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你知道嗎？MCU與MPU之間的界限正在消失

時(shí)間：2020-12-24 10:03:13
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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(hào)刺激產(chǎn)生反應(yīng)，微處理器主要執(zhí)行處理功能，對(duì)數(shù)據(jù)處理和計(jì)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(guò)對(duì)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(hào)刺激產(chǎn)生反應(yīng)，微處理器主要執(zhí)行處理功能，對(duì)數(shù)據(jù)處理和計(jì)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(guò)對(duì)比大家也能發(fā)現(xiàn)MCU和MPU之間有很多共性。

事實(shí)上，可以通過(guò)多種方式區(qū)分微處理器和微控制器，只是業(yè)界尚未對(duì)他們的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成共識(shí)。不過(guò)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(lái)，MCU和MPU之間的區(qū)別變得越來(lái)越模糊。最初，MCU在一個(gè)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?yàn)镸CU具有足夠強(qiáng)大的功能來(lái)支持更復(fù)雜的應(yīng)用程序，附加外部存儲(chǔ)器的MCU也變得常見(jiàn)。

計(jì)算芯片的兩個(gè)市場(chǎng)

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

如今我們可以在各種類型的筆記本電腦、臺(tái)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(yùn)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(chǔ)是硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或固態(tài)硬盤(pán)。

在不那么主流的嵌入式計(jì)算世界里，需要適度計(jì)算能力和專門用途，設(shè)計(jì)好的程序可能在固件中運(yùn)行，以便讓整個(gè)系統(tǒng)（包括程序和所有系統(tǒng)）在出貨之前得以驗(yàn)證，內(nèi)存需求將受到更多限制，可以將用于存儲(chǔ)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(diǎn)，實(shí)時(shí)響應(yīng)通常很重要。

嵌入式計(jì)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(dòng)電動(dòng)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(huì)產(chǎn)生具有不同特性的各種芯片。

總的來(lái)說(shuō)，CPU與SRAM、非易失性存儲(chǔ)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(guò)這類閃存尚未在擁有最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)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(shí)際上，一個(gè)稱之為“shadowing”的過(guò)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(méi)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(shí)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(cè)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(méi)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(guò)最早的卻是MPU是4位，這更像是歷史問(wèn)題，而不是決定性的特征。

也可以根據(jù)計(jì)算機(jī)可運(yùn)行的操作系統(tǒng)進(jìn)行分類，如果它運(yùn)行Linux，則可以將其稱為MPU。如果它僅允許較小的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，甚至只運(yùn)行裸機(jī)，則可以將其稱為MCU，這為能夠運(yùn)行的Linux的設(shè)備留出了許多中間地帶。在時(shí)序方面，MCU通常用于需要硬或軟實(shí)時(shí)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(duì)稱的情況下。不過(guò)專用設(shè)備可能具有多個(gè)處理器，有些專用于諸如數(shù)字信號(hào)之類特定任務(wù)的處理器也會(huì)被認(rèn)為是MCU，因此通過(guò)核心數(shù)目判斷是MPU還是MCU并不是一個(gè)準(zhǔn)確的依據(jù)。

從使用目的來(lái)看，可以認(rèn)為通用設(shè)備是MPU，單用途設(shè)備是MCU，但這實(shí)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(shí)候如何稱呼這一設(shè)備呢？

通常全功能MPU不會(huì)具有專用外圍設(shè)備，這在很大程度上是因?yàn)樗鼈兪峭ㄓ玫?，而不是面向特定?yīng)用，因此你可能會(huì)認(rèn)為只要有這樣的外圍設(shè)備，就是MCU，但是事實(shí)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(lái)看，每個(gè)特征因素都會(huì)存在缺陷，結(jié)果無(wú)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(guò)時(shí)”的術(shù)語(yǔ)

Cadence IP集團(tuán)產(chǎn)品行銷總監(jiān)Marc Greenberg對(duì)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(guò)簡(jiǎn)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(wú)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(shí)，我想到的是用于控制通用計(jì)算機(jī)的設(shè)備，例如臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器、平板電腦等?！?/span>

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

“如果深入研究，MPU具有CPU的功能，因此它是計(jì)算機(jī)處理器，而MCU則是更完整的計(jì)算機(jī)，這意味著MCU內(nèi)包含MPU，這與常識(shí)相反。具有多個(gè)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(gè)應(yīng)用程序處理內(nèi)核，用于音頻、視頻、圖像處理的多個(gè)DSP，一個(gè)或兩個(gè)用于在屏幕上呈現(xiàn)圖像的GPU以及一個(gè)僅用于娛樂(lè)目的的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元——MCU。從我的角度來(lái)看，行業(yè)應(yīng)該放棄這些過(guò)時(shí)的術(shù)語(yǔ)，使用更精確更具描述性的術(shù)語(yǔ)。”Grant Martin繼續(xù)說(shuō)。

西門子業(yè)務(wù)部門Mentor的高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Jeff Hancock則認(rèn)為：“從系統(tǒng)軟件的角度來(lái)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(wèn)通常涉及一致且可靠的指令時(shí)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(huì)優(yōu)化延遲。因此，如果是需要處理大型數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shuō)：“外部存儲(chǔ)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(zhǎng)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(chǔ)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(jí)系統(tǒng)并行繼續(xù)?！?/span>

“從軟件工程師的角度看，這是一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)，在不連續(xù)的地方可能有兩個(gè)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(duì)速度有高要求的代碼，例如實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這意味著開(kāi)發(fā)工具必須足夠靈活以將代碼正確地映射到存儲(chǔ)器上，而RTOS必須足夠小適合片上存儲(chǔ)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(jí)硬件安全工程師Nicole Fern表示：“過(guò)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(dòng)計(jì)算和IoT邊緣計(jì)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(lái)更像MPU的MCU產(chǎn)品，為帶有外部存儲(chǔ)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(yǔ)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(jí)總監(jiān)Thomas Ensergueix也認(rèn)為：近年來(lái)，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(kāi)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(tái)、MCU或MPU最有效之前，由軟件開(kāi)發(fā)人員決定哪個(gè)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(guò)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(gè)Dhrystone MIPS，或在CoreMark中提供2,000多個(gè)點(diǎn)。這些設(shè)備中的許多設(shè)備還具有非常大的內(nèi)置存儲(chǔ)器，或者提供快速接口來(lái)連接外部存儲(chǔ)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?yàn)闊o(wú)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(gè)設(shè)備。

END

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