嵌入式系統(tǒng)中微處理器的新變化

微控制器(MCU)和微處理器(MPU)有哪些不同之處?簡單來說，兩者都是嵌入式系統(tǒng)的大腦。幾年前，兩者之間有非常明顯的區(qū)別，功能截然不同，對開發(fā)者的研發(fā)技能要求也大不相同。如今，這兩個術(shù)語仍然存在，但創(chuàng)新使得兩者之間的分界線日趨模糊。以前只用MCU的系統(tǒng)集成商現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，用MPU更容易，ST也注意到了這一點。微處理器已經(jīng)成為某些開發(fā)者手中的秘密武器，借助其原生的功能或運(yùn)行嵌入式Linux的能力，他們能夠開發(fā)新的應(yīng)用或進(jìn)入新的市場。因此，讓我們一起深入研究一下這個新趨勢。

故事的開頭

MCU的出現(xiàn)是替代MPU

當(dāng)業(yè)界在上個世紀(jì)七十年代推出首個微控制器時，人們希望找到一種替代耗電量太大且設(shè)計復(fù)雜的MPU的產(chǎn)品。MCU雖然計算吞吐量要小很多，但將存儲器、處理器、外設(shè)和時鐘整合在一起，可以運(yùn)行實時操作系統(tǒng)。工程師只需用一個微控制器即可構(gòu)建確定性系統(tǒng)，這使得微控制器在汽車和電機(jī)控制應(yīng)用中非常受歡迎。如今，從智能手機(jī)到醫(yī)療設(shè)備或家電，MCU可謂無處不在。相反，MPU芯片空間都用于容納計算單元，用犧牲功耗或集成度換來了更高的算力。當(dāng)需要運(yùn)行多個線程或更復(fù)雜的操作系統(tǒng)時，例如，嵌入式Linux，算力更高的MPU更具吸引力。

▲弄清楚MCU和MPU之間的區(qū)別

根據(jù)應(yīng)用需求選擇MCU和MPU

雖然有闡述詳盡的MPU和MCU選擇攻略，但工程師最終還是不知所措，無法確定選誰。但是，開發(fā)者常問一些問題，例如，算力要求。如果一個應(yīng)用需要性能強(qiáng)大的神經(jīng)處理單元或者多個計算核心和高性能GPU，又或者執(zhí)行上下文計算，可能對存儲空間有要求，那么，MPU是一個顯而易見的選擇。相反，如果應(yīng)用是一個小軟件，偶爾喚醒，檢查一次傳感器值，或需要幾納秒的確定性響應(yīng)時間，那么，微控制器是一個正確的選擇。因此，在許多情況下，“目的決定手段是否正當(dāng)”。簡而言之，工程師應(yīng)根據(jù)要運(yùn)行的具體應(yīng)用來選擇一個合適的硬件平臺。

影響選型的另一個因素可能是系統(tǒng)的圖形需求。過去，具有復(fù)雜3D動畫的人機(jī)界面(HMI)、高分辨率顯示屏、與用戶界面同時運(yùn)行的復(fù)雜應(yīng)用，將傾向于選用微處理器的GPU和存儲控制器，而動畫和圖形更簡單的HMI越來越依賴于MCU。TouchGFX等框架和NeoChrom GPU等硬件IP不斷優(yōu)化那些可以在微控制器上運(yùn)行的應(yīng)用。同樣，嵌入式系統(tǒng)MPU支持更高的分辨率，因為GPU的處理性能更強(qiáng)大。因此，雖然每種產(chǎn)品的功能越來越多，但界定兩者的區(qū)別仍然非常簡單。

根據(jù)成本和功耗選擇MCU還是MPU

除了計算吞吐量，開發(fā)人員還會考慮其他重要指標(biāo)，例如，功耗、易失性存儲器、非易失性存儲器需求、所需外設(shè)和引腳數(shù)量。當(dāng)工程師設(shè)法應(yīng)對成本限制時，這些選擇標(biāo)準(zhǔn)變得至關(guān)重要，因為它們會影響整體PCB設(shè)計和物料成本(BOM)。例如，許多閃存和附加組件將需要多個PCB板層，這會增加交貨時間和成本。因此，長期以來，這個選擇標(biāo)準(zhǔn)相對簡單明了。關(guān)注成本或低功耗的系統(tǒng)集成商會選擇微控制器。

