嵌入式MCU與MPU的區(qū)分和MCU開(kāi)發(fā)中的三個(gè)誤區(qū)

目錄

嵌入式MCU與MPU的區(qū)分

誤區(qū)一：MCU的程序都是存儲(chǔ)在片上Flash上，然后拷貝到RAM中執(zhí)行的

誤區(qū)二：工程編譯生成的下載文件大小即為最終占用Flash的大小

誤區(qū)三：用戶應(yīng)用工程的編譯結(jié)果建議不能超過(guò)MCU片上Flash的80%

嵌入式MCU與MPU的區(qū)分

嵌入式系統(tǒng)中的處理器按照是否集成片上Flash和RAM可以分為MCU(Micro Control Unit—微控制器)和MPU(Micro Process Unit—微處理器)。典型的MCU如Freescale S08、S12和MPC56xx以及8051單片機(jī)等，而典型的MPU如基于ARM Cortex A系列內(nèi)核的i.MX系列處理器：

本文中的觀點(diǎn)針對(duì)僅針對(duì)嵌入式MCU，也就是我們常說(shuō)的單片機(jī)。其為單芯片集成解決方案—片上集成了嵌入式系統(tǒng)工作所需的邏輯計(jì)算內(nèi)核CPU，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)/代碼的RAM，EEPROM和Flash，內(nèi)部互聯(lián)總線—Crossbar、AMBA(APB、AHB以及AXI bus)，定時(shí)器資源(Timer)、中斷控制器(INTC，通用輸入輸出接口(GPIO)，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊—ADC、DAC和ACMP，段碼LCD控制器、TFT LCD控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(SMC)，通信接口/控制器—I2C、SPI、UART/SCI、CAN、SDIO/eMMC、以太網(wǎng)MAC等；當(dāng)然，MPU中也會(huì)集成很多嵌入式系統(tǒng)工作所需的大部分片上外設(shè)，但因?yàn)槠溆?jì)算單元CPU內(nèi)核運(yùn)行速度非?？?，所以其一般不會(huì)再片內(nèi)集成系統(tǒng)工作所需的RAM和Flash存儲(chǔ)器，而是集成SDR/DDR2/3/4等外部SRAM擴(kuò)展接口和NAND/NOR Flash擴(kuò)展接口，用戶設(shè)計(jì)基于MPU的硬件系統(tǒng)時(shí)還需選擇合適的SRAM和外部Flash才可以保證系統(tǒng)正常工作。

當(dāng)然還有我們常說(shuō)的CPU(Central Process Unit—中央處理器)，常見(jiàn)PC上所使用的Intel的x86處理器，比如奔騰、至強(qiáng)、酷睿i3/i5/i7系列等，其片上只集成了中央計(jì)算內(nèi)核單元CPU，少量的一級(jí)/二級(jí)/三級(jí)緩存以及GPU，但不包含中斷控制器、定時(shí)器等，它需要通過(guò)主板進(jìn)行擴(kuò)展，更不包含存儲(chǔ)器，需要用戶在主板上外界DDR內(nèi)存條和Flash硬盤(pán)。

按照內(nèi)核的運(yùn)行速度和片上集成外設(shè)資源的豐富程度以及功耗，MCU、MPU和CPU的對(duì)比分布如下：

誤區(qū)一：MCU的程序都是存儲(chǔ)在片上Flash上，然后拷貝到RAM中執(zhí)行的

很多剛接觸MCU的人受學(xué)校老師講授計(jì)算機(jī)硬件和C語(yǔ)言課程時(shí)一些觀點(diǎn)的影響，認(rèn)為MCU中程序都是存儲(chǔ)在片上Flash上，然后拷貝到RAM中執(zhí)行的，這其實(shí)是錯(cuò)誤。原因如下：

1.MCU的片上RAM資源和Flash存儲(chǔ)器相比一般都比較小，其比例大概為1:16到1：5，其不可能將存儲(chǔ)在Flash中的程序代碼全部拷貝到片上RAM中；

以下為Freescale S12G系列、S12XE系列以及MPC574xB/C/D/G系列MCU的片上RAM和Flash存儲(chǔ)器資源的對(duì)比：

2.在嵌入式MCU中內(nèi)核CPU的工作頻率一般為總線頻率的兩倍(S08和S12(X)系列MCU的內(nèi)核CPU工作頻率固定為總線工作頻率的2倍)或者相等(PowerPC MPC560x系列)，而掛到Flash的指令/數(shù)據(jù)總線寬度一般與CPU位寬的1~2倍，雖然Flash的訪問(wèn)頻率比較低(幾MHz到數(shù)十MHz，一般不超過(guò)100MHz)，而嵌入式MCU內(nèi)核CPU的運(yùn)行頻率也不高，在300MHz以內(nèi)，所以總線每次可以從Flash取出2~4條指令(PS：當(dāng)PowerPC e200內(nèi)核使用VLE指令集時(shí)，大多數(shù)指令都為16位長(zhǎng)度，若指令/數(shù)據(jù)總線寬度為64位寬，則一次可以讀出4條VLE指令)，從而彌補(bǔ)與內(nèi)核CPU運(yùn)行速度的差距，保證在硬件物理上實(shí)現(xiàn)在Flash取值執(zhí)行嵌入式MCU程序是沒(méi)有問(wèn)題的。

