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[導(dǎo)讀]曾經(jīng)微控制器(MCU)與微處理器(MPU)是截然不同的兩種器件,微控制器完成“控制”相關(guān)的任務(wù),根據(jù)外界信號刺激產(chǎn)生反應(yīng),微處理器主要執(zhí)行處理功能,對數(shù)據(jù)處理和計算能力的要求較高。但如今由于內(nèi)存架構(gòu)的變化,兩者之間的界限正在變得模糊。像大家熟悉的ST、NXP都推出了MPU,通過對比大家也能發(fā)現(xiàn)MCU和MPU之間有很多共性。


曾經(jīng)微控制器(MCU)與微處理器(MPU)是截然不同的兩種器件,微控制器完成“控制”相關(guān)的任務(wù),根據(jù)外界信號刺激產(chǎn)生反應(yīng),微處理器主要執(zhí)行處理功能,對數(shù)據(jù)處理和計算能力的要求較高。

但如今由于內(nèi)存架構(gòu)的變化,兩者之間的界限正在變得模糊。像大家熟悉的ST、NXP都推出了MPU,通過對比大家也能發(fā)現(xiàn)MCU和MPU之間有很多共性。

事實上,可以通過多種方式區(qū)分微處理器和微控制器,只是業(yè)界尚未對他們的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成共識。不過目前兩者之間的準(zhǔn)確區(qū)分都已經(jīng)不再重要了。

近年來,MCU和MPU之間的區(qū)別變得越來越模糊。最初,MCU在一個芯片上集成了CPU、內(nèi)存和外圍設(shè)備,如今大多數(shù)MCU依然如此,但因為MCU具有足夠強(qiáng)大的功能來支持更復(fù)雜的應(yīng)用程序,附加外部存儲器的MCU也變得常見。

計算芯片的兩個市場

曾經(jīng)有一段時間,計算芯片分為兩個截然不同的市場,大部分芯片設(shè)備主要針對主流計算,性能是最主要的考慮因素,這些單片微型計算機(jī)被稱之為“微處理器”,為個人計算機(jī)和更大的系統(tǒng)提供動力。

如今我們可以在各種類型的筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器中看到它們,值得注意的是,它們是通用引擎,旨在運行事先未知的任何數(shù)量的程序,主內(nèi)存是DRAM,非易失性存儲是硬盤驅(qū)動器或固態(tài)硬盤。

在不那么主流的嵌入式計算世界里,需要適度計算能力和專門用途,設(shè)計好的程序可能在固件中運行,以便讓整個系統(tǒng)(包括程序和所有系統(tǒng))在出貨之前得以驗證,內(nèi)存需求將受到更多限制,可以將用于存儲代碼的SRAM和非易失性內(nèi)存與CPU集成到同一塊芯片上,關(guān)鍵一點,實時響應(yīng)通常很重要。

嵌入式計算機(jī)也傾向于在有特殊I/O需求的環(huán)境中使用,一些可能是在驅(qū)動電動機(jī),另一些可能是在處理聲音或讀取傳感器。將專用外圍設(shè)備接口硬件集成到同CPU和內(nèi)存相同的芯片上十分有效,這會產(chǎn)生具有不同特性的各種芯片。

總的來說,CPU與SRAM、非易失性存儲器和專用外設(shè)集成在一起的被稱之為“微控制器”。


微處理器發(fā)展至今已經(jīng)多達(dá)64位,而微控制器依然是8位居多,但在這中間發(fā)生了一些變化,使得兩者之間的區(qū)別更加模糊。

集成式閃存是MCU的重要特征,不過這類閃存尚未在擁有最先進(jìn)節(jié)點的微控制器上使用,因此許多以微控制器形式銷售的設(shè)備都使用外部閃存而不是嵌入式閃存,此外還使用外部DRAM。

實際上,一個稱之為“shadowing”的過程可以從外部閃存中獲取代碼,并將其復(fù)制到DRAM中,然后從中執(zhí)行代碼,而且為了提高性能,緩存也可以包括在內(nèi)。這使得CPU/內(nèi)存子系統(tǒng)與MPU幾乎沒有區(qū)別。

那么現(xiàn)在的MCU就是MPU嗎?不再有區(qū)別了嗎?

