Mikroprotsessori (MPU) ja mikrokontrolleri (MCU) vahel valimine on põhiline süsteemivalik. Mõlemal on protsessor, kuid need on ehitatud erinevateks ülesanneteks. MPU-d keskenduvad kõrgele jõudlusele ja vajavad sageli lisamälu ning tugikiipe. MCU-d ühendavad protsessori, mälu ja tavalise I/O üheks kiibiks juhtimisülesannete ja madala energiatarbega. See artikkel selgitab selgelt detaile.
Mis on mikroprotsessorid ja mikrokontrollerid?
Mikroprotsessor on ainult CPU-le mõeldud kiip, mis töötleb andmeid ja täidab käske, kuid sõltub välisest mälust ja sisend-/väljundseadmetest. Seda kasutatakse sageli keerukates süsteemides, mis nõuavad suurt arvutusvõimsust, suurt mälu ja operatsioonisüsteeme, nagu Linux.
Mikrokontroller seevastu ühendab protsessori, mälu, sisend-/väljundpordid, taimerid ja sageli analoogfunktsioonid ühte kiipi. See iseseisev disain teeb selle ideaalseks spetsiaalseteks juhtimisülesanneteks, reaalajas tööks ja madalaks energiatarbimiseks.
Lühidalt öeldes on mikroprotsessorid loodud jõudluse ja paindliku süsteemi laiendamise jaoks, samas kui mikrokontrollerid on mõeldud kompaktseteks ja tõhusateks sisseehitatud juhtimisrakendusteks.
Mikroprotsessor vs mikrokontroller: sisemine arhitektuur
Mikrokontrolleri arhitektuur
Mikrokontrolleril on peamised vajalikud osad ühes kiibis, näiteks:
• CPU tuum
• Sisseehitatud välkmälu programmidele
• Sisseehitatud SRAM andmete jaoks
• GPIO tihvtid, taimerid, ADC, UART, SPI ja I²C
• Katkestuskontroller
Mikroprotsessori arhitektuur
Mikroprotsessor keskendub rohkem tugevale töötlemisele ja töötab tihedalt väliste osadega. See sisaldab:
• CPU tuum, mõnikord rohkem kui ühe tuumaga
• Mitmed vahemälu tasemed
• Väline mälukontroller
Mikroprotsessoripõhise süsteemi süsteemikomponendid
Mikroprotsessori ümber ehitatud süsteem vajab lisakiipe, näiteks:
• Väline DRAM põhimälu jaoks
• Väline mittelenduv salvestus
• Toitehalduse IC
• Täiendavad tugiskeemid
Mälu arhitektuur ja käivituse käitumine
Mälu paigutus mõjutab süsteemi käivitumist ja tööd. Enamik mikrokontrollereid loeb ja käivitab koodi otse sisemisest Flashist. See võimaldab kiiret käivitamist ja otsemat teed lähtestamisest programmi käivitamiseni.
Mikroprotsessorid alustavad koodi laadimisega välisest mälust ühe või mitme bootloaderi kaudu. Pärast seda käivitavad nad rakendusi välisest DRAM-ist. See annab palju rohkem mälu ja arenenumat tarkvara, kuid lisab ka rohkem samme käivitamisel.
Käsu- ja andmearhitektuuri mudelid
Paljud mikrokontrollerid järgivad Harvardi stiilis disaini, eraldades käsu ja andmeteed. Paljud mikroprotsessorid kasutavad ühtset mälumudelit, kus käsud ja andmed jagavad sama mäluruumi.
Jõudlus ja käitumine: mikroprotsessor vs mikrokontroller
Mikrokontrollerid (MCU-d) sobivad hästi järgmisteks ülesanneteks nagu:
• Mootori juhtimine
• Sensorite proovivõtt
• Suletud ahelaga juhtimissüsteemid
• Madala latentsusega katkestuste käsitlemine
• Pidev manustatud loogika
Mikroprotsessorid (MPU-d) sobivad paremini ülesanneteks nagu:
• Keerukas rakendustarkvara
• Multimeedia töötlemine
• Suurte andmete käitlemine
• Graafilised kasutajaliidesed
• Võrgustikuplatvormid
Võimsuse ja süsteemi disaini keerukus
Mikrokontrolleri süsteemid
Mikrokontrolleri süsteemid on lihtsamad ja tarbivad vähem energiat. Need töötavad sageli ühelt või mõnelt pingerööpalt ja toetavad sügavat unerežiimi väga madala ooterežiimiga. Võimsuse järjestamine on lihtne, mis aitab hoida võimsuse disaini lihtsamini hallatavana.
