Prinzipieller Aufbau. Die Grafik zeigt stark vereinfacht den prinzipiellen Aufbau des Mikrocontrollers.
Die CPU (auch Prozessorkern oder Core) ist die zentrale Verarbeitungseinheit des Mikrocontrollers. Mit ihrem Steuerwerk setzt sie Schritt für Schritt das Programm in den entsprechenden elektronischen Ablauf um. Sie nutzt hierzu die Recheneinheit für algebraische und logische Berechnungen und Vergleiche. Die CPU verwendet zudem verschiedene Arbeits- und Hilfsregister, um Daten zwischenzuspeichern und zu bearbeiten.
Als Oszillator dient üblicherweise ein Schwingquarz oder keramischer Oszillator, der an den Mikrocontroller angeschlossen wird. Er versorgt den Mikrocontroller mit dem Zeittakt, durch den die einzelnen Arbeitsabläufe aufeinander abgestimmt werden.
Die Arbeitsregister dienen als Zwischenablage für algebraische und logische Operationen. Das Statusregister zeigt mit seinen Bit-Werten den aktuellen Zustand nach einer Operation an, z.B., ob eine Subtraktion Null ergeben hat. Der Stackpointer zeigt auf die aktuelle Speicherposition des Stapelspeichers, auf dem Werte wie auf einem Stapel abgelegt werden und Wert für Wert wieder abgehoben werden. Der Programmzähler zeigt auf die Speicherstelle des Programm-Befehls, der gerade abgearbeitet wird.
Der interne Bus ermöglicht die elektronische Kommunikation der unterschiedlichen Einheiten des Mikrocontrollers. Über den Adressbus werden Speicherstellen ausgewählt (adressiert), deren Inhalt dann gelesen oder beschrieben werden kann. Der Datenbus transportiert Daten innerhalb des Mikrocontrollers. Die Daten sind in Standard-Mikrocontrollern als 8-Bit-Einheiten organisiert, deren Bits parallel auf 8 Datenleitungen des Datenbusses transportiert werde. Der Steuerbus überträgt Steuersignale der CPU, z.B. Schreib- oder Lese-Signale an den Daten-Speicher.
Der Speicher wird in den meisten Mikrocontrollersystemen in Programm- und Daten-Speicher unterteilt. Die CPU hohlt sich die Programm-Befehle einzeln aus dem Programm-Speicher und speichert andere Daten im Datenspeicher.
Als Programm-Speicher werden meistens EEPROMs oder Flash-Speicher genutzt, die elektrisch gelöscht und dann erneut mit einem Programm beschrieben werden können. Alternativ können EPROMs verwendet werden, die durch Bestrahlung mit UV-Licht gelöscht werden können. Während der Programmausführung werden diese Speicherbausteine nur gelesen. Sie können nur eine begrenzte Anzahl von Programmierungen überstehen, und die Schreibvorgänge sind relativ langsam.
Als Daten-Speicher dienen daher statische oder dynamische RAMs. Sie haben eine geringere Speicherdichte als EPROMs, EEPROMS und Flash-Speicher, können dafür aber auch während der Programmausführung beliebig beschrieben und gelesen werden.
Zähler und Zeitgeber können dazu verwendet werden, den Wechsel von Logik-Pegeln zu zählen und programmierte Signalfolgen zu erzeugen. Anwendungen sind z.B. Zählschaltungen und Steuersignale für Servomotoren.
Ein-und Ausgabe-Ports verbinden den Mikrocontroller über elektrische Anschlusspins mit der Außenwelt. An die Ports können externe Geräte angeschlossen werden, die Daten oder Kommandos vom Mikrocontroller empfangen oder an ihn senden.
Die Interrupt-Verarbeitung kann bei Bedarf ein laufendes Programm unterbrechen und einen speziellen Programm-Teil ausführen. So kann der Mikrocontroller auf Ereignisse reagieren, die eine Sonderbehandlung erfordern, z. B. ein Tastendruck oder die Grenzwertüberschreitung eines Sensormesswertes.
