微控制器MCU與微處理器MPU的界限正在消失

曾有一段時間，微處理器（MPU）與微控制器（MCU）是截然不同的兩種設(shè)備，微控制器完成 “控制”相關(guān)的任務(wù)，根據(jù)外界信號刺激產(chǎn)生反應(yīng)，微處理器主要執(zhí)行處理功能，對數(shù)據(jù)處理和計算能力的要求較高。但如今由于內(nèi)存架構(gòu)的變化，兩者之間的界限正在變得模糊。

事實上，可以通過多種方式區(qū)分微處理器和微控制器，只是業(yè)界尚未對他們的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成共識。不過已經(jīng)有一些人得出結(jié)論，目前兩者之間的準(zhǔn)確區(qū)分都已經(jīng)不再重要了。

“近年來，MCU 和 MPU 之間的區(qū)別變得越來越模糊?！?a href="http://wenjunhu.com/tags/西門子/" target="_blank">西門子業(yè)務(wù)部門的嵌入式軟件技術(shù)專家 Colin Walls 說，“最初，MCU 在一個芯片上集成了 CPU、內(nèi)存和外圍設(shè)備，如今大多數(shù) MCU 依然如此，但因為 MCU 具有足夠強(qiáng)大的功能來支持更復(fù)雜的應(yīng)用程序，附加外部存儲器的 MCU 也變得常見。”

計算芯片的兩個市場

曾經(jīng)有一段時間，計算芯片分為兩個截然不同的市場，大部分芯片設(shè)備主要針對主流計算，性能是最主要的考慮因素，這些單片微型計算機(jī)被稱之為 “微處理器”，為個人計算機(jī)和更大的系統(tǒng)提供動力。

如今我們可以在各種類型的筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器中看到它們，值得注意的是，它們是通用引擎，旨在運(yùn)行事先未知的任何數(shù)量的程序，主內(nèi)存是 DRAM，非易失性存儲是硬盤驅(qū)動器或固態(tài)硬盤。

在不那么主流的嵌入式計算世界里，需要適度計算能力和專門用途，設(shè)計好的程序可能在固件中運(yùn)行，以便讓整個系統(tǒng)（包括程序和所有系統(tǒng)）在出貨之前得以驗證，內(nèi)存需求將受到更多限制，可以將用于存儲代碼的 SRAM 和非易失性內(nèi)存與 CPU 集成到同一塊芯片上，關(guān)鍵一點(diǎn)，實時響應(yīng)通常很重要。

嵌入式計算機(jī)也傾向于在有特殊 I/O 需求的環(huán)境中使用，一些可能是在驅(qū)動電動機(jī)，另一些可能是在處理聲音或讀取傳感器。將專用外圍設(shè)備接口硬件集成到同 CPU 和內(nèi)存相同的芯片上十分有效，這會產(chǎn)生具有不同特性的各種芯片。

總的來說，CPU 與 SRAM、非易失性存儲器和專用外設(shè)集成在一起的被稱之為 “微控制器”。

微處理器發(fā)展至今已經(jīng)多達(dá) 64 位，而微控制器依然是 8 位居多，但在這中間發(fā)生了一些變化，使得兩者之間的區(qū)別更加模糊。

集成式閃存是 MCU 的重要特征，不過這類閃存尚未在擁有最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的微控制器上使用，因此許多以微控制器形式銷售的設(shè)備都使用外部閃存而不是嵌入式閃存，此外還使用外部 DRAM。

實際上，一個稱之為 “shadowing”的過程可以從外部閃存中獲取代碼，并將其復(fù)制到 DRAM 中，然后從中執(zhí)行代碼，而且為了提高性能，緩存也可以包括在內(nèi)。這使得 CPU / 內(nèi)存子系統(tǒng)與 MPU 幾乎沒有區(qū)別。

那么現(xiàn)在的 MCU 就是 MPU 嗎？不再有區(qū)別了嗎？

當(dāng)下可區(qū)分 MCU 與 MPU 的因素

如今的 MCU 和 MPU 十分相似，但依然在很多方面有一些細(xì)微的區(qū)別，這包括 CPU 功能、位數(shù)、操作系統(tǒng)、時序要求、核心數(shù)量等方面。

