Микропроцессор или микроконтроллер? Что выбрать для своей разработки?

Введение

Выбор подходящего устройства, на котором будет основана ваша новая разработка, бывает не простым. Необходимо найти баланс между ценой, производительностью и энергопотреблением, а также учесть долгосрочные последствия этого выбора. Например, если используемое устройство, будь то микроконтроллер или микропроцессор, станет основой целого ряда новых продуктов.

Чем отличается микропроцессор и микроконтроллер?

Для начала давайте рассмотрим разницу между микроконтроллером (MCU) и микропроцессором (MPU). Обычно микроконтроллер использует встроенную флэш память, в которой хранятся и выполняется его программа. Благодаря этому, микроконтроллер имеет очень короткое время запуска и может выполнять код очень быстро. Единственное ограничение при использовании встроенной памяти - это ее конечный объем. Большинство микроконтроллеров, доступных на рынке, имеют максимальный объем флэш памяти ~2 мегабайта. Для некоторых приложений это может оказаться критическим фактором. 

Микропроцессоры не имеют ограничений на размер памяти, поскольку для хранения программы и данных они используют внешнюю память. Программа обычно хранится в энергонезависимой памяти, такой как NAND или последовательная флэш память. При запуске программа загружается во внешнюю динамическую оперативную память и затем выполняется. Микропроцессор не способен запускаться так же быстро, как микроконтроллер, но объем оперативной и энергонезависимой памяти, которую можно подключить к процессору, может достигать сотен и даже тысяч мегабайт. 

Другое отличие между микроконтроллером и микропроцессором - это система питания. Благодаря встроенному регулятору напряжения, микроконтроллеру необходимо только одно значение внешнего напряжения. Тогда как микропроцессору требуется несколько разных напряжений для ядра, периферии, портов ввода-вывода и т.д. О наличии этих напряжений на плате должен заботиться разработчик. 

Что выбрать MPU или MCU?

Выбор микроконтроллера или микропроцессора определяется некоторыми аспектами спецификации разрабатываемого устройства. Например, требуется такое количество периферийный интерфейсных каналов, которое не может предоставить микроконтроллер. Или требования относительно пользовательского интерфейса невозможно выполнить, используя микроконтроллер, потому что у него не хватает памяти и быстродействия. Приступая к первой разработке, мы знаем, что продукт в дальнейшем может сильно измениться. В этом случае возможно лучшим решением будет использование какой-то готовой платформы. Так мы учтем запас вычислительной мощности и интерфейсных возможностей для будущих модификаций устройства. 

Один из аспектов, которые сложно определить, это быстродействие, требуемое для работоспособности будущей системы. Количественно оценить этот критерий можно с помощью так называемой вычислительной мощности, которая измеряется в Dhrystone MIPS или DMIPS (Dhrystone - это синтетический тест производительности компьютеров, а MIPS - количество миллионов инструкций в секунду). Например, микроконтроллер Atmel SAM4 на базе ядра ARM Cortex-M4 обеспечивает 150 DMIPS, а микропроцессор на ядре ARM Cortex-A5, такой как Atmel SAM5AD3 может обеспечить до 850 DMIPS. Один из способов оценить требуемый DMIPS - это посмотреть какая производительность нужна для запуска части приложения. Запуск полноценной операционной системы (Linux, Android или Windows CE) для работы вашего приложения потребовал бы около 300 - 400 DMIPS. А если использовать для приложения RTOS, то достаточно всего 50 DMIPS. При использовании RTOS также требуется меньше памяти, поскольку ядро обычно занимает несколько килобайт. К сожалению полноценная операционная система требует для своего запуска блок управления памятью (MMU), что в свою очередь ограничивает тип процессорных ядер, которые могут быть использованы.

Для приложений, которые обрабатывают большие объемы чисел, требуется определенный запас DMIPS. Чем больше приложение ориентировано на числовую обработку, тем выше вероятность использования микропроцессора. 

Серьезного обсуждения требует использование пользовательского интерфейса, будь то бытовая или промышленная электроника. Потребителям уже привычно пользоваться интуитивно понятными графическими интерфейсами, да и в промышленности все чаще используется этот метод взаимодействия с оператором.

