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微處理器MPU和單片機(jī)MCU的區(qū)別

工程師 ? 來源:電子產(chǎn)品世界 ? 作者:電子產(chǎn)品世界 ? 2020-10-27 10:34 ? 次閱讀

每項(xiàng)新應(yīng)用設(shè)計(jì)都需要一個(gè)單片機(jī)微處理器。當(dāng)在兩者之間選擇其一時(shí),需要考慮一些因素。以下是微處理器、單片機(jī)的概述和對比。

考慮選擇微處理器(MPU)或者單片機(jī)(MCU)時(shí),應(yīng)用類型通常是關(guān)鍵因素。另一方面,最終選擇取決于諸如操作系統(tǒng)和內(nèi)存之類的因素。不過,有時(shí)可以將微處理器和單片機(jī)內(nèi)核結(jié)合使用,這稱作異構(gòu)架構(gòu)。

操作系統(tǒng)

對于一些基于Linux或安卓等操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)密集型工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用,需要大量高速連接或功能范圍廣泛的用戶接口,微處理器就是最佳選擇。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)單片機(jī)都沒有操作系統(tǒng),而只有裸機(jī)程序,借助于順序處理循環(huán)和狀態(tài)機(jī),幾乎無需任何人工干預(yù)即可運(yùn)行程序。然而,許多高性能單片機(jī)可以支持諸如FreeRTOS之類的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS),從而以確定性方式實(shí)時(shí)響應(yīng)需要硬實(shí)時(shí)行為的應(yīng)用程序。

作為具有許多免費(fèi)軟件、廣泛硬件支持和不斷發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)的通用操作系統(tǒng),嵌入式Linux取得了巨大的成功。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是沒有用戶或授權(quán)許可費(fèi)用。不過,與嵌入式Linux一起運(yùn)行的應(yīng)用程序至少需要300至400 DMIPS(ARM-Dhrystone MIPS)性能,因此較適合使用微處理器。單片機(jī)沒有足夠的計(jì)算能力和內(nèi)存來應(yīng)付此類應(yīng)用。

如果是用于復(fù)雜或?qū)?shí)時(shí)性要求高的控制系統(tǒng), RTOS則很有用,但至少要配合50 DMIPS的高性能單片機(jī)。這比嵌入式Linux所需的性能要求要少得多。傳統(tǒng)的RTOS設(shè)計(jì)精簡,因此可以在單片機(jī)上運(yùn)行。針對實(shí)時(shí)計(jì)算硬件時(shí),這是合理的,例如用于車輛的防抱死系統(tǒng),若響應(yīng)時(shí)間過長會帶來致命的后果。即使必須支持大量的功能、中斷源和標(biāo)準(zhǔn)通信接口,也建議使用帶有RTOS的單片機(jī)。

內(nèi) 存

微處理器與單片機(jī)之間的另一個(gè)主要區(qū)別是,微處理器依賴外部存儲器來保存和執(zhí)行程序,而單片機(jī)則依賴嵌入式閃存。在微處理器中,程序通常存儲在非易失性存儲器中,例如eMMC或串行閃存。在啟動(dòng)過程中,將其加載到外部DRAM中并在此執(zhí)行啟動(dòng)程序。DRAM和非易失性存儲器都可以具有幾百兆甚至幾千兆字節(jié)容量,這意味著微處理器幾乎從來不受存儲容量限制。但有一個(gè)潛在缺點(diǎn):外部存儲器或許會使得PCB布局的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

即使是當(dāng)前的高性能單片機(jī),例如由意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)生產(chǎn)的STM32H7,最多也僅提供2 MB程序內(nèi)存,對于許多需要操作系統(tǒng)的應(yīng)用而言可能不足。由于程序位于片上內(nèi)存中,因此其優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行啟動(dòng)和重置過程的速度明顯更快。