3.在嵌入式MCU的硬件設(shè)計(jì)上沒(méi)有自動(dòng)將Flash程序提前拷貝到RAM的機(jī)制，在軟件設(shè)計(jì)上也沒(méi)有相應(yīng)的代碼執(zhí)行這個(gè)拷貝工作--這樣的拷貝過(guò)程無(wú)疑會(huì)造成內(nèi)核CPU資源的浪費(fèi)，代碼搬移的過(guò)程總內(nèi)核CPU無(wú)法處理其他任務(wù)；(除非是在開(kāi)發(fā)嵌入式MCU的BootLoader時(shí)，需要對(duì)片上Flash進(jìn)行擦除和編程，而大多數(shù)嵌入式MCU片上都只有一個(gè)Flash塊(block/partion), 不支持read-while-read操作，所以需要將Flash驅(qū)動(dòng)程序事先拷貝到RAM然后調(diào)用—事實(shí)上，只需要將Flash擦除和編程命令的launch語(yǔ)句和查詢等待命令完成的程序拷貝到RAM執(zhí)行即可。程序的執(zhí)行至少包含取指à譯碼à執(zhí)行三個(gè)環(huán)節(jié)，其中取指就是從存儲(chǔ)器中讀出指令，需要訪問(wèn)Flash/RAM）

4.通過(guò)調(diào)試嵌入式MCU，在CPU寄存器窗口查看程序運(yùn)行時(shí)PC寄存器的值也可以驗(yàn)證嵌入式MCU程序默認(rèn)運(yùn)行時(shí)就是在Flash本地執(zhí)行的、即存儲(chǔ)地址與運(yùn)行時(shí)地址相同；

由于S12XE系列MCU的Flash分頁(yè)訪問(wèn)機(jī)制，地址0xFE8029其實(shí)是其Flash的Page_FE的邏輯地址，對(duì)應(yīng)的Flash物理地址(也稱作全局地址--Global Address)為0x7F8029；

誤區(qū)二：工程編譯生成的下載文件大小即為最終占用Flash的大小

很多工程師判斷一個(gè)嵌入式MCU應(yīng)用工程的編譯結(jié)果大小往往看工程編譯生成的HEX/S19/BIN等下載文件的大小，認(rèn)為工程編譯生成的下載文件大小即為最終占用Flash的大小，這是不正確的。

因?yàn)樵贖EX/S19/BIN等下載文件往往還包含了編譯器版本信息，工程配置信息，每行數(shù)據(jù)/代碼的存儲(chǔ)地址，長(zhǎng)度、校驗(yàn)和以及整個(gè)工程的復(fù)位運(yùn)行地址等非常豐富的信息。因?yàn)橹挥芯邆淞诉@些信息，編程器才找到將編譯結(jié)果中的數(shù)據(jù)和代碼燒寫(xiě)到Flash/EEPROM存儲(chǔ)器的具體地址并保證數(shù)據(jù)/代碼的完整性，通過(guò)每一行和整個(gè)文件的校驗(yàn)(Verify)來(lái)保證整個(gè)編程過(guò)程的正確完整。

以下以Motorola的S19文件(也稱為S-Record)格式進(jìn)行說(shuō)明：

S-record每行最大是78個(gè)字節(jié)，156個(gè)字符

S-record 格式如下：

其中：

type(類型)：2個(gè)字符。用來(lái)描述記錄的類型 (S0，S1，S2，S3，S5，S7，S8，S9)。

count(計(jì)數(shù))：2個(gè)字符。 用來(lái)組成和說(shuō)明了一個(gè)16進(jìn)制的值，顯示了在記錄中剩余成對(duì)字符的計(jì)數(shù)。

address(地址)：4或6或8個(gè)字節(jié)。用來(lái)組成和說(shuō)明了一個(gè)16進(jìn)制的值，顯示了數(shù)據(jù)應(yīng)該裝載的地址， 這部分的長(zhǎng)度取決于載入地址的字節(jié)數(shù)。2個(gè)字節(jié)的地址占用4個(gè)字符，3個(gè)字節(jié)的地址占用6個(gè)字符，4個(gè)字節(jié)的地址占用8個(gè)字符。

data(數(shù)據(jù))：0—64字符。用來(lái)組成和說(shuō)明一個(gè)代表了內(nèi)存載入數(shù)據(jù)或者描述信息的16進(jìn)制的值。

checksum(校驗(yàn)和)：2個(gè)字符。這些字符當(dāng)被配對(duì)并換算成16進(jìn)制數(shù)據(jù)的時(shí)候形成了一個(gè)最低有效字符 節(jié)，該字符節(jié)用來(lái)表達(dá)作為補(bǔ)充數(shù)據(jù)，地址和數(shù)據(jù)庫(kù)的字符對(duì)所代表的（字節(jié)的）補(bǔ)碼的byte總和。即計(jì)數(shù)值、地址場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)的若干字符以兩個(gè)字符為一對(duì)， 將它們相加求和，和的溢出部分不計(jì)，只保留最低兩位字符NN，checksum =0xFF-0xNN。

