CPU內核中的體系結構差異研究

立即了解微控制器（MCU）領域的高端產品，您將發(fā)現具有與微處理器領域相似的微架構和指令集特性的IC。實際上，德州儀器（TI）和飛思卡爾等公司都提供具有共享傳統(tǒng)的MCU和嵌入式目標微處理器。不過，這兩個細分市場之間存在顯著差異，從公司的芯片設計和制造戰(zhàn)略到集成功能集以及硬件中根深蒂固的軟件支持。嵌入式設計團隊必須仔細考慮他們的應用，以便在考慮設備選擇之前，正確選擇采用MCU或微處理器路徑。從高層次看MCU和微處理器技術，看起來這些細分市場相互對立。兩個陣營中都有兼容或重疊的指令集，并且MCU時鐘頻率已升級到接近微處理器段底端的點。

可擴展系列

讓我們考慮一些似乎是兼容處理器技術平滑發(fā)展的例子，這些技術將MCU產品線推向微處理器領域。飛思卡爾提供基于ARM Cortex-M4內核的Kinetis MCU系列，包括K10，K20，K30，K40和K60 MCU等產品。在微處理器方面，飛思卡爾提供i.MX微處理器系列。 i.MX1/2，i.MXL和i.MXS系列基于ARM9內核。 i.MX3x系列基于ARM11內核，i.MX5x系列基于ARM Cortex-A8內核。

顯然，基于飛思卡爾ARM的產品組合中使用的CPU核心存在差異。我們將在整篇文章中討論內核中的體系結構差異，但在簡化的比較中，它們都支持相同的基本指令集。 Cortex-M4內核針對低功耗和更小的芯片尺寸進行了優(yōu)化。 ARM9，ARM11和ARM Cortex-A8進程基本上代表了性能功能的擴展。我們可以與飛思卡爾基于PowerPC的產品組合進行大致相同的比較，包括MPC6x和MPC7x微處理器系列以及PowerPC MCU系列。

對于TI（圖1），基于ARM的系列和以DSP為中心的處理器都有一個平行的故事。 Stellaris MCU系列基于ARM-Cortex M3內核，包括3000，5000，6000，8000和9000系列MCU。 Sitara微處理器系列包括基于ARM9的AM1x處理器和基于Cortex-A8的ARM3x處理器。

圖1：TI Concerto MCU系列基于該公司的C2000系列架構，結合了ARM Cortex-M3內核和支持浮點的，以DSP為中心的內核。

MCU與微處理器性能的關系

MCU和微處理器領域確實從高層次看起來是連續(xù)的。您幾乎可以考慮兩者之間的邊界，例如，比較16位和32位MCU，您可以在許多應用程序中重疊選擇。但這樣做是錯誤的。讓我們深入挖掘，找出原因。

從某些方面來看，MCU和微處理器從性能角度來看是非常接近的?？紤]EEMBC（Embedded Microprocessor Benchmark Consortium）發(fā)布的CoreMark基準測試。具體來說，讓我們討論從比較中消除時鐘速度的CoreMark/Mhz分數。飛思卡爾Kinetis MCU的公布分數范圍為2.05至2.95。 i.MX5系列的公布分數范圍為2.28至2.45。

Kinetis和i.MX5的性能接近于Kinetis甚至在每MHz的基礎上占據上風。當然我們知道i.MX5速度更快，部分原因是時鐘速度。在i.MX產品組合中，最大時鐘速度從400 MHz擴展到1.2 GHz。最快的Kinetis處理器運行速度為150 MHz，盡管飛思卡爾已經宣布了200 MHz設備的計劃。讓我們根據圖片中的時鐘速度重新考慮CoreMark得分。運行頻率為800 MHz的i.MX5得分為1964，而150 MHz MCU的最高Kinetis得分為427。

時鐘速度差異

實際上，從時鐘速度開始，由于多種原因，MCU和微處理器性能之間仍然存在顯著差距。最大時鐘速度取決于制造過程和CPU微體系結構。

我們都知道隨著制造商將摩爾定律推向更精細的工藝幾何形狀，時鐘速度會上升。 MCU將始終位于較舊的進程上。 TI的C2000營銷經理Sangmin Chon表示，“在MCU中，我們將永遠落后于幾個節(jié)點?！?Chon指出，與微處理器相比，MCU通常部署在更具環(huán)境挑戰(zhàn)性的應用中，例如高溫應用。這一事實導致MCU制造商依賴強大的更保守的工藝節(jié)點。