計(jì)算能力

計(jì)算能力是典型的選擇因素。不過,在這方面,微處理機(jī)與單片機(jī)之間的界線變得模糊了。例如,如果你將ARM體系結(jié)構(gòu)視為單片機(jī)和微處理器市場中分布最廣泛的體系結(jié)構(gòu)之一,這就變得顯而易見了。ARM提供了不同的處理器體系結(jié)構(gòu)以滿足各種要求:

Cortex-A提供了最高性能,并且已經(jīng)針對綜合操作系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。它們主要部署在功能強(qiáng)大的設(shè)備中,比如智能手機(jī)或服務(wù)器。

Cortex-M較小,具有更多的片上外設(shè),但是能耗較低,并且針對嵌入式應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

Dhrystone是比較不同處理器性能的測試基準(zhǔn)。根據(jù)該基準(zhǔn),普通平價(jià)單片機(jī)具有30 DMIPS,而當(dāng)前性能最高的單片機(jī)(包括嵌入式程序閃存)與這些平價(jià)單片機(jī)的差距高達(dá)1027 DMIPS。相比之下,微處理器的起步點(diǎn)約為1000 DMIPS。

能 耗

單片機(jī)在能耗方面表現(xiàn)出色,要比微處理器低很多。盡管微處理器具有節(jié)能模式,但其能耗仍然比典型的單片機(jī)高得多。而且,微處理器使用外部存儲器,因此較難切換到節(jié)能模式。對于需要較長的電池運(yùn)行時(shí)間,并且很少使用或沒有用戶接口的超低功耗應(yīng)用,單片機(jī)是更好的選擇,尤其是對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品或智能電表來說。

連接性

大多數(shù)單片機(jī)和微處理器都配備了所有常規(guī)外圍設(shè)備接口。但是,如果用戶需要的是超高速外圍設(shè)備,在單片機(jī)里是找不到例如千兆以太網(wǎng)這種相關(guān)接口的。盡管這實(shí)際上已成為微處理器中的標(biāo)準(zhǔn)功能單片機(jī)。這是十分合理的,因?yàn)閱纹瑱C(jī)幾乎無法處理這些高速接口所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。一個(gè)關(guān)鍵問題是:是否有足夠的帶寬和通道來處理爆發(fā)的數(shù)據(jù)量?

實(shí)時(shí)表現(xiàn)

當(dāng)實(shí)時(shí)性能是最重要的考慮因素時(shí),單片機(jī)絕對是首選。憑借處理器內(nèi)核、嵌入式閃存和軟件(RTOS或裸機(jī)OS),單片機(jī)可以出色地完成實(shí)時(shí)任務(wù)。因?yàn)镃ortex-A微處理器使用高性能的流水線,用戶可以看到在跳轉(zhuǎn)和中斷期間,隨著流水線的深度不斷增加,延遲時(shí)間也隨之升高。由于OS與微處理器一起執(zhí)行多任務(wù),因此很難實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)操作。

系統(tǒng)基礎(chǔ)IC

由于電源已經(jīng)集成在單片機(jī)中,因此它們僅需要一個(gè)單電平電源。另一方面,微處理器需要許多不同電壓的電源來為內(nèi)核和其它組件供電,所以通常需要一個(gè)特殊配置的電源管理IC(即所謂的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片)來進(jìn)行供電管理。

結(jié) 語

很難說微處理器或單片機(jī)哪個(gè)才是更好的選擇,但經(jīng)驗(yàn)法則是,你應(yīng)該始終權(quán)衡各種利弊條件。以下幾點(diǎn)可以用作大致指導(dǎo):

單片機(jī)非常適合以能耗為主要關(guān)注點(diǎn),且價(jià)格較低的移動(dòng)應(yīng)用以及具有實(shí)時(shí)需求的應(yīng)用。

微處理器則非常適合與操作系統(tǒng)一起運(yùn)行并需要高速接口的密集計(jì)算應(yīng)用。游戲和其他圖形密集型應(yīng)用使用特殊的微處理器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)處理。

責(zé)任編輯:haq

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