak, že přijímá data z I/O periferií, zpracovává je pomocí procesoru a uložených instrukcí, a poté pomocí výstupních periferií provádí požadovanou akci.

Foto Vishnu Mohanan na Unsplash

Základní součásti mikrokontroléru

Mezi hlavní součásti mikrokontroléru patří:

• Mikroprocesor: Mozek zařízení, provádí aritmetické a logické operace.

• Paměť: Používá se jako úložiště dat pro procesor.

• I/O periferie: Vstupní porty přijímají data a výstupní porty provádějí úkoly.

Typy mikrokontrolérů

Mikrokontroléry se dělí podle:

1. Šířky:

Šířka sběrnice ovlivňuje množství dat, které lze najednou přenést. Mikrokontroléry se dělí na:

• 8bitové: Pracují s 8bitovými daty. Příkladem je INTEL 8031/8051.

• 16bitové: Efektivnější a rychlejší, zpracovávají 16bitová data. Příkladem jsou INTEL 8051XA, PIC2X a INTEL 8096.

• 32bitové: Nejvýkonnější, zpracovávají 32bitová data. Příkladem je rodina INTEL/ATMEL 251.

2. Paměti:

• S vestavěnou pamětí: Mají všechny komponenty na jednom čipu. PAMĚŤ nelze rozšiřovat, lze použít ROM.

• S externí pamětí: Nemají vestavěnou paměť, vyžadují externí paměť. Příkladem je INTEL 8031.

3. Architektury instrukční sady:

• CISC: Sleduje jednu komplexní instrukci. Provádí mnoho akcí jedním příkazem.

• RISC: Zpracovává jednodušší instrukce. Provádí vždy jednu danou instrukci.

4. Architektury mikrokontroléru:

• Harvardská architektura: Má dvě paměťová rozhraní (pro data a pro instrukce).

• Von Neumann/Princeton architektura: Používá jedno rozhraní pro data i instrukce.

Výhody a nevýhody mikrokontrolérů

Výhody:

• Funguje jako mikropočítač bez dalších digitálních dílů
• Snadné použití a údržba
• Cenově efektivní a kompaktní
• Rychle provádí instrukce
• Má časovač instrukčního cyklu
• Podporuje přidání RAM, ROM a periferií I/O

Nevýhody:

• Komplexní architektura
• Neschopnost manipulovat s vysoce výkonnými zařízeními
• Provádí omezený počet funkcí najednou
• Používá se v mikrozařízeních s obtížným používáním
• Ne všechny mikrokontroléry mají I/O periferie
• Náchylnost k poškození statickým nábojem

Výhody a nevýhody mikrokontrolérů – shrnutí

Výhody:

• Funguje na uložených energetických zařízeních
• Menší spotřeba energie
• Běžně používaný v každodenních zařízeních

Nevýhody:

• Vyžaduje specializované znalosti
• Nemá přímý přístup k paměti programu

Srovnání mikroprocesoru a mikrokontroléru

Mikroprocesor	Mikrokontrolér
Hlavní část počítačového systému	Část vestavěného systému
Skládá se pouze z paměťové jednotky. Vyžaduje další paměťové a I/O porty	Obsahuje procesor, vnitřní paměť a I/O
Obvod je velký kvůli externím součástkám	Obvod je menší díky interním součástkám
Nevhodný pro kompaktní systémy	Používá se v kompaktních systémech
Cena celého systému je vysoká	Cena celého systému je nízká
Vysoká spotřeba energie, nemůže pracovat na akumulátorech	Nízká spotřeba energie, vhodný pro akumulátory
Nemá režim úspory energie	Má režimy úspory energie
Používá se v osobních počítačích	Používá se v pračkách, přehrávačích MP3 a automobilech
Vychází z von Neumannovy architektury	Vychází z Harvardské architektury
Pracuje pomaleji kvůli komunikaci s externími součástkami	Pracuje rychleji díky interním součástkám
Komplexní, s velkým množstvím instrukcí	Jednoduchý, s několika instrukcemi
Používá se pro univerzální aplikace	Používá se pro specifické aplikace
Nemá RAM, ROM ani I/O periferie	Má procesor, RAM, ROM a další periferie integrované v čipu
Systémy běží velmi vysokou rychlostí	Systémy běží do 200 MHz nebo více
Má menší počet registrů, operace založeny na paměti	Má více registrů, což usnadňuje psaní programů
Příklady: INTEL 8085 A 8086	Příklady: Altera, INTEL, NEC, Panasonic atd.