在 CPU 功能方面，如果 CPU 具有復(fù)雜的流水線，具有預(yù)測執(zhí)行和其他超標(biāo)量功能，則可以將其視為 MPU，但是轉(zhuǎn)變的確切位置并沒有明確界定。

在位數(shù)上，8 位設(shè)備更有可能被視為 MCU，64 位設(shè)備很可能被視為 MPU。不過最早的卻是 MPU 是 4 位，這更像是歷史問題，而不是決定性的特征。

也可以根據(jù)計算機(jī)可運(yùn)行的操作系統(tǒng)進(jìn)行分類，如果它運(yùn)行 Linux，則可以將其稱為 MPU。如果它僅允許較小的實時操作系統(tǒng)，甚至只運(yùn)行裸機(jī)，則可以將其稱為 MCU，這為能夠運(yùn)行的 Linux 的設(shè)備留出了許多中間地帶。在時序方面，MCU 通常用于需要硬或軟實時響應(yīng)的應(yīng)用程序，MPU 通常不能用于這一目的。

一般也將多核處理器視為 MPU，尤其是在內(nèi)核相同且管理對稱的情況下。不過專用設(shè)備可能具有多個處理器，有些專用于諸如數(shù)字信號之類特定任務(wù)的處理器也會被認(rèn)為是 MCU，因此通過核心數(shù)目判斷是 MPU 還是 MCU 并不是一個準(zhǔn)確的依據(jù)。

從使用目的來看，可以認(rèn)為通用設(shè)備是 MPU，單用途設(shè)備是 MCU，但這實際上只關(guān)乎設(shè)備的使用方式，如果在不明確使用目的的情況下使用任何設(shè)備，那時候如何稱呼這一設(shè)備呢？

通常全功能 MPU 不會具有專用外圍設(shè)備，這在很大程度上是因為它們是通用的，而不是面向特定應(yīng)用，因此你可能會認(rèn)為只要有這樣的外圍設(shè)備，就是 MCU，但是事實并非如此，缺少外圍設(shè)備也并不意味著就是 MPU。

從上面的分析來看，每個特征因素都會存在缺陷，結(jié)果無法令人滿意，那么行業(yè)專家又是怎么認(rèn)為的呢？

MCU 和 MPU 已成過時的術(shù)語

Cadence IP 集團(tuán)產(chǎn)品行銷總監(jiān) Marc Greenberg 對此表示：“我不知道 MCU 與 MPU 之間的區(qū)別是否存在某些官方的定義，經(jīng)過簡單的檢索似乎表明，裸片上存在 NVM 的為 MCU，但各種 MPU 上都有 NVM 的某些位，MPU 也可能在同一片裸片上具有 MCU，那又是什么呢？最小的無緩存處理器可能仍具有一些寄存器和 SRAM，用 RTL 編碼的定序器與從 ROM 執(zhí)行的通用處理器真的有區(qū)別嗎？顯然 MCU 和 MPU 之間的區(qū)別有些隨意，這意味著這一界限并不明確甚至可以隨心所欲。當(dāng)我想到 MPU 時，我想到的是用于控制通用計算機(jī)的設(shè)備，例如臺式機(jī)、服務(wù)器、平板電腦等?！?/p>

Cadence 高級工程師 Grant Martin 認(rèn)為：“根據(jù)維基百科的解釋，MCU 是在單個金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路芯片上的小型計算機(jī)，MPU 是一種計算機(jī)處理器，在 MOSFET 結(jié)構(gòu)的單個或多個集成電路上結(jié)合了中央處理單元的功能。”

“如果深入研究，MPU 具有 CPU 的功能，因此它是計算機(jī)處理器，而 MCU 則是更完整的計算機(jī)，這意味著 MCU 內(nèi)包含 MPU，這與常識相反。具有多個處理器核心的 16 路服務(wù)器處理器是否不再是 MPU？而是一種多核異構(gòu) SoC？”