Mikroprotsessorisüsteemid
Mikroprotsessorisüsteemid on keerukamad ja suurema võimsusega. Nad kasutavad sageli mitut pinge domeeni tuuma, mälu ja I/O jaoks ning peavad toitma välist DRAM-i. Toitehalduse IC aitab neid rööpaid koordineerida ning plaat peab toetama kontrollitud takistuse marsruutimist kiirete mälusignaalide jaoks.
Süsteemi kulude kaalutlused
Kogu süsteemi maksumus ületab protsessori maksumuse. Mikrokontrollerid võivad kulusid vähendada, vähendades väliste mäluosade arvu, PCB-kihtide arvu, liimiloogikat ja toiteahelaid. Mikroprotsessorid vajavad sageli välist DRAM-i, välise Flashi, PMIC-i ja keerukamat PCB-paigutust, mis võib suurendada süsteemi maksumust.
Tarkvaramudelid mikroprotsessorites ja mikrokontrollerites
| Aspekt | MCU tarkvaramudel | MPU tarkvaramudel |
|---|---|---|
| Peamine tarkvaratüüp | MCU-d töötavad kas bare-metal püsivara või tegeliku operatsioonisüsteemi (RTOS) kaudu. | MPU-d töötavad täislikel operatsioonisüsteemidel nagu Linux, Android või sarnased platvormid. |
| Käivituse käitumine | See seadistus võimaldab kiiret käivitust ja lühikest teed lähtestusest põhikoodi käivitamiseni. | Käivitamine võtab kauem aega, sest süsteem peab enne rakendusi operatsioonisüsteemi laadima. |
| Riistvaraline ligipääs | Püsivara suudab riistvara otse juhtida lihtsate ja ennustatavate radade kaudu. | Operatsioonisüsteem haldab riistvara ning programmid pääsevad sellele ligi operatsioonisüsteemi teenuste kaudu. |
| Ressursside kasutamine | Tarkvara on kirjutatud nii, et see sobiks rangete mälu- ja töötlemisvõimsuse piirangutega. | Rohkem mälu ja protsessori ruumi toetab suuremaid programme ja keerukamaid funktsioone. |
| Sisseehitatud funktsioonid | See mudel toetab kiiret käivitamist, otsest riistvarajuhtimist ja hoolikat ressursikasutust. | See mudel võimaldab failisüsteeme, võrguraamistikke, rakenduskihte ja rikkalikke liideseid. |
Perifeersed seadmed, ühenduvus ja I/O erinevused
MCU I/O ja ühenduvus
• Sageli sisaldavad segasignaali plokke nagu ADC, DAC, võrdlejad, PWM-seadmed ja põhilised operatiivvõimendid.
• Pakkuda standardseid madala kiirusega digitaalseid liideseid, nagu I²C, SPI, UART, CAN ja LIN.
• Lisada põhiline USB tugi ja tegelikke I/O kontakte otseseks pin-taseme juhtimiseks.
MPU I/O ja ühenduvus
• Keskenduda kiiretele liidestele, sealhulgas välistele DRAM-bussidele ja kiirele USB-le.
• Toetab arenenud süsteemilinke nagu PCIe, Gigabit Ethernet ja kiired ekraani- või kaameraliidesed nagu MIPI.
• Enamiku analoogfunktsioonide ja paljude spetsialiseeritud I/O funktsioonide jaoks toetuda välistele kiipidele.
Turvalisus, ohutus ja töökindlus MCU-des ja MPU-des
Mikrokontrollerid sisaldavad sageli sisseehitatud turvaplokke, nagu turvaline käivitamine, koodi lugemise kaitse, krüptograafilised kiirendid ja usaldusväärne salvestus. Need funktsioonid aitavad takistada püsivara manipuleerimist ja kaitsta seadmes salvestatud tundlikku teavet.
Mikroprotsessorid pakuvad arenenumat kaitset, sealhulgas turvalisi käivitusahelaid, usaldusväärseid täitmiskeskkondi, tugevat mälukaitset ja mõnel juhul virtualiseerimist. Need funktsioonid toetavad operatsioonisüsteemide ja rakendusandmete ohutut käsitlemist.
