微處理器、單片機及其外設(shè)：處理還是控制？

考慮選擇微處理器(MPU)或者單片機(MCU)時，應用類型通常是關(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需要硬實時行為的應用程序。

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一起運行的應用程序至少需要300~400 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)存來應付此類應用。

如果是用于復雜或?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)計變得更加復雜。

即使是當前的高性能單片機，例如由意法半導體(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，列舉如下。

●   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1 027 DMIPS。相比之下，微處理器的起步點約為1 000 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。1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。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，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1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1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   異構(gòu)架構(gòu)

盡管如此，微處理器和單片機之間的界線顯然變得越來越模糊。例如，意法半導體推出的STM32MP1帶有1個或2個通常用于微處理器的Cortex-A7內(nèi)核和1個單片機類型的Cortex-M4內(nèi)核。意法半導體的這款功能強大的主控芯片，適用于基于開源軟件，并且需要高性能和大量資源的應用。這為集兩者之長提供了可能性。例如，可以在其中的微處理器內(nèi)核上運行OpenST Linux，而在M4內(nèi)核上運行FreeRTOS，以便滿足過程監(jiān)視中對實時性和安全性的要求。由于這種分離結(jié)構(gòu)，可以使用所有操作系統(tǒng)功能，例如用于觸摸控制和網(wǎng)絡(luò)通信的人機接口，而不會因為實時性影響整個應用的安全要求。當涉及系統(tǒng)啟動的延遲時間或能源消耗時，異構(gòu)架構(gòu)也具有優(yōu)勢，因為可以在任何時間使用更合適的處理器。例如，帶有保留RAM的M4可以在幾毫秒內(nèi)喚醒，而A7則需要長達1 s的延遲時間才能喚醒。

評測板STM32MP157A-EV1配備了許多個接口和1個顯示器（如圖1）。

圖1 評測板STM32MP157A-EV1

STM32MP1的參考設(shè)計

儒卓力提供STM32MP1和評測板(STM32MP157CEV1)及探索套件(STM32MP157C-DK2)，可一起用作參考設(shè)計。開發(fā)人員可從系統(tǒng)設(shè)計支持中受益。

它結(jié)合了STM32MP1主控和1個南亞的4Gb DDR3L SDRAM、1個Kioxia(前稱東芝)的4GB e-MMC和1個作為支持芯片的優(yōu)化電源管理IC STMPIC1。

10   結(jié)論

到底是微處理器，還是單片機？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，你應該始終權(quán)衡各種利弊條件。以下幾點可以用作大致指導。

● 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用以及具有實時需求的應用。

● 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用。游戲和其他圖形密集型應用使用特殊的微處理器進行聯(lián)網(wǎng)處理。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）