Worin besteht der Unterschied zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern?
Mikroprozessoren und Mikrocontroller sind interne Komponenten elektronischer Geräte. Ein Mikroprozessor ist eine sehr kleine Verarbeitungseinheit in einer CPU. Er ist ein einziger integrierter Schaltkreis auf einem Computerchip, der verschiedene Arithmetik- und Logikfunktionen für digitale Signale ausführt. In leistungsstarken Servern für die Datenverarbeitung und Analytik arbeiten mehrere Dutzend Mikroprozessoren zusammen.
Ein Mikrocontroller ist hingegen die grundlegende Recheneinheit in intelligenten elektronischen Geräten wie Waschmaschinen und Thermostaten. Er ist ein sehr kleiner Computer mit eigenem RAM, ROM und E/A-Systemen, die auf einem einzigen Chip eingebettet sind. Er kann digitale Signale verarbeiten und auf Benutzereingaben reagieren, aber seine Rechenkapazität ist begrenzt.
Worin bestehen die Gemeinsamkeiten von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern?
Mikroprozessoren und Mikrocontroller sind zentralisierte Computerchips, die PCs und elektronischen Geräten ihre Intelligenz zur Verfügung stellen. Sie bestehen aus integrierten Halbleiterschaltungen und weisen bestimmte interne Teile gemeinsam auf.
Integrierter Schaltkreis
Sowohl Mikroprozessoren als auch Mikrocontroller sind Halbleiterkomponenten, die auf einer integrierten Schaltung aufgebaut sind. Ein integrierter Schaltkreis ist ein sehr kleiner quadratischer oder rechteckiger Chip, der Tausende oder sogar Millionen von elektronischen Komponenten enthält. Integrierte Schaltungen ermöglichen es Ingenieuren, die Größe elektronischer Schaltungen zu reduzieren.
CPU
Sowohl Mikroprozessoren als auch Mikrocontroller verfügen über eine CPU. Eine CPU ist der zentrale Teil des Computerchips, der Anweisungen verarbeitet, die von Anwendungen oder Firmware bereitgestellt werden. Die CPU verfügt außerdem über ein spezielles ALU-Modul (die Arithmetic-Logic Unit). Eine ALU berechnet mathematische Werte und bewertet logische Probleme auf der Grundlage von Computeranweisungen.
Register
Register sind Speichermodule, die die CPU für die Verarbeitung verwendet. Die CPU speichert Befehle oder Binärdaten vor, während und nach ihrer Verarbeitung vorübergehend. Sowohl Mikroprozessoren als auch Mikrocontroller sind mit internen Registern ausgestattet, Mikrocontroller verfügen allerdings oft über mehr Register als Mikrocontroller.
Architektonische Unterschiede: Mikroprozessoren im Vergleich zu Mikrocontrollern
Architektonische Unterschiede: Mikroprozessoren im Vergleich zu Mikrocontrollern
Auch wenn Mikroprozessoren und Mikrocontroller als Computerchips ausgeführt werden, bauen sie auf unterschiedlichen Architekturen auf.
Mikroprozessoren werden mit der Von-Neumann-Architektur entwickelt, bei der sich ein Programm und die Daten im selben Speichermodul befinden. Mikrocontroller verwenden heute die Harvard-Architektur, die den Programmspeicher vom Datenraum trennt.
Mikroprozessoren verfügen über mehr integrierte Schaltungskomponenten als Mikrocontroller. Dieser architektonische Unterschied wirkt sich auf die Designüberlegungen für Mikroprozessoren und Mikrocontroller in Anwendungen mit Computer- und eingebetteten System aus.
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Arbeitsspeicher
Mikroprozessoren haben keine internen Speichermodule zum Speichern von Anwendungsdaten. Entwickler müssen den Mikroprozessor über einen externen Bus mit externen Speichern wie ROM und RAM verbinden.
Ein Bus ist ein Satz paralleler elektrischer Verbindungen, die es dem Mikroprozessor ermöglichen, Daten mit anderen Geräten auszutauschen. Es gibt drei Arten von Bussen:
- Ein Datenbus überträgt Daten
- Ein Adressbus überträgt Informationen darüber, wo Daten gespeichert sind und abgerufen werden können
- Ein Steuerbus überträgt Signale zur Koordination mit anderen elektrischen Komponenten
Alle drei wirken in einem Mikroprozessorsystem zusammen.
Andererseits sind Mikrocontroller mit internen ROM- und RAM-Speichern ausgestattet. Ein Mikrocontroller verwendet einen internen Bus, um mit eingebauten Speichermodulen zu interagieren.
Peripheriegeräte
Peripheriegeräte sind Timer, Kommunikations-, E/A- und andere Einrichtungen, die es Mikrocontrollern oder Mikroprozessoren ermöglichen, mit externen Komponenten oder Benutzern zu interagieren.
