【導讀】微控制器 (MCU)和微處理器(MPU)有哪些不同之處？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，兩者都是嵌入式系統的大腦。幾年前，兩者之間有非常明顯的區別，功能截然不同，對開(kāi)發(fā)者的研發(fā)技能要求也大不相同。如今，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)仍然存在，但創(chuàng )新使得兩者之間的分界線(xiàn)日趨模糊。以前只用 MCU 的系統集成商現在發(fā)現，用MPU更容易，ST也注意到了這一點(diǎn)。微處理器已經(jīng)成為某些開(kāi)發(fā)者手中的秘密武器，借助其原生的功能或運行嵌入式 Linux 的能力，他們能夠開(kāi)發(fā)新的應用或進(jìn)入新的市場(chǎng)。因此，讓我們一起深入研究一下這個(gè)新趨勢。
微控制器 (MCU)和微處理器(MPU)有哪些不同之處？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，兩者都是嵌入式系統的大腦。幾年前，兩者之間有非常明顯的區別，功能截然不同，對開(kāi)發(fā)者的研發(fā)技能要求也大不相同。如今，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)仍然存在，但創(chuàng )新使得兩者之間的分界線(xiàn)日趨模糊。以前只用 MCU 的系統集成商現在發(fā)現，用MPU更容易，ST也注意到了這一點(diǎn)。微處理器已經(jīng)成為某些開(kāi)發(fā)者手中的秘密武器，借助其原生的功能或運行嵌入式 Linux 的能力，他們能夠開(kāi)發(fā)新的應用或進(jìn)入新的市場(chǎng)。因此，讓我們一起深入研究一下這個(gè)新趨勢。
故事的開(kāi)頭
MCU的出現是替代 MPU
當業(yè)界在上個(gè)世紀七十年代推出首個(gè)微控制器時(shí)，人們希望找到一種替代耗電量太大且設計復雜的 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、外設和時(shí)鐘整合在一起，可以運行實(shí)時(shí)操作系統。工程師只需用一個(gè)微控制器即可構建確定性系統，這使得微控制器在汽車(chē)和電機控制應用中非常受歡迎。如今，從智能手機到醫療設備或家電，MCU可謂無(wú)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(lái)了更高的算力。當需要運行多個(gè)線(xiàn)程或更復雜的操作系統時(shí)，例如，嵌入式 Linux，算力更高的MPU更具吸引力。
弄清楚MCU和MPU之間的區別
根據應用需求選擇 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(wú)法確定選誰(shuí)。但是，開(kāi)發(fā)者常問(wèn)一些問(wèn)題，例如，算力要求。如果一個(gè)應用需要性能強大的神經(jīng)處理單元或者多個(gè)計算核心和高性能GPU，又或者執行上下文計算，可能對存儲空間有要求，那么， MPU 是一個(gè)顯而易見(jiàn)的選擇。相反，如果應用是一個(gè)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時(shí)間，那么，微控制器是一個(gè)正確的選擇。因此，在許多情況下，“目的決定手段是否正當”。簡(jiǎn)而言之，工程師應根據要運行的具體應用來(lái)選擇一個(gè)合適的硬件平臺。
影響選型的另一個(gè)因素可能是系統的圖形需求。過(guò)去，具有復雜 3D 動(dòng)畫(huà)的人機界面 (HMI)、高分辨率顯示屏、與用戶(hù)界面同時(shí)運行的復雜應用，將傾向于選用微處理器的GPU 和存儲控制器，而動(dòng)畫(huà)和圖形更簡(jiǎn)單的 HMI 越來(lái)越依賴(lài)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行的應用。同樣，嵌入式系統MPU支持更高的分辨率，因為GPU的處理性能更強大。因此，雖然每種產(chǎn)品的功能越來(lái)越多，但界定兩者的區別仍然非常簡(jiǎn)單。
根據成本和功耗選擇MCU還是MPU