區(qū)分MCU與MPU的因素

如今的MCU和MPU十分相似,但依然在很多方面有一些細(xì)微的區(qū)別,這包括CPU功能、位數(shù)、操作系統(tǒng)、時序要求、核心數(shù)量等方面。

在CPU功能方面,如果CPU具有復(fù)雜的流水線,具有預(yù)測執(zhí)行和其他超標(biāo)量功能,則可以將其視為MPU,但是轉(zhuǎn)變的確切位置并沒有明確界定。

在位數(shù)上,8位設(shè)備更有可能被視為MCU,64位設(shè)備很可能被視為MPU。不過最早的卻是MPU是4位,這更像是歷史問題,而不是決定性的特征。

也可以根據(jù)計算機(jī)可運行的操作系統(tǒng)進(jìn)行分類,如果它運行Linux,則可以將其稱為MPU。如果它僅允許較小的實時操作系統(tǒng),甚至只運行裸機(jī),則可以將其稱為MCU,這為能夠運行的Linux的設(shè)備留出了許多中間地帶。在時序方面,MCU通常用于需要硬或軟實時響應(yīng)的應(yīng)用程序,MPU通常不能用于這一目的。

一般也將多核處理器視為MPU,尤其是在內(nèi)核相同且管理對稱的情況下。不過專用設(shè)備可能具有多個處理器,有些專用于諸如數(shù)字信號之類特定任務(wù)的處理器也會被認(rèn)為是MCU,因此通過核心數(shù)目判斷是MPU還是MCU并不是一個準(zhǔn)確的依據(jù)。

從使用目的來看,可以認(rèn)為通用設(shè)備是MPU,單用途設(shè)備是MCU,但這實際上只關(guān)乎設(shè)備的使用方式,如果在不明確使用目的的情況下使用任何設(shè)備,那時候如何稱呼這一設(shè)備呢?

通常全功能MPU不會具有專用外圍設(shè)備,這在很大程度上是因為它們是通用的,而不是面向特定應(yīng)用,因此你可能會認(rèn)為只要有這樣的外圍設(shè)備,就是MCU,但是事實并非如此,缺少外圍設(shè)備也并不意味著就是MPU。

從上面的分析來看,每個特征因素都會存在缺陷,結(jié)果無法令人滿意,那么行業(yè)專家又是怎么認(rèn)為的呢?

MCU和MPU已成“過時”的術(shù)語

Cadence IP集團(tuán)產(chǎn)品行銷總監(jiān)Marc Greenberg對此表示:“我不知道MCU與MPU之間的區(qū)別是否存在某些官方的定義,經(jīng)過簡單的檢索似乎表明,裸片上存在NVM的為MCU,但各種MPU上都有NVM的某些位,MPU也可能在同一片裸片上具有MCU,那又是什么呢?最小的無緩存處理器可能仍具有一些寄存器和SRAM,用RTL編碼的定序器與從ROM執(zhí)行的通用處理器真的有區(qū)別嗎?顯然MCU和MPU之間的區(qū)別有些隨意,這意味著這一界限并不明確甚至可以隨心所欲。當(dāng)我想到MPU時,我想到的是用于控制通用計算機(jī)的設(shè)備,例如臺式機(jī)、服務(wù)器、平板電腦等?!?/span>

Cadence高級工程師Grant Martin認(rèn)為:“根據(jù)維基百科的解釋,MCU是在單個金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路芯片上的小型計算機(jī),MPU是一種計算機(jī)處理器,在MOSFET結(jié)構(gòu)的單個或多個集成電路上結(jié)合了中央處理單元的功能?!?/span>

“如果深入研究,MPU具有CPU的功能,因此它是計算機(jī)處理器,而MCU則是更完整的計算機(jī),這意味著MCU內(nèi)包含MPU,這與常識相反。具有多個處理器核心的16路服務(wù)器處理器是否不再是MPU?而是一種多核異構(gòu)SoC?”