Der Mikroprozessor verfügt in seinem integrierten Schaltkreis über keine eingebauten Peripheriegeräte. Um die Anwendungsmöglichkeiten des Mikroprozessors über die mathematische und logische Verarbeitung hinaus zu erweitern, werden Peripheriegeräte stattdessen extern angeschlossen.
Im Gegensatz dazu verbinden sich Mikrocontroller mit über einen internen Steuerbus ihren On-Chip-Peripheriegeräten. Dadurch kann der Mikrocontroller elektronische Geräte mit nur minimalen oder ganz ohne zusätzliche Bauteile steuern.
Rechenkapazität
Mikroprozessoren sind leistungsstarke Computerchips, die komplexe rechnerische und mathematische Aufgaben ausführen können. Da der Mikroprozessor Fließkommaoperationen unterstützt, können sie beispielsweise Statistiksoftware ausführen.
Umgekehrt verfügen Mikrocontroller über eine vergleichsweise geringere Rechenleistung und unterstützen Fließkommaberechnungen nur selten. Stattdessen konzentrieren sie sich auf die Implementierung einer bestimmten Logik, z. B. die Steuerung der Temperatur einer Heizung auf der Grundlage verschiedener Sensoren.
Weitere wichtige Unterschiede: Mikroprozessoren im Vergleich zu Mikrocontrollern
Mikroprozessoren unterstützen vielseitige Rechenoperationen auf Personalcomputern und Unternehmensservern. Mit Mikrocontrollern hingegen können eingebettete Systeme Eingaben in Echtzeit analysieren und darauf zu reagieren.
Wenn Ingenieure Systeme mit Mikroprozessoren und Mikrocontrollern entwickeln, achten sie auf solche Unterschiede.
Taktrate
Mikroprozessoren stellen schnelle und robuste Rechenkapazitäten für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung. Ein moderner Computerprozessor arbeitet im Gigahertz-Bereich (GHz). Dadurch kann ein Computersystem komplexe mathematische Berechnungen durchführen und die Ergebnisse umgehend zurückgeben.
Die Geschwindigkeit von Mikrocontroller hat im Laufe der Jahrzehnte zwar zugenommen, ist aber viel geringer als die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Mikroprozessoren. Je nach Einsatzzweck liegt die Taktrate eines Mikrocontrollers im Bereich von Kilohertz (kHz) bis einige Hundert Megahertz (MHz). Trotz der niedrigeren Geschwindigkeiten kann ein Mikrocontroller innerhalb seines speziellen Anwendungsbereichs optimal eingesetzt werden.
Größe des Schaltkreises
Ein Mikroprozessor kann nicht eigenständig arbeiten. Um ein vollständiges Computersystem zu bilden, stützt er sich auf externe Bauteile wie Kommunikationschips, E/A-Ports, RAM und ROM. Daher umfasst eine auf Mikroprozessoren basierende Schaltung einen Adress- und Datenbus, der viele Peripheriegeräte und Speicherchips miteinander verbindet. Trotz der Fortschritte in der Leiterplattentechnologie (PCB) benötigt ein Mikroprozessorsystem viel Platz.
Der Mikrocontroller hingegen ermöglicht eine platzsparende Bauweise mit einer einfacheren Schaltung. Die meisten Zusatzkomponenten, die ein mikroprozessorbasiertes System benötigt, sind problemlos auf demselben Chip verfügbar. Anstatt von einander getrennte Einzelkomponenten zu verwenden, setzen Ingenieure bei der Entwicklung elektronischer Geräte einen einzigen Mikrocontroller ein. Dieser benötigt auf der elektronischen Leiterplatte weniger Platz, sodass die Ingenieure kompakte Systeme herstellen können.
Stromverbrauch
Mikroprozessoren arbeiten oft mit höherer Geschwindigkeit als Mikrocontroller und verbrauchen mehr Strom. Deshalb benötigen sie eine externe Stromversorgung. Ebenso weist ein auf einer Mikroprozessoreinheit basierendes Computersystem aufgrund der großen Anzahl zusätzlicher Komponenten einen höheren Gesamtstromverbrauch auf.
Heute sind Mikrocontroller so konzipiert, dass sie mit minimalem Stromverbrauch effizient arbeiten. Darüber hinaus verfügen die meisten Mikrocontroller über Energiesparfunktionen, die Mikroprozessoren nicht bieten.
Beispielsweise kann ein Mikrocontroller den Energiesparmodus aktivieren und verbraucht nur wenig Strom, solange er keine Daten verarbeitet. Um Strom zu sparen, können Mikrocontroller zudem interne Peripheriegeräte ausschalten, die nicht verwendet werden. Dadurch eignen sich Mikrocontroller ideal für den Aufbau einer speziellen Anwendung mit geringem Stromverbrauch, die mit gespeicherter Energie betrieben wird.
Betriebssystem
In praktischen Anwendungen benötigen Mikroprozessoren ein Betriebssystem, um die entsprechenden Funktionen bereitzustellen. Ohne ein Betriebssystem müssten die Benutzer dem Mikroprozessor Anweisungen in Assembler- oder Binärsprache erteilen.