除了計算吞吐量，開(kāi)發(fā)人員還會(huì )考慮其他重要指標，例如，功耗、易失性存儲器、非易失性存儲器需求、所需外設和引腳數量。當工程師設法應對成本限制時(shí)，這些選擇標準變得至關(guān)重要，因為它們會(huì )影響整體 PCB 設計和物料成本 (BOM)。例如，許多閃存和附加組件將需要多個(gè) PCB 板層，這會(huì )增加交貨時(shí)間和成本。因此，長(cháng)期以來(lái)，這個(gè)選擇標準相對簡(jiǎn)單明了。關(guān)注成本或低功耗的系統集成商會(huì )選擇微控制器。
MCU 和 MPU 之間的界限日趨模糊
自 21 世紀初以來(lái)，MPU 經(jīng)歷了重大變革。系統級模塊 (SoM) 和系統級封裝 (SiP) 的廣泛應用是MPU行業(yè)最具顛覆性的技術(shù)創(chuàng )新之一。過(guò)去，集成商必須圍繞微處理器設計整個(gè)系統，這意味著(zhù)要處理更復雜的電源管理系統和繁瑣的外部存儲器等問(wèn)題。事實(shí)上，使用大容量DDR外存需要反復微調和豐富的專(zhuān)業(yè)知識，這可能是阻礙MPU應用的一大障礙，然而，SoM 和 SiP 的出現讓所有這些復雜問(wèn)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(gè)封裝或模塊內。
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?，F在，微處理器可以運行實(shí)時(shí)操作系統，使得 MPU 和 MCU 之間的界限進(jìn)一步模糊。以前，執行實(shí)時(shí)應用，例如，電機控制應用，必須使用微控制器。如今，工程師已開(kāi)始采用 MPU，在不影響執行時(shí)間的情況下，獲得更強大的計算能力和更大的存儲容量，是一舉兩得的好事。簡(jiǎn)而言之，一些集成商正在充分利用 MPU的技術(shù)創(chuàng )新，當競爭對手還在用 MCU時(shí)，他們已經(jīng)掌握了MPU這個(gè)新的秘密武器。
故事的發(fā)展
STM32H7還是STM32MP1?
過(guò)去幾年，高性能 MCU 和入門(mén)級 MPU 之間的界限非常模糊，使得 STM32MP13 等產(chǎn)品成為嵌入式系統開(kāi)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(guò)微處理器的開(kāi)發(fā)人員一個(gè)熟悉的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以去調用 FileX、NetDuoX 或 USBX 的應用程序。因此，無(wú)需重新培訓團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)系統同時(shí)支持MCU和 MPU，從而進(jìn)一步降低了進(jìn)入門(mén)檻。例如，在 STM32CubeMX 上初始化引腳配置和時(shí)鐘樹(shù)。希望在 STM32 MPU 上實(shí)現安全密鑰配置的開(kāi)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)系統用戶(hù)有更多的動(dòng)力去探索 MPU，將其用作支持新應用的秘密武器，因為他們已經(jīng)熟悉ST的許多開(kāi)發(fā)工具和產(chǎn)品概念。
從STM32MP13到STM32MP15
對于許多嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，問(wèn)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(kāi)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作為秘密武器的團隊來(lái)說(shuō)，STM32MP13都是一個(gè)絕佳起點(diǎn)。這款微處理器搭載一顆1 GHz 的 Cortex-A7內核，對那些尋求設計簡(jiǎn)單但性能強大的開(kāi)發(fā)者有很大的吸引力。不是多核，意味著(zhù)功耗更低（27μW），而且能夠將STM32MP13 集成到簡(jiǎn)單的四層 PCB上。
那些追求更強性能的人會(huì )選擇 STM32MP15。該產(chǎn)品搭載兩顆Cortex-A7內核和一顆Cortex-M4內核，使得在模糊MCU和 MPU之間的界限的同時(shí)推動(dòng)開(kāi)發(fā)人員深入MPU陣營(yíng)。例如，可以關(guān)閉 Cortex-A7內核，只開(kāi)啟Cortex-M4內核，將其用作傳統 MCU，記錄傳感器數據，同時(shí)消耗更少的電能。此外，這款產(chǎn)品的 3D GPU 符合 OpenGL 標準，允許開(kāi)發(fā)人員運行更高級的用戶(hù)界面。該產(chǎn)品還配備了更多的顯示接口和外設。因此，STM32MP15 可以幫助集成商擴展系統。
