如何考慮選擇微處理器(MPU)或者單片機(MCU)

每項新應(yīng)用設(shè)計都需要一個單片機或微處理器。當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、單片機的概述和對比。

考慮選擇微處理器(MPU)或者單片機(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內(nèi)核結(jié)合使用，這稱作異構(gòu)架構(gòu)。

1、操作系統(tǒng)

對于一些基于Linux或安卓等操作系統(tǒng)的計算機密集型工業(yè)和消費類應(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)單片機都沒有操作系統(tǒng)，而只有裸機程序，借助于順序處理循環(huán)和狀態(tài)機，幾乎無需任何人工干預(yù)即可運行程序。

然而，許多高性能單片機可以支持諸如FreeRTOS之類的實時操作系統(tǒng)(RTOS)，從而以確定性方式實時響應(yīng)需要硬實時行為的應(yīng)用程序。

作為具有許多免費軟件、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)點就是沒有用戶或授權(quán)許可費用。不過，與嵌入式Linux一起運行的應(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)崟r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。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，因此可以在單片機上運行。

針對實時計算硬件時，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、中斷源和標準通信接口，也建議使用帶有RTOS的單片機。

2、內(nèi)存

微處理器與單片機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：外部存儲器或許會使得PCB布局的設(shè)計變得更加復(fù)雜。

即使是當前的高性能單片機，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)點是執(zhí)行啟動和重置過程的速度明顯更快。

3、計算能力

計算能力是典型的選擇因素。不過，在這方面，微處理機與單片機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)進行了優(yōu)化。它們主要部署在功能強大的設(shè)備中，比如智能手機或服務(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)用進行了優(yōu)化。

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

4、能耗

單片機在能耗方面表現(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，單片機是更好的選擇，尤其是對于消費類電子產(chǎn)品或智能電表來說。

5、連接性

大多數(shù)單片機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。盡管這實際上已成為微處理器中的標準功能單片機。這是十分合理的，因為單片機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？

6、實時表現(xiàn)

當實時性能是最重要的考慮因素時，單片機絕對是首選。憑借處理器內(nèi)核、嵌入式閃存和軟件(RTOS或裸機OS)，單片機可以出色地完成實時任務(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)，因此很難實現(xiàn)硬實時操作。

7、系統(tǒng)基礎(chǔ)IC

由于電源已經(jīng)集成在單片機中，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）來進行供電管理。

8、總結(jié)

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

單片機非常適合以能耗為主要關(guān)注點，且價格較低的移動應(yīng)用以及具有實時需求的應(yīng)用。
微處理器則非常適合與操作系統(tǒng)一起運行并需要高速接口的密集計算應(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行聯(lián)網(wǎng)處理。

審核編輯：何安