微處理器、單片機(jī)及其外設(shè):處理還是控制？

作者：儒卓力數(shù)字產(chǎn)品經(jīng)理王灝時間：2020-10-15 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：每項新應(yīng)用設(shè)計都需要一個單片機(jī)或微處理器。當(dāng)在兩者之間選擇其一時，需要考慮一些因素。以下是微處理器、單片機(jī)以及異構(gòu)架構(gòu)的概述。

考慮選擇微處理器(MPU)或者單片機(jī)(MCU)時，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)。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202010/419242.htm

操作系統(tǒng)

對于一些基于Linux或安卓等操作系統(tǒng)的計算機(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。這是因為大多數(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)時操作系統(tǒng)(RTOS)，從而以確定性方式實(shí)時響應(yīng)需要硬實(shí)時行為的應(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)計精簡，因此可以在單片機(jī)上運(yùn)行。針對實(shí)時計算硬件時，這是合理的，例如用于車輛的防抱死系統(tǒng)，若響應(yīng)時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。在啟動過程中，將其加載到外部DRAM中并在此執(zhí)行啟動程序。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。但有一個潛在缺點(diǎn)：外部存儲器或許會使得PCB布局的設(shè)計變得更加復(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)行啟動和重置過程的速度明顯更快。

計算能力

計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，因為單片機(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)時表現(xiàn)

當(dāng)實(shí)時性能是最重要的考慮因素時，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)時任務(wù)。因為Cortex-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。

異構(gòu)架構(gòu)

盡管如此，微處理器和單片機(jī)之間的界線顯然變得越來越模糊。意法半導(dǎo)體推出的STM32MP1帶有一個或兩個通常用于微處理器的Cortex-A7內(nèi)核和一個單片機(jī)類型的Cortex-M4內(nèi)核。意法半導(dǎo)體的這款功能強(qiáng)大的主控芯片，適用于基于開源軟件，并且需要高性能和大量資源的應(yīng)用。這為集兩者之長提供了可能性。例如，可以在其中的微處理器內(nèi)核上運(yùn)行OpenST Linux，而在M4內(nèi)核上運(yùn)行FreeRTOS，以便滿足過程監(jiān)視中對實(shí)時性和安全性的要求。由于這種分離結(jié)構(gòu)，可以使用所有操作系統(tǒng)功能，例如用于觸摸控制和網(wǎng)絡(luò)通信的人機(jī)接口，而不會因為實(shí)時性影響整個應(yīng)用的安全要求。當(dāng)涉及系統(tǒng)啟動的延遲時間或能源消耗時，異構(gòu)架構(gòu)也具有優(yōu)勢，因為可以在任何時間使用更合適的處理器。例如，帶有保留RAM的M4可以在幾毫秒內(nèi)喚醒，而A7則需要長達(dá)一秒鐘的延遲時間才能喚醒。