讓我們以一家開(kāi)發(fā)工業(yè)用設備（例如，可編程邏輯控制器）的公司為例。開(kāi)發(fā)者可以使用 STM32MP13 設計一個(gè)功能強大的無(wú)顯示屏產(chǎn)品。此后，開(kāi)發(fā)者可以把原始設計遷移到STM32MP15上，增裝一塊分辨率1080 x 720的顯示屏，給PLC控制器增加一個(gè)人機界面 (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，并輕松地將應用從一個(gè) MPU 移植到另一個(gè) MPU。該操作系統還運行先進(jìn)的 UI 框架，例如，以可移植性而聞名的 Qt 或Crank。
另一個(gè)例子是智能恒溫器，其中用戶(hù)界面是產(chǎn)品體驗的重要組成部分。廠(chǎng)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(lái)吸引更廣泛的客戶(hù)群。從 STM32MP15 遷移到 STM32MP13，開(kāi)發(fā)者可以運行相同的底層應用，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(jià)位的產(chǎn)品組合。
從STM32MP15到STM32MP25
開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越關(guān)注如何設計使用壽命更長(cháng)的產(chǎn)品，并在邊緣設備上引入機器學(xué)習。MPU 的最新進(jìn)展可以提供更大的存儲靈活性，幫助開(kāi)發(fā)者滿(mǎn)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 位架構還意味著(zhù)它可以為音視頻處理和網(wǎng)絡(luò )設備等應用提供更多的存儲空間，或者同時(shí)運行多個(gè)軟件，以節省資源，提高效率。
大多數工業(yè)應用使用相同的存儲器接口長(cháng)達十年或更久，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(chǎng)相比），這就是為什么 ST MPU 始終支持多個(gè)存儲器接口，并且ST確保最廣泛的兼容性，STM32MP25就是一個(gè)這樣的產(chǎn)品，它使系統支持變得更加高效，同時(shí)也便于進(jìn)行設計更新和升級。
同樣，許多人都希望從邊緣機器學(xué)習中獲益。STM32MP25 是第一款支持 64 位架構的 STM32產(chǎn)品，搭載了兩顆 Cortex-A35內核，這是目前Arm最高效的內核。因此，這款產(chǎn)品可以運行更強大的應用，同時(shí)保持較低的功耗。神經(jīng)處理單元 (NPU)的處理速度達到1.35 TOPS，Vulkan 兼容GPU能夠在全高清顯示屏上輕松運行新穎的用戶(hù)界面。因此，ST的新 MPU 為一些要求最苛刻的應用帶來(lái)了機會(huì )，例如，能夠進(jìn)行人數統計或物體檢測的智能相機，以及空間計算等新系統。
未來(lái)將會(huì )怎樣？
ST決定發(fā)布更多的 STM32MP2 MPU，幫助開(kāi)發(fā)人員根據實(shí)際需求定制應用。確實(shí)，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(méi)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(zhù)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(gè)產(chǎn)品的引腳兼容。ST已經(jīng)預發(fā)布了STM32MP21 和 STM32MP23。STM32MP21搭載Cortex-A35和Cortex-M33兩個(gè)內核、兩個(gè)以太網(wǎng)控制器和一個(gè)攝像頭接口，可以滿(mǎn)足有成本要求邊緣計算機視覺(jué)應用。STM32MP23定位在STM32MP25 和 STM32MP21之間，它的雙 Cortex-A35內核可以實(shí)現豐富的 UI，同時(shí)兼顧成本。
STM32 MPU產(chǎn)品系列
（來(lái)源：意法半導體博客)
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