現在讓我們考慮一些微控制器元件，這些元件將控制MCU的時鐘速度。深度流水線是一項重要功能，可以加快微處理器的時鐘速度。一些微處理器使用了20級或更多級。最近的趨勢更多的是10個階段，而MCU通常依賴于3到5個階段。

我們現在看一個差異很小的例子。飛思卡爾最快的PowerPC MCU基于具有4級的e300內核。 MPC6x和MPC7x微處理器基于具有7級的e600內核。從理論上講，e300內核的運行速度為667 MHz，而e600的運行速度為1.8 Ghz。管道不是唯一的門控因素，但它是一個重要因素。

當然，MCU設計人員可以增加流水線深度，但這樣做與許多公認的MCU特性背道而馳。例如，考慮中斷響應。中斷要求CPU在上下文切換后重新加載管道，因此存在許多沒有完成指令的周期。相對于微處理器，MCU在時鐘速度方面已經處于劣勢，因此管道重載過程會在長管道中產生不可接受的延遲。

長管道也會影響硅足跡，芯片尺寸直接影響成本。微處理器市場更愿意接受更高的價格以獲得更好的性能，而在大多數基于MCU的系統(tǒng)中，成本仍然是一個巨大的問題。

內存注意事項

讓我們繼續(xù)比較MCU中相對于微處理器的內存情況以及內存實現對應用程序的影響。集成內存一直是MCU領域的一個決定性原則，可以追溯到最早的產品，如8051.最初由英特爾設計，它至今仍然很受歡迎，并被許多制造商銷售。

TI的Chon說：“當您想到嵌入式MCU空間時，您會想到具有嵌入式存儲器的設備。”Chon補充說，在大多數應用中，內存要求將指導設計團隊選擇MCU或MPU。大多數基于MCU的設計依靠集成的閃存來存儲代碼.TI的頂級ARM MCU，Stellaris 9000系列，集成了512 KB的閃存（圖2）。目前市場上的MCU集成了幾兆字節(jié)的閃存，但很明顯，MCU可以處理的應用程序的大小受到限制。

圖2：TIS基于ARM Cortex-M3的Stellaris系列中的9000系列MCU集成了512 KB的閃存用于代碼存儲。

然后，片上閃存故事也有例外。例如，恩智浦半導體正在使用一種名為Quad SPI的接口（有時稱為SPIFI用于SPI閃存接口），其中包含許多MCU。 Quad SPI鏈路使用4條線，可以將閃存的訪問速度提高四倍。恩智浦表示，該接口可以產生40 Mbps的讀取速率。

恩智浦基于ARM Cortex-M4的LPC4300 MCU系列中的首批產品未集成任何閃存。實際上，LPC4330和LPC4350 MCU完全依賴于四SPI連接的存儲器。外部閃存被視為MCU存儲器映射的一部分，MCU可以從外部存儲器啟動。即使恩智浦推出集成閃存的LPC4300 MCU，Quad SPI功能也會派上用場，讓設計團隊可以選擇應用中所需的內存量。恩智浦產品營銷經理Gordon Cooper表示，靈活性在多媒體和圖形應用中尤為重要，因為集成閃存可以處理應用程序所需的代碼大小。該接口不提供與微處理器一起使用的高速DRAM接口中的速度類型，但Quad SPI仍然具有MCU中通常不具備的可擴展性。

內存管理或保護

大多數MCU和微處理器之間的另一個主要區(qū)別在于內存管理或保護。這里討論的所有微處理器都將存儲器管理單元（MMU）集成為微體系結構的一個特征。相比之下，大多數MCU集成了通常稱為內存保護單元的內容。

MMU和內存保護單元均可用于對內存空間進行分區(qū)，并保護關鍵任務代碼和數據免遭篡改。例如，內存分區(qū)可以專用于一個CPU任務的私人使用。操作系統(tǒng)還可以保留對存儲區(qū)域的訪問。 MMU更進一步，虛擬化內存空間，允許操作系統(tǒng)無縫訪問碎片存儲器映射。