Centrální procesorová jednotka (CPU)

Centrální procesorová jednotka (CPU) je mozek počítače, skládá se z milionů tranzistorů. Mikroprocesor je obvod, který CPU obklopuje. CPU je klíčová součást počítačového systému, která provádí I/O operace, zpracovává a ukládá data. Provádí aritmetické, logické a vstupní/výstupní operace. CPU je často mylně považována za hardware, ale je zabudována v mikroprocesoru. CPU provádí operace ve čtyřech krocích: načtení, dekódování, provedení a zapsání. Mezi komponenty CPU patří aritmeticko-logická jednotka (ALU) a řídicí jednotka (CU).

Foto Christian Wiediger na Unsplash

Rozdíl mezi mikroprocesorem a CPU

Mikroprocesor integruje všechny funkce CPU na jednom čipu, který se nazývá integrovaný obvod (IC). Navíc obsahuje I/O obvody a obvody pro přístup do paměti. Mikroprocesor přijímá informace, zpracovává je a generuje výstup v binárním jazyce.

Mikroprocesor	CPU (Procesor)
Je to pouze centrální procesorová jednotka	Má integrovanou paměť a I/O
Používá se v osobních počítačích	Používá se ve vestavěných systémech
Neskládá se z RAM, ROM, I/O a dalších periferií	Má RAM, ROM a další periferie integrované do čipu
Pro připojení RAM, ROM a I/O se používá externí médium	CPU používá vestavěnou řídicí sběrnici
Má složitou architekturu	Má jednoduchý design a vyžaduje méně instrukcí

Ačkoli se CPU považuje za mikroprocesor, ne všechny mikroprocesory jsou CPU. Mikroprocesor je víc než CPU, protože obsahuje další procesory jako GPU, NPU a APU. Zvukové a síťové karty jsou také zabudovány do mikroprocesorů.

Co je integrovaný obvod (IC)?

Integrovaný obvod (IC) je malý elektronický obvod vyrobený na polovodičovém čipu. První IC vznikly v 70. letech 20. století. Základními součástmi IC jsou tranzistory, kondenzátory, rezistory a diody. IC může fungovat jako zesilovač, mikroprocesor, mikrokontrolér, oscilátor, časovač, čítač, logické hradlo a paměť počítače. IC se skládá z křemíku a je velmi malý. Jeho komponenty jsou propojeny zlatými a hliníkovými dráty a uzavřeny v plastovém nebo keramickém pouzdře. IC se vyrábí ve velikostech od 1 mm2 do 200 mm. Integrované obvody jsou začleněny do různých zařízení na stejném čipu. Například mikrokontrolér je integrovaný obvod, který obsahuje paměť, mikroprocesor, I/O porty a další periferie.

Rozdíl mezi mikroprocesorem a IC

Mikroprocesor je typem IC. Je považován za komplexní. Mikroprocesor integruje funkce CPU na jednom čipu. Je určen pro počítačové aplikace, zatímco IC jsou univerzální zařízení. Mikroprocesory se skládají ze všech součástí obsažených v integrovaném obvodu, včetně paměti, CPU, I/O portů a energeticky nezávislé RAM a ROM. Mohou spouštět software bez podpory externích zařízení. IC nemůže fungovat samostatně, protože obsahuje uložené instrukce. To je hlavní rozdíl mezi IC a mikroprocesorem.

Doufáme, že tento článek vám poskytl dostatečné informace o rozdílech mezi mikroprocesorem a mikrokontrolérem, stejně jako mezi IC a mikroprocesorem. Pokud máte jakékoli další otázky nebo návrhy na další témata, dejte nám prosím vědět v komentářích níže.