MPU還是MCU，不是一個(gè)簡(jiǎn)單選擇的問(wèn)題

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

　　每當(dāng)在為新設(shè)計(jì)選擇正確合理的器件時(shí)，我們可能會(huì)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(jià)格，性能，功耗等方面的影響。當(dāng)然，你可以為新設(shè)計(jì)著手考慮一些直接的技術(shù)方案，但是如果核心器件，無(wú)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(tái)，那么我們可能需要花長(zhǎng)時(shí)間來(lái)做決定，到底是選MCU還是MPU。

　　首先，我們來(lái)看看MCU和MPU的主要差別。一個(gè)典型的MCU通常使用片內(nèi)flash存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)和執(zhí)行程序代碼。以這種方式存儲(chǔ)程序意味著MCU有非?？斓膯?dòng)時(shí)間，上電能夠快速執(zhí)行代碼，片內(nèi)存儲(chǔ)還有個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以加密程序。使用片內(nèi)存儲(chǔ)方式唯一不足就是總存儲(chǔ)空間受MCU本身所限。目前市場(chǎng)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(gè)限制因素。而MPU沒(méi)有存儲(chǔ)空間的限制，MPU使用外部存儲(chǔ)器提供程序和數(shù)據(jù)空間。程序一般放在非易失性存儲(chǔ)器如NAND或者串行Flash內(nèi)，啟動(dòng)時(shí)，程序載入到外部DRAM中，然后開(kāi)始執(zhí)行。這意味著MPU沒(méi)有MCU啟動(dòng)運(yùn)行來(lái)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(gè)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(kāi)發(fā)者往往需要在電路板上設(shè)計(jì)附加的電源轉(zhuǎn)換芯片。

　　從應(yīng)用前景來(lái)看，設(shè)計(jì)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(guò)了MCU能提供的怎么辦?再比如，規(guī)格書(shū)規(guī)定了用戶接口的容量，而MCU由于沒(méi)有足夠大的片內(nèi)存儲(chǔ)器或者達(dá)不到需要的性能，無(wú)法滿足需求怎么辦?當(dāng)著手第一次設(shè)計(jì)，必須要知道的是有很大的可能性產(chǎn)品會(huì)有許多變更情況。如果那樣的話，基于平臺(tái)設(shè)計(jì)方法將是首選的設(shè)計(jì)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(jí)。

　　選擇難以決斷的一個(gè)特征是任何所提供的設(shè)計(jì)都能滿足所需要的處理性能。處理能力通常用Dhrystone MIPS (DMIPS)來(lái)量化，它是測(cè)量處理器運(yùn)算能力最常見(jiàn)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(gè)完整的操作系統(tǒng)，如Linux, Android或者Windows CE，對(duì)你的應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能要求至少300-400 DMIPS。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(chǔ)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(gè)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(duì)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(lái)控制。

　　無(wú)論是針對(duì)消費(fèi)電子還是工業(yè)自動(dòng)化為目標(biāo)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，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(lè)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(huì)受限，但工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)越來(lái)越多使用這種需要操作員交互的方式。對(duì)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(kù)Qt，普遍放在Linux頂部，需要額外的80-100 DMIPS開(kāi)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(jì)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，MPU通常集成一個(gè)嵌入式TFT LCD控制器，這是很有用的。很少有MCU芯片有這個(gè)功能，所以需要添加額外的TFT LCD控制器和驅(qū)動(dòng)元器件。即使一些MCU嵌入了TFT LCD控制器來(lái)?yè)屨际袌?chǎng)，但仍需要足夠大的SRAM來(lái)驅(qū)動(dòng)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(duì)于SRAM來(lái)說(shuō)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(guò)了4.3英寸，會(huì)明確規(guī)定使用MPU。所以，如果說(shuō)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(shuō)，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(huì)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)所用的通信協(xié)議，在使用第三方工具時(shí)應(yīng)當(dāng)檢查代碼空間的壓縮問(wèn)題。當(dāng)應(yīng)用需要高速連通性時(shí)候，特別是使用基于OS的堆棧，要求基于MPU來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

　　另一個(gè)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(shí)/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(shí)性應(yīng)用中將起一個(gè)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(huì)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(shí)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(jiàn)，操作系統(tǒng)即時(shí)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(chǎng)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(shí)行為功能的場(chǎng)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(jì)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(bào)。

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