S0 Record：記錄類型是“S0” (0x5330)。地址場(chǎng)沒(méi)有被用，用零置位(0x0000)。數(shù)據(jù)場(chǎng)中的信息被劃分為以下四個(gè)子域：

name(名稱)：20個(gè)字符，用來(lái)編碼單元名稱

ver(版本)：2個(gè)字符，用來(lái)編碼版本號(hào)

rev(修訂版本)：2個(gè)字符，用來(lái)編碼修訂版本號(hào)

description(描述)：0-36個(gè)字符，用來(lái)編碼文本注釋

此行表示程序的開(kāi)始，不需燒入memory。

S1 Record：記錄類型是“S1” (0x5331)。地址場(chǎng)由2個(gè)字節(jié)地址來(lái)說(shuō)明。數(shù)據(jù)場(chǎng)由可載入的數(shù)據(jù)組成。

S2 Record：記錄類型是“S2” (0x5332)。地址場(chǎng)由3個(gè)字節(jié)地址來(lái)說(shuō)明。數(shù)據(jù)場(chǎng)由可載入的數(shù)據(jù)組成。

S3 Record：記錄類型是“S3” (0x5333)。地址場(chǎng)由4個(gè)字節(jié)地址來(lái)說(shuō)明。數(shù)據(jù)場(chǎng)由可載入的數(shù)據(jù)組成。

S5 Record：記錄類型是“S5” (0x5335)。地址場(chǎng)由2字節(jié)的值說(shuō)明，包含了先前傳輸?shù)腟1、S2、S3記錄的計(jì)數(shù)。沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)。

S7 Record：記錄類型是“S7” (0x5337)。地址場(chǎng)由4字節(jié)的地址說(shuō)明，包含了開(kāi)始執(zhí)行地址。沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)。此行表示程序的結(jié)束，不需燒入memory。

S8 Record：記錄類型是“S8” (0x5338)。地址場(chǎng)由3字節(jié)的地址說(shuō)明，包含了開(kāi)始執(zhí)行地址。沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)。此行表示程序的結(jié)束，不需燒入memory。

S9 Record：記錄類型是“S9” (0x5339)。地址場(chǎng)由2字節(jié)的地址說(shuō)明，包含了開(kāi)始執(zhí)行地址。沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)。此行表示程序的結(jié)束，不需燒入memory。

一個(gè)具體的S12XEP100的CodeWarrior5.2工程編譯后S19文件的大小為6KB，而實(shí)際占用Flash的大小只有2445個(gè)字節(jié)，遠(yuǎn)小于S19文件的大小，所以判斷一個(gè)應(yīng)用工程編譯結(jié)果所占Flash和RAM的大小，應(yīng)該看MAP文件中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，而非S19文件的大?。?/p>

或者以IDE(比如CodeWarrior 10.6或者S32DS)的Print Size工具從控制臺(tái)(console)打印出來(lái)的text + data來(lái)判斷，下面是一個(gè)具體的MPC5748G S32DS for Power V1.2工程，其編譯及我國(guó)所占Flash的大小為23366(text) + 1372(data)=24738 Byte，而其S19文件大小為73KB。

誤區(qū)三：用戶應(yīng)用工程的編譯結(jié)果建議不能超過(guò)MCU片上Flash的80%

通過(guò)對(duì)以上誤區(qū)一的分析，嵌入式MCU中用戶應(yīng)用工程的編譯結(jié)果(數(shù)據(jù)和程序代碼)是一直存儲(chǔ)在片上Flash中的，對(duì)其下載編程之后在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都不會(huì)再改變(除非用戶開(kāi)發(fā)了在線/遠(yuǎn)程升級(jí)的BootLoader功能)，因此，完全可以將將Flash全部用來(lái)保存編譯結(jié)果，只要在工程鏈接文件中按照MCU實(shí)際存儲(chǔ)器大小和地址進(jìn)行配置，編譯鏈接結(jié)果沒(méi)有存儲(chǔ)器溢出即可。用戶應(yīng)用工程的編譯結(jié)果建議不能超過(guò)MCU片上Flash的80%的說(shuō)法沒(méi)有任何理論依據(jù)。