MMU的存在或缺乏是大多數設計團隊考慮處理器的另一個關鍵指導點。如果您的產品將運行Linux等通用操作系統(tǒng)，則需要MMU。嵌入式應用程序的大多數實時操作系統(tǒng)與MMU或內存保護單元同樣適用。

雖然很少見，但您可以在選定的MCU中找到完整的MMU功能。例如，飛思卡爾PowerPC MCU系列包括一個MMU。 Atmel（圖3）還在其基于ARM9的SAM9產品系列中集成了MMU。

圖3：Atmel的SAM9XE MCU系列基于包含MMU的ARM9內核。大多數MCU僅集成了內存保護單元。

在Atmel的案例中，有一個適用于產品的命名法。 Atmel稱SAM9R和SAM9M系列為嵌入式微處理器。它稱兄弟SAM9XE產品為MCU。嵌入式微處理器提供更高的時鐘速度，最高可達400 MHz，并包括DRAM接口。但是，所有基于ARM9的產品都包含MMU，并且所有產品都以MCU方式集成了外設功能。

周邊集成

已經提到了外設集成，讓我們在這個領域更深入一點。如今，微處理器和MCU都集成了豐富的外設功能，但組合通常存在差異。在微處理器上，您通常會找到主要的數字外設功能。典型示例包括以太網和USB，圖形控制器和音頻控制器。

在MCU空間中，您還可以找到連接外圍設備和圖形控制器，盡管通常針對較小的低分辨率顯示器。但是，在MCU中，您通常會找到許多模擬外設，例如數據轉換器和脈沖寬度調制（PWM）外設。同樣總有例外。前面提到的Atmel嵌入式微處理器包括A/D轉換器和PWM。許多飛思卡爾的i.MX微處理器包括A/D轉換器，定時器，模擬音頻功能和PWM，如圖4所示。

圖4：飛思卡爾i.MX微處理器系列的一些成員包括以模擬為中心的外設，如MCU中常見的外設，包括i.MX251所示的A/D轉換器和PWM。

客戶驅動的決策

盡管微處理器和MCU空間之間存在技術差異，但設計團隊將面臨必須在高端MCU和低端微處理器之間進行選擇的情況。在這些客戶的推動下，IC制造商正在對重疊空間作出反應。 TI的Chon指出，“從微處理器方面來看，我們確實看到線路模糊。”

TI所做的一件事是為其基于ARM9和Cortex-A8的處理器引入StarterWare軟件開發(fā)包。 StarterWare是免費的，在許多情況下無需復雜的操作系統(tǒng)。此外，該工具還可以快速開發(fā)具有USB和網絡堆棧等功能的系統(tǒng)。事實上，該軟件更像是公司隨MCU提供的StellarisWare工具，而不是它歷史上為微處理器客戶提供的基于操作系統(tǒng)的工具。

這也是客戶的需求，推動了TI的ARM-plus-DSP產品在MCU和微控制器領域的發(fā)展。從外部看，您可能會認為TI希望在兩個部分提供類似的架構，從而提供可擴展的性能和功能集。

實際上，客戶出于完全無關的原因推動了ARM-plus-DSP產品。對于TMS320C6A816x和OMAP系列，客戶需要DSP來處理數學密集型的多媒體和通信中心例程，同時還需要能夠托管復雜操作系統(tǒng)和用戶應用程序的處理器。在Concerto MCU的情況下，客戶正在尋找ARM內核的便利性，因此很容易實現USB和網絡堆棧等功能。在MCU的情況下，DSP主要針對工業(yè)類應用，如電機和驅動器的實時控制。

查看應用程序需求

在這里總結我們的討論，消息不是一個簡單的消息。 MCU和微處理器部分正在向重疊方向發(fā)展，有些情況可能會在您的設計中足夠。您應該通過高級別的應用程序要求和選擇來啟動決策過程，例如是否需要強大的操作系統(tǒng)導致微處理器，或者系統(tǒng)占用空間是否要求代碼適合MCU的集成內存。 IC制造商建議，在許多情況下，設計團隊知道他們將遵循MCU或微控制器設計路徑。如果選擇模糊，團隊必須密切評估微處理器外圍集成的增長趨勢，或者MCU中出現的時鐘頻率和外部存儲器支持的不斷增加。正是功能集中當前約定的這些例外可能會導致正確的選擇。