MPU和MCU的區(qū)別和選擇技巧

當(dāng)為你的下一個設(shè)計方案選擇正確的核心處理器件時，你應(yīng)該考慮哪些因素呢？本文將對MPU和MCU做些對比分析，并以此對器件的選擇給出一些指導(dǎo)性建議和意見。

每當(dāng)在為新設(shè)計選擇正確合理的器件時，我們可能會有些茫然不知所措。這是需要做正確的平衡處理的事，包括價格，性能，功耗等方面的影響。當(dāng)然，你可以為新設(shè)計著手考慮一些直接的技術(shù)方案，但是如果核心器件，無論是微控制器還是微處理器成為一系列新產(chǎn)品的基礎(chǔ)平臺，那么我們可能需要花長時間來做決定，到底是選MCU還是MPU。

首先，我們來看看MCU和MPU的主要差別。

一個典型的MCU通常使用片內(nèi)flash存儲器來存儲和執(zhí)行程序代碼。以這種方式存儲程序意味著MCU有非?？斓膯訒r間，上電能夠快速執(zhí)行代碼，片內(nèi)存儲還有個優(yōu)勢是可以加密程序。使用片內(nèi)存儲方式唯一不足就是總存儲空間受MCU本身所限。目前市場上絕大多數(shù)flash型MCU最大空間為2M字節(jié)，從各種應(yīng)用上看，這證明了是一個限制因素。而MPU沒有存儲空間的限制，MPU使用外部存儲器提供程序和數(shù)據(jù)空間。程序一般放在非易失性存儲器如NAND或者串行Flash內(nèi)，啟動時，程序載入到外部DRAM中，然后開始執(zhí)行。這意味著MPU沒有MCU啟動運(yùn)行來的快，但MPU可擴(kuò)展的外部DRAM和NVM容量能達(dá)到數(shù)百M(fèi)bytes，甚至上Gbytes。

另一個不同是供電，一般MCU僅僅需要單電壓供電，而MPU需要幾路不同的電壓分別給IO，內(nèi)核，DDR等供電，開發(fā)者往往需要在電路板上設(shè)計附加的電源轉(zhuǎn)換芯片。

從應(yīng)用前景來看，設(shè)計規(guī)范的某些方面可能要求以特殊方式選擇器件。例如，外設(shè)接口通道數(shù)需求超過了MCU能提供的怎么辦？再比如，規(guī)格書規(guī)定了用戶接口的容量，而MCU由于沒有足夠大的片內(nèi)存儲器或者達(dá)不到需要的性能，無法滿足需求怎么辦？當(dāng)著手第一次設(shè)計，必須要知道的是有很大的可能性產(chǎn)品會有許多變更情況。如果那樣的話，基于平臺設(shè)計方法將是首選的設(shè)計方法，這將保證更充足的功耗和接口富余，以適應(yīng)以后的功能升級。

選擇難以決斷的一個特征是任何所提供的設(shè)計都能滿足所需要的處理性能。處理能力通常用Dhrystone MIPS (DMIPS)來量化，它是測量處理器運(yùn)算能力最常見指標(biāo)之一。例如，一顆基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的Atmel SAM4系列MCU處理率為150 DMIPS，而一顆ARM Cortex-A5處理器MPU，如SAMA5D3能達(dá)到850 DMIPS。一種估算DMIPS需求的方式是觀察可能導(dǎo)致性能惡化的局部應(yīng)用。運(yùn)行一個完整的操作系統(tǒng)，如Linux, Android或者Windows CE，對你的應(yīng)用來說可能要求至少300-400 DMIPS。對許多應(yīng)用來說，能夠滿足RTOS并且有50 DMIPS的足夠?qū)捲＜纯伞Ｊ褂肦TOS還有其他好處，只需要很少的存儲空間，一般內(nèi)核僅僅需要幾KB到幾十KB的容量。然而，為了運(yùn)行完整的操作系統(tǒng)，需要一個內(nèi)存管理單元(MMU)，依次指定處理器內(nèi)核的使用執(zhí)行，這就要求更快的處理運(yùn)算能力。對于運(yùn)行大量數(shù)字運(yùn)算的應(yīng)用，額外的DMIPS需要保留給OS以及其他的通信和控制任務(wù)。所以，越是基于海量運(yùn)算的應(yīng)用，越應(yīng)該考慮使用MPU來控制。