Heute benötigen Mikrocontroller kein Betriebssystem mehr, um ausgeführt zu werden. Es gibt jedoch spezielle Betriebssysteme, die Mikrocontrollern der mittleren und oberen Preisklasse helfen, effizienter zu arbeiten.
Anbindung
Mikroprozessoren können vielfältigere Kommunikationstechnologien als Mikrocontroller verarbeiten. Ein Mikroprozessor verarbeitet beispielsweise Hochgeschwindigkeits-USB 3.0- oder Gigabit-Ethernet-Daten ohne einen sekundären Prozessor.
Die meisten Mikrocontroller benötigen für Datenkonnektivität im Hochgeschwindigkeitsbereich jedoch einen speziellen Prozessor.
Kosten
Ein integrierter Mikroprozessorschaltkreis besteht nur aus der CPU, der arithmetischen Logikeinheit (ALU) und Registern. Dadurch sinken die Herstellungskosten pro Einheit. Heute weist ein einzelner Mikrocontroller eine komplexere interne Architektur auf und ist für sich im Allgemeinen teurer als ein Mikroprozessor.
Ein mikroprozessorbasiertes System wird jedoch teurer, da es zusätzliche Komponenten benötigt. Im Gegensatz dazu arbeitet ein Mikrocontroller bei der gewählten Anwendung autark.
Der Mikrocontroller benötigt weniger zusätzliche Komponenten, wodurch Systeme auf Mikrocontroller-Basis billiger werden. Beispielsweise kostet die Leiterplatte einer Klimaanlage mit einem Mikrocontroller weniger als ein Computer-Motherboard mit Mikroprozessoren.
Anwendungsfälle: Mikroprozessoren im Vergleich zu Mikrocontrollern
Wenn Sie sie auf die entsprechenden Anwendungsfälle anwenden, sind sowohl Mikroprozessoren als auch Mikrocontroller nützliche elektronische Komponenten.
Verwenden Sie einen Mikroprozessor, wenn Sie robuste Rechenleistung für komplexe oder unvorhersehbare Rechenaufgaben benötigen. Mikroprozessoren werden in allen Arten von Computergeräten wie Servern, Desktop-Computern und mobilen Computergeräten verwendet. Unternehmen verwenden Server mit vielen Mikroprozessoren für Hochleistungsdatenverarbeitung und zum Ausführen von Anwendungen mit künstlicher Intelligenz (KI).
Andererseits sind Mikrocontroller die bessere Wahl, wenn Sie ein Steuerungssystem mit einem eng definierten Anwendungsbereich aufbauen. Mikrocontroller sind auch nützlich für Systeme, die einen geringen Stromverbrauch erfordern. Manche Mikrocontroller können mit nur einer kleinen Batterie monatelang betrieben werden. Ein Smart-Home-System wird beispielsweise mit Mikrocontrollern betrieben. Auch Kompaktgeräte wie Drohnen oder tragbare Audioplayer enthalten Mikrocontroller.
Zusammenfassung der Unterschiede: Mikroprozessor im Vergleich zu Mikrocontrollern
| Mikroprozessor |
Mikrocontroller |
|
| Arbeitsspeicher |
Erfordert externen Speicher und Datenspeicher. |
On-Chip-Speichermodule (ROM, RAM). |
| Peripheriegeräte |
Benötigt zusätzliche Teile. Verbindet sich mit dem externen Bus. |
On-Chip-Peripheriegeräte (Timer, E/A-Ports, Signalkonverter). |
| Rechenkapazität |
Kann komplexe Rechenaufgaben ausführen. |
Beschränkt auf eine bestimmte Anwendungslogik. |
| Taktrate |
Sehr schnell. GHz-Bereich. |
Schnell, aber langsamer als Mikroprozessoren. Bereich kHz bis MHz. |
| Stromverbrauch |
Hoher Stromverbrauch. Kein Energiesparmodus. |
Verbraucht nur sehr wenig Strom. Integrierte Energiesparmodi. |
| Betriebssystem |
Benötigt Betriebssysteme. |
Das Betriebssystem ist für einige Mikrocontroller optional. |
| Anbindung |
Ermöglicht Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung. Unterstützt USB 3.0 und Gigabit-Ethernet. |
Unterstützt Kommunikation mit niedriger bis mittlerer Geschwindigkeit. Serielle Schnittstelle für Peripheriegeräte (SPI) und I²C. Universeller asynchroner Empfänger-Sender (UART). |
| Kosten |
Teuer wegen der zusätzlichen Komponenten. |
Billiger, weil ein einziger integrierter Schaltkreis mehrere Funktionen erfüllt. |
| Anwendungsfall |
Für generisches Rechnen oder Systeme, die eine robuste Rechenkapazität erfordern. |
Für kompakte Systeme, batteriebetriebene Geräte oder Logikprozessoren. |
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