MCU和MPU之間的界限日趨模糊

自21世紀(jì)初以來，MPU經(jīng)歷了重大變革。系統(tǒng)級模塊(SoM)和系統(tǒng)級封裝(SiP)的廣泛應(yīng)用是MPU行業(yè)最具顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新之一。過去，集成商必須圍繞微處理器設(shè)計整個系統(tǒng)，這意味著要處理更復(fù)雜的電源管理系統(tǒng)和繁瑣的外部存儲器等問題。事實上，使用大容量DDR外存需要反復(fù)微調(diào)和豐富的專業(yè)知識，這可能是阻礙MPU應(yīng)用的一大障礙，然而，SoM和SiP的出現(xiàn)讓所有這些復(fù)雜問題都迎刃而解，這兩種組裝技術(shù)安全地將所有必要組件都整合到一個封裝或模塊內(nèi)。

此外，ST的一些最新的微處理器已經(jīng)更接近微控制器的功耗水平。現(xiàn)在，微處理器可以運(yùn)行實時操作系統(tǒng)，使得MPU和MCU之間的界限進(jìn)一步模糊。以前，執(zhí)行實時應(yīng)用，例如，電機(jī)控制應(yīng)用，必須使用微控制器。如今，工程師已開始采用MPU，在不影響執(zhí)行時間的情況下，獲得更強(qiáng)大的計算能力和更大的存儲容量，是一舉兩得的好事。簡而言之，一些集成商正在充分利用MPU的技術(shù)創(chuàng)新，當(dāng)競爭對手還在用MCU時，他們已經(jīng)掌握了MPU這個新的秘密武器。

故事的發(fā)展

STM32H7還是STM32MP1?

過去幾年，高性能MCU和入門級MPU之間的界限非常模糊，使得STM32MP13等產(chǎn)品成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的新寵。像STM32H7一樣，STM32MP13本身也支持Eclipse ThreadX。因此，給了從未接觸過微處理器的開發(fā)人員一個熟悉的開發(fā)環(huán)境，可以去調(diào)用FileX、NetDuoX或USBX的應(yīng)用程序。因此，無需重新培訓(xùn)團(tuán)隊或大幅增加物料成本，就可以享有更高的性能。

此外，STM32工程師還擁有額外的優(yōu)勢，因為STM32Cube工具生態(tài)系統(tǒng)同時支持MCU和MPU，從而進(jìn)一步降低了進(jìn)入門檻。例如，在STM32CubeMX 上初始化引腳配置和時鐘樹。希望在STM32 MPU上實現(xiàn)安全密鑰配置的開發(fā)人員可以選用STM32CubeProgrammer，這款工具使安全固件安裝(SFI)也更容易。因此，ST的生態(tài)系統(tǒng)用戶有更多的動力去探索MPU，將其用作支持新應(yīng)用的秘密武器，因為他們已經(jīng)熟悉ST的許多開發(fā)工具和產(chǎn)品概念。

從STM32MP13到STM32MP15

對于許多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員來說，問題不再是是否要涉足MPU領(lǐng)域，而是深入到何種程度，以及從哪里開始。ST合作伙伴計劃的許多成員都推出了采用STM32MP13的SiP和SoM，因此，對于任何希望將MPU作為秘密武器的團(tuán)隊來說，STM32MP13都是一個絕佳起點。這款微處理器搭載一顆1GHz的Cortex-A7內(nèi)核，對那些尋求設(shè)計簡單但性能強(qiáng)大的開發(fā)者有很大的吸引力。不是多核，意味著功耗更低(27μW)，而且能夠?qū)TM32MP13集成到簡單的四層PCB上。

那些追求更強(qiáng)性能的人會選擇STM32MP15。該產(chǎn)品搭載兩顆Cortex-A7內(nèi)核和一顆Cortex-M4內(nèi)核，使得在模糊MCU和MPU之間的界限的同時推動開發(fā)人員深入MPU陣營。例如，可以關(guān)閉Cortex-A7內(nèi)核，只開啟Cortex-M4內(nèi)核，將其用作傳統(tǒng)MCU，記錄傳感器數(shù)據(jù)，同時消耗更少的電能。此外，這款產(chǎn)品的3D GPU符合OpenGL標(biāo)準(zhǔn)，允許開發(fā)人員運(yùn)行更高級的用戶界面。該產(chǎn)品還配備了更多的顯示接口和外設(shè)。因此，STM32MP15可以幫助集成商擴(kuò)展系統(tǒng)。