“例如,一部手機(jī)可能包括多個應(yīng)用程序處理內(nèi)核,用于音頻、視頻、圖像處理的多個DSP,一個或兩個用于在屏幕上呈現(xiàn)圖像的GPU以及一個僅用于娛樂目的的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元——MCU。從我的角度來看,行業(yè)應(yīng)該放棄這些過時的術(shù)語,使用更精確更具描述性的術(shù)語?!盙rant Martin繼續(xù)說。

西門子業(yè)務(wù)部門Mentor的高級產(chǎn)品經(jīng)理Jeff Hancock則認(rèn)為:“從系統(tǒng)軟件的角度來看,MCU有望適用于直接解釋和控制硬件傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用。這種訪問通常涉及一致且可靠的指令時序,這與通用MPU的需求相矛盾。通用MPU旨在優(yōu)化吞吐量,而MCU通常會優(yōu)化延遲。因此,如果是需要處理大型數(shù)據(jù)庫,MPU更合適,如果是要精細(xì)的機(jī)電控制,那么MCU更合適。

Jeff Hancock還說:“外部存儲器和緩存肯定讓MCU的標(biāo)準(zhǔn)有所變化,但這距離將MCU等同于MPU還有很長的路要走。特別是并不是所有MCU中的所有處理單元都專門使用外部存儲器,也可以使用隔離的子系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng),這些子系統(tǒng)允許關(guān)鍵的工作負(fù)載和不太關(guān)鍵的應(yīng)用程序級系統(tǒng)并行繼續(xù)。”

“從軟件工程師的角度看,這是一個有趣的挑戰(zhàn),在不連續(xù)的地方可能有兩個內(nèi)存區(qū)域,集成式內(nèi)存雖小,但速度更快,因此最好留給對速度有高要求的代碼,例如實時操作系統(tǒng)。這意味著開發(fā)工具必須足夠靈活以將代碼正確地映射到存儲器上,而RTOS必須足夠小適合片上存儲器?!蔽鏖T子業(yè)務(wù)部門的嵌入式軟件技術(shù)專家Walls補(bǔ)充到。

Tortuga Logic的高級硬件安全工程師Nicole Fern表示:“過去,MCU與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。在嵌入式系統(tǒng)中,低成本和低功耗的要求比性能更為重要。但是隨著移動計算和IoT邊緣計算的出現(xiàn),許多嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在需要復(fù)雜的處理,這樣就產(chǎn)生了面向嵌入式領(lǐng)域看起來更像MPU的MCU產(chǎn)品,為帶有外部存儲器和高速緩存的器件提供了更高的性能和可配置性。這種情況下,術(shù)語MCU和MPU之間的差異僅取決于是否集成CPU系統(tǒng)。”

Arm的低功耗IoT業(yè)務(wù)高級總監(jiān)Thomas Ensergueix也認(rèn)為:近年來,MCU和MPU之間的界限已經(jīng)模糊。MCU和MPU之間的主要區(qū)別之一是軟件和開發(fā)。MPU將支持豐富的OS,如Linux和相關(guān)的軟件堆棧,而MCU通常將專注于裸機(jī)和RTOS。在決定哪種硬件平臺、MCU或MPU最有效之前,由軟件開發(fā)人員決定哪個軟件環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)最適合他們的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)在MCU已經(jīng)過渡到32位,我們還看到了性能的急劇提高,這有助于縮小MCU和MPU之間的差距。例如:許多基于Arm Cortex-M7的MCU可提供100多個Dhrystone MIPS,或在CoreMark中提供2,000多個點。這些設(shè)備中的許多設(shè)備還具有非常大的內(nèi)置存儲器,或者提供快速接口來連接外部存儲器。這確保了性能和內(nèi)存不再是MCU的瓶頸,并使它們更接近低端MPU。

小結(jié)

如今MPU與MCU之間是否有明確的界限真的重要嗎?可能不重要了。因為無論我們將其稱之為什么,應(yīng)用程序都有附帶要求,這些要求將決定使用哪個設(shè)備。

END

直接來源:strongerHuang

來源:https://semiengineering.com/mpu-vs-mcu/


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