Vajalikud on ka ohutus- ja töökindlusfunktsioonid, nagu valvetaimerid, veaparandusmälu ja ohutusklassiga seadmete pered. Paljudes projektides võivad turvalisus, ohutus ja pikaajaline töökindlus olla sama kriitilised kui jõudlus, võimsus või mälu, kui valida MCU ja MPU vahel.
Kiire võrdlustabel: MPU vs MCU
| Süsteemi nõuded | Soovitatav arhitektuur | Miks see sobib |
|---|---|---|
| Pikk aku kestvus | MCU | Optimeeritud madala energiatarbega režiimideks ja unerežiimiks |
| Deterministlik ajastus | MCU | Lihtsam hoida täpset, reaalajas kontrolli |
| Lihtne manustatud kontroller | MCU | Integreerib protsessori, mälu ja lisaseadmed ühte kiipi |
| Suur mälu (sadu MB või rohkem) | MPU | Toetab välist RAM-i ja suuri mäluruume |
| Rikkalik kasutajaliides või multimeedia | MPU | Sobib paremini graafikatöötluse ja meedia ülesanneteks |
| Laiendatav arvutusplatvorm | MPU | Lihtsam skaleerida tänu arenenud operatsioonisüsteemile ja lisafunktsioonidele |
| Linuxi tugi vajalik | MPU | Mõeldud täisoperatsioonisüsteemide käivitamiseks |
| Range reaalajas kontroll | MCU | Ennustatavam katkestuste ja täitmise ajastus |
| Akutoitel ja pikad uneperioodid | MCU | Madalam ooterežiim ja aktiivne energiatarve |
| Tugev võrgundus ja kihilised tarkvaravirnad | MPU | Kõrgem arvutusvõimsus ja mäluressursid |
| Väike PCB ja lihtne riistvaradisain | MCU | Vähendab väliskomponente ja marsruutimise keerukust |
| Tulevane funktsioonide laiendus on oodata | MPU | Toetab keerukat tarkvaraarendust ja riistvara uuendusi |
Kokkuvõte
Mikrokontrollerid ja mikroprotsessorid sobivad erinevatele vajadustele. MCU-d on parimad siis, kui ajastus peab olema ennustatav, energiatarve madal ja riistvara kompaktne ning lihtne. MPU-d sobivad paremini suurema mälu, raske töötlemise, tervete operatsioonisüsteemide, multimeedia ja keerukate võrkude jaoks. Erinevused hõlmavad seda, kuidas need käivituvad, kuidas nad mälu kasutavad, milliseid lisaseadmeid nad toetavad, kui palju energiat nad tarbivad, kui keerukaks plaat muutub ja millised turvafunktsioonid on saadaval. Need punktid eristavad MCU-laadset juhtimist MPU-tüüpi arvutustest.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
Q1. Milline neist on parem tegeliku kontrolli jaoks: MCU või MPU?
MCU. MCU-d annavad ennustatavama ajastuse ja kiirema ning järjepidevama katkestusvastuse kui MPU-d, mis töötavad täielike operatsioonisüsteemidega.
Q2. Kas MPU võib asendada MCU-d?
Mõnikord. See suudab töö ära teha, kuid tavaliselt vajab välismälu, kasutab rohkem energiat, maksab rohkem ja lisab disaini keerukust.
Q3. Milliseid tööriistu kasutatakse MCU-de ja MPU-de programmeerimiseks?
MCU-d: manustatud IDE + C/C++ tööriistakett + JTAG/SWD silur. MPU-d: ristkompilaator + bootloaderi seadistus + Linux/Android kernel ja draiverid.
Q4. Kas MPU-d vajavad rohkem jahutust kui MCU-d?
Jah. MPU-d töötavad kuumemalt ja võivad vajada jahutusradiaatorit või paremat termotrükkplaadi disaini; MCU-d tihti mitte.
Q5. Kas kõrgem taktsagedus on peamine põhjus, miks MPU-d on kiiremad?
Ei. MPU-d on kiiremad peamiselt vahemälude, suurema mäluribalaiuse ja mitmetuumalise/arenenud protsessori funktsioonide tõttu, mitte ainult taktsageduse tõttu.
Q6. Millisel on tööstustoodete pikaajaline kättesaadavus?
MCU-d. MCU-del on pikem tootetsükli ja pikemaajaline tarnepakkumine kui paljudel MPU platvormidel.