讓我們以一家開發(fā)工業(yè)用設(shè)備(例如，可編程邏輯控制器)的公司為例。開發(fā)者可以使用STM32MP13設(shè)計一個功能強(qiáng)大的無顯示屏產(chǎn)品。此后，開發(fā)者可以把原始設(shè)計遷移到STM32MP15上，增裝一塊分辨率1080x720的顯示屏，給PLC控制器增加一個人機(jī)界面(HMI)。因為這家公司最初使用的是STM32 MPU，所以，他們可以使用相同的嵌入式Linux發(fā)行版，并輕松地將應(yīng)用從一個MPU移植到另一個MPU。該操作系統(tǒng)還運(yùn)行先進(jìn)的UI框架，例如，以可移植性而聞名的Qt或Crank。

另一個例子是智能恒溫器，其中用戶界面是產(chǎn)品體驗的重要組成部分。廠商一直在尋求產(chǎn)品差異化，使用不同級別的UI和屏幕尺寸來吸引更廣泛的客戶群。從 STM32MP15遷移到STM32MP13，開發(fā)者可以運(yùn)行相同的底層應(yīng)用，還可以選用很多不同的附加功能，創(chuàng)建涵蓋更廣泛的需求和價位的產(chǎn)品組合。

從STM32MP15到STM32MP25

開發(fā)人員越來越關(guān)注如何設(shè)計使用壽命更長的產(chǎn)品，并在邊緣設(shè)備上引入機(jī)器學(xué)習(xí)。MPU的最新進(jìn)展可以提供更大的存儲靈活性，幫助開發(fā)者滿足這些需求，這也解釋了為什么許多人經(jīng)常采用STM32 MPU，以保持競爭優(yōu)勢。例如，新款STM32MP25是ST第一款除DDR3外還支持DDR4和LPDDR4的MPU。64位架構(gòu)還意味著它可以為音視頻處理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等應(yīng)用提供更多的存儲空間，或者同時運(yùn)行多個軟件，以節(jié)省資源，提高效率。

大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用使用相同的存儲器接口長達(dá)十年或更久，因此，微處理器必須提供靈活性更高的存儲控制器(與消費市場相比)，這就是為什么ST MPU始終支持多個存儲器接口，并且ST確保最廣泛的兼容性，STM32MP25就是一個這樣的產(chǎn)品，它使系統(tǒng)支持變得更加高效，同時也便于進(jìn)行設(shè)計更新和升級。

同樣，許多人都希望從邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)中獲益。STM32MP25是第一款支持64位架構(gòu)的STM32產(chǎn)品，搭載了兩顆Cortex-A35內(nèi)核，這是目前Arm最高效的內(nèi)核。因此，這款產(chǎn)品可以運(yùn)行更強(qiáng)大的應(yīng)用，同時保持較低的功耗。神經(jīng)處理單元(NPU)的處理速度達(dá)到1.35 TOPS，Vulkan兼容GPU能夠在全高清顯示屏上輕松運(yùn)行新穎的用戶界面。因此，ST的新MPU為一些要求最苛刻的應(yīng)用帶來了機(jī)會，例如，能夠進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計或物體檢測的智能相機(jī)，以及空間計算等新系統(tǒng)。

未來將會怎樣?

ST決定發(fā)布更多的STM32MP2 MPU，幫助開發(fā)人員根據(jù)實際需求定制應(yīng)用。確實，同一系列微控制器通常包含很多不同的產(chǎn)品型號，而微處理器卻沒有那么多產(chǎn)品型號，因為微處理器制造難度更大。然而，隨著制造能力不斷優(yōu)化，ST計劃盡快發(fā)布更多產(chǎn)品，并使其中多個產(chǎn)品的引腳兼容。ST已經(jīng)預(yù)發(fā)布了STM32MP21和STM32MP23。STM32MP21搭載Cortex-A35和Cortex-M33兩個內(nèi)核、兩個以太網(wǎng)控制器和一個攝像頭接口，可以滿足有成本要求邊緣計算機(jī)視覺應(yīng)用。STM32MP23定位在STM32MP25和STM32MP21之間，它的雙Cortex-A35內(nèi)核可以實現(xiàn)豐富的UI，同時兼顧成本。

▲STM32 MPU產(chǎn)品系列