無論是針對消費(fèi)電子還是工業(yè)自動化為目標(biāo)的應(yīng)用設(shè)計，用戶界面(UI)都需要認(rèn)真考慮。作為消費(fèi)者，我們已經(jīng)熟悉并樂于使用多彩色直觀的用戶圖形界面。盡管操作員的操作環(huán)境多少會受限，但工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)越來越多使用這種需要操作員交互的方式。對于用戶界面(UI)，有許多要素。

第一，處理運(yùn)算額外的需求，如UI庫Qt，普遍放在Linux頂部，需要額外的80-100 DMIPS開銷。

第二，是和UI的復(fù)雜度相關(guān)，越是豐富多彩，富于變化的多媒體圖像顯示，就需要越快的處理能力和越多的內(nèi)存，并且隨著解析度的增加，這種需求成比例的增加，這也是為什么以UI為中心的設(shè)計更適合用MPU的原因。相反，低解析度的靜態(tài)圖像UI可以使用MCU尋址。

另一個關(guān)鍵點(diǎn)是，MPU通常集成一個嵌入式TFT LCD控制器，這是很有用的。很少有MCU芯片有這個功能，所以需要添加額外的TFT LCD控制器和驅(qū)動元器件。即使一些MCU嵌入了TFT LCD控制器來搶占市場，但仍需要足夠大的SRAM來驅(qū)動顯示。

例如，QVGA 320 x 240分辨率16bit色彩的屏幕需要150K字節(jié)的SRAM。對于SRAM來說這是相當(dāng)大的容量，所以可能需要額外多的內(nèi)存和器件。更加復(fù)雜先進(jìn)的圖形用戶界面，特別是屏幕超過了4.3英寸，會明確規(guī)定使用MPU。

所以，如果說在彩色TFT屏幕上運(yùn)行用戶圖形界面是把MPU當(dāng)做核心，那么分段點(diǎn)狀矩陣LCD屏和其他帶有串行接口的顯示屏就以MCU為核心。

從連接性角度說，大多數(shù)MCU和MPU可以利用一切通用外設(shè)接口。但諸如USB2.0，以太網(wǎng)等高速通信外設(shè)接口通常只有MPU會配備，因?yàn)镸PU更具有處理大量數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)通信中是否有足夠的通道和帶寬是個關(guān)鍵問題。根據(jù)所用的通信協(xié)議，在使用第三方工具時應(yīng)當(dāng)檢查代碼空間的壓縮問題。當(dāng)應(yīng)用需要高速連通性時候，特別是使用基于OS的堆棧，要求基于MPU來設(shè)計系統(tǒng)。

另一個決定使用MCU還是MPU的關(guān)鍵方面是根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時/確定性的行為。由于MCU處理器內(nèi)核嵌入了flash，軟件要么是RTOS要么是C，這決定了MCU在大多數(shù)即時性應(yīng)用中將起一個至關(guān)重要的角色。

最后一點(diǎn)需要考慮的是功耗。雖然MPU有低功耗模式，但不會像典型MCU那樣低?？紤]到附加的硬件部分，MPU在使用低功耗模式時有更多的附加因素，這可能使系統(tǒng)變的更復(fù)雜。

同樣，MCU實(shí)際功耗大大低于MPU，低功耗模式中，SRAM和寄存器需要保持，這是要考慮的因素。顯而易見，操作系統(tǒng)即時的從休眠模式中恢復(fù)運(yùn)行和RAM直接相關(guān)。做出選擇基于MCU還是MPU的決定牽涉到性能，容量，預(yù)算成本。

一般而言，MCU趨向于低成本低功耗解決方案，MPU趨向于功能充足，高性能的場合。MCU趨向于在遠(yuǎn)程控制，消費(fèi)電子，智能儀器儀表等低功耗應(yīng)用上，這些應(yīng)用強(qiáng)調(diào)電池的使用壽命，極少使用用戶圖形交互界面，MCU也使用在需要即時行為功能的場合。MPU則是基于操作系統(tǒng)的工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用的理想選擇，這些應(yīng)用通常有大量的計算，高速的互聯(lián)性，或者強(qiáng)大用戶圖形交互界面。

選擇一家可以提供高兼容性MCU和MPU產(chǎn)品的廠商，你能很容易移植，使軟件代碼的重復(fù)使用率最大，獲得最好的投資回報。