“例如，一部手機(jī)可能包括多個應(yīng)用程序處理內(nèi)核，用于音頻、視頻、圖像處理的多個 DSP，一個或兩個用于在屏幕上呈現(xiàn)圖像的 GPU 以及一個僅用于娛樂目的的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元——MCU。從我的角度來看，行業(yè)應(yīng)該放棄這些過時的術(shù)語，使用更精確更具描述性的術(shù)語。”Grant Martin 繼續(xù)說。

西門子業(yè)務(wù)部門 Mentor 的高級產(chǎn)品經(jīng)理 Jeff Hancock 則認(rèn)為：“從系統(tǒng)軟件的角度來看，MCU 有望適用于直接解釋和控制硬件傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用。這種訪問通常涉及一致且可靠的指令時序，這與通用 MPU 的需求相矛盾。通用 MPU 旨在優(yōu)化吞吐量，而 MCU 通常會優(yōu)化延遲。因此，如果是需要處理大型數(shù)據(jù)庫，MPU 更合適，如果是要精細(xì)的機(jī)電控制，那么 MCU 更合適。

Jeff Hancock 還說：“外部存儲器和緩存肯定讓 MCU 的標(biāo)準(zhǔn)有所變化，但這距離將 MCU 等同于 MPU 還有很長的路要走。特別是并不是所有 MCU 中的所有處理單元都專門使用外部存儲器，也可以使用隔離的子系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)允許關(guān)鍵的工作負(fù)載和不太關(guān)鍵的應(yīng)用程序級系統(tǒng)并行繼續(xù)。”

“從軟件工程師的角度看，這是一個有趣的挑戰(zhàn)，在不連續(xù)的地方可能有兩個內(nèi)存區(qū)域，集成式內(nèi)存雖小，但速度更快，因此最好留給對速度有高要求的代碼，例如實時操作系統(tǒng)。這意味著開發(fā)工具必須足夠靈活以將代碼正確地映射到存儲器上，而 RTOS 必須足夠小適合片上存儲器?！蔽鏖T子業(yè)務(wù)部門的嵌入式軟件技術(shù)專家 Walls 補(bǔ)充到。

Tortuga Logic 的高級硬件安全工程師 Nicole Fern 表示：“過去，MCU 與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。在嵌入式系統(tǒng)中，低成本和低功耗的要求比性能更為重要。但是隨著移動計算和 IoT 邊緣計算的出現(xiàn)，許多嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在需要復(fù)雜的處理，這樣就產(chǎn)生了面向嵌入式領(lǐng)域看起來更像 MPU 的 MCU 產(chǎn)品，為帶有外部存儲器和高速緩存的器件提供了更高的性能和可配置性。這種情況下，術(shù)語 MCU 和 MPU 之間的差異僅取決于是否集成 CPU 系統(tǒng)?！?/p>

Arm 的低功耗 IoT 業(yè)務(wù)高級總監(jiān) Thomas Ensergueix 也認(rèn)為：“近年來，MCU 和 MPU 之間的界限已經(jīng)模糊。MCU 和 MPU 之間的主要區(qū)別之一是軟件和開發(fā)。MPU 將支持豐富的 OS，如 Linux 和相關(guān)的軟件堆棧，而 MCU 通常將專注于裸機(jī)和 RTOS。在決定哪種硬件平臺、MCU 或 MPU 最有效之前，由軟件開發(fā)人員決定哪個軟件環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)最適合他們的應(yīng)用。

“隨著現(xiàn)在 MCU 已經(jīng)過渡到 32 位，我們還看到了性能的急劇提高，這有助于縮小 MCU 和 MPU 之間的差距。例如：許多基于 Arm Cortex-M7 的 MCU 可提供 100 多個 Dhrystone MIPS，或在 CoreMark 中提供 2，000 多個點(diǎn)。這些設(shè)備中的許多設(shè)備還具有非常大的內(nèi)置存儲器，或者提供快速接口來連接外部存儲器。這確保了性能和內(nèi)存不再是 MCU 的瓶頸，并使它們更接近低端 MPU?！?/p>

小結(jié)

如今 MPU 與 MCU 之間是否有明確的界限真的重要嗎？可能不重要了。因為無論我們將其稱之為什么，應(yīng)用程序都有附帶要求，這些要求將決定使用哪個設(shè)備。

責(zé)任編輯：haq