Существует несколько факторов относительно пользовательского интерфейса. Во-первых, это дополнительная вычислительная нагрузка. Для такой интерфейсной библиотеки как Qt, которая широко используется на Linux`e, дополнительно потребуется 80-100 DMIPS. Во-вторых - это сложность пользовательского интерфейса. Чем больше вы используете анимации, эффектов и мультимедийного содержимого, чем выше разрешение изображения, тем большая производительность и память вам потребуется. Поэтому вероятнее всего здесь подойдет микропроцессор. С другой стороны, простой пользовательский интерфейс со статическим изображением на дисплее низкого разрешения может быть реализован и на микроконтроллере. 

Другой аргумент в пользу микропроцессора - это наличие встроенного TFT LCD контроллера. Мало микроконтроллеров имеют в своем составе такой модуль. Можно поставить внешний TFT LCD контроллер и какие-то другие драйверы к микроконтроллеру, но нужно учитывать получаемую в итоге себестоимость изделия. 

На рынке сейчас появляются флэш микроконтроллеры с TFT LCD контроллерами, но все же должно быть достаточное количество встроенной оперативной памяти для управления дисплеем. Например, 16-цветный QVGA 320х240 требует 150 кБ оперативной памяти чтобы выдавать изображение и обновлять дисплей. Это довольно большой объем ОЗУ и может потребоваться внешняя память, что тоже скажется на себестоимости. 

Более сложные графические пользовательские интерфейсы, особенно использующие дисплеи размером больше 4,3 дюйма, требуют применения микропроцессоров. Если микропроцессоры доминируют в приложениях, где используется пользовательский интерфейс с цветным TFT экраном, то микроконтроллеры - короли сегментных или точечно-матричных LCD и других экранов с последовательным интерфейсом. 

С точки зрения коммуникаций, большинство микроконтроллеров и микропроцессоров имеют в своем составе наиболее популярные периферийные интерфейсы. Но высокоскоростные интерфейсы, такие как HS USB 2.0, 10/100 Мбит/с Ethernet порты или гигабитные Ethernet порты, обычно есть только у микропроцессоров, потому что они лучше приспособлены к обработке больших объемов данных. Ключевой вопрос здесь - это наличие подходящих каналов и полосы пропускания для обработки потока данных. Приложения, использующие высокоскоростные подключения и ориентированные на операционную систему, требуют применения микропроцессоров. 

Другой ключевой аспект, определяющий выбор между микроконтроллером и микропроцессором, это требование по детерминированному времени реакции приложения. Из-за процессорного ядра, встроенной флэш памяти и программного обеспечения в виде RTOS (операционной системы реального времени) или чистого Си кода, микроконтроллер будет определенно лидировать по этому критерию. 

Заключительная часть нашего обсуждения будет касаться энергопотребления. Хотя у микропроцессора есть режимы пониженного энергопотребления, у типичного микроконтроллера их намного больше. Кроме того, внешнее аппаратное обеспечение микропроцессора осложняет его перевод в эти режимы. Фактическое потребление микроконтроллера значительно ниже, чем микропроцессора. Например, в режиме энергосбережения с сохранением регистров и оперативной памяти, микроконтроллер может потреблять в 10-100 раз меньше.

Заключение

Выбор между микроконтроллером и микропроцессором зависит от многих факторов, таких как производительность, возможности и бюджет разработки.

Вообще говоря, микроконтроллеры обычно используются в экономически оптимизированных решениях, где важное значение имеет стоимость изделия и энергосбережение. Они, например, широко используются в приложениях с ультра низким энергопотреблением, где требуется длительное время работы от батарей. Например, в пультах дистанционного управления, потребительских электросчетчиках, охранных системах и т.п. Также они используются там, где необходима высоко детерминированное поведение системы.

Микропроцессоры, как правило, применяются для создания функциональных и высокопроизводительных приложений. Они идеально подходят для промышленных и потребительских приложений на основе операционных систем, где интенсивно используются вычисления или требуется высокоскоростной обмен данными или дорогой пользовательский интерфейс.

И последнее. Выбирайте поставщика, предлагающего совместимые микроконтроллеры или микропроцессоры, чтобы иметь возможность мигрировать вверх или вниз, увеличивая повторное использование программного обеспечения.

Atmel "Microprocessor (MPU) or Microcontroller (MCU)?". Вольный перевод ChipEnable.Ru

У вас недостаточно прав для комментирования.