立即了解微控制器（MCU）領(lǐng)域的高端產(chǎn)品，您將發(fā)現(xiàn)具有與微處理器領(lǐng)域相似的微架構(gòu)和指令集特性的IC。實(shí)際上，德州儀器（TI）和飛思卡爾等公司都提供具有共享傳統(tǒng)的MCU和嵌入式目標(biāo)微處理器。不過，這兩個(gè)細(xì)分市場(chǎng)之間存在顯著差異，從公司的芯片設(shè)計(jì)和制造戰(zhàn)略到集成功能集以及硬件中根深蒂固的軟件支持。嵌入式設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須仔細(xì)考慮他們的應(yīng)用，以便在考慮設(shè)備選擇之前，正確選擇采用MCU或微處理器路徑。從高層次看MCU和微處理器技術(shù)，看起來這些細(xì)分市場(chǎng)相互對(duì)立。兩個(gè)陣營中都有兼容或重疊的指令集，并且MCU時(shí)鐘頻率已升級(jí)到接近微處理器段底端的點(diǎn)。

可擴(kuò)展系列

讓我們考慮一些似乎是兼容處理器技術(shù)平滑發(fā)展的例子，這些技術(shù)將MCU產(chǎn)品線推向微處理器領(lǐng)域。飛思卡爾提供基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的Kinetis MCU系列，包括K10，K20，K30，K40和K60 MCU等產(chǎn)品。在微處理器方面，飛思卡爾提供i.MX微處理器系列。 i.MX1/2，i.MXL和i.MXS系列基于ARM9內(nèi)核。 i.MX3x系列基于ARM11內(nèi)核，i.MX5x系列基于ARM Cortex-A8內(nèi)核。

顯然，基于飛思卡爾ARM的產(chǎn)品組合中使用的CPU核心存在差異。我們將在整篇文章中討論內(nèi)核中的體系結(jié)構(gòu)差異，但在簡(jiǎn)化的比較中，它們都支持相同的基本指令集。 Cortex-M4內(nèi)核針對(duì)低功耗和更小的芯片尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。 ARM9，ARM11和ARM Cortex-A8進(jìn)程基本上代表了性能功能的擴(kuò)展。我們可以與飛思卡爾基于PowerPC的產(chǎn)品組合進(jìn)行大致相同的比較，包括MPC6x和MPC7x微處理器系列以及PowerPC MCU系列。

對(duì)于TI（圖1），基于ARM的系列和以DSP為中心的處理器都有一個(gè)平行的故事。 Stellaris MCU系列基于ARM-Cortex M3內(nèi)核，包括3000，5000，6000，8000和9000系列MCU。 Sitara微處理器系列包括基于ARM9的AM1x處理器和基于Cortex-A8的ARM3x處理器。

圖1：TI Concerto MCU系列基于該公司的C2000系列架構(gòu)，結(jié)合了ARM Cortex-M3內(nèi)核和支持浮點(diǎn)的，以DSP為中心的內(nèi)核。

MCU與微處理器性能的關(guān)系

MCU和微處理器領(lǐng)域確實(shí)從高層次看起來是連續(xù)的。您幾乎可以考慮兩者之間的邊界，例如，比較16位和32位MCU，您可以在許多應(yīng)用程序中重疊選擇。但這樣做是錯(cuò)誤的。讓我們深入挖掘，找出原因。

從某些方面來看，MCU和微處理器從性能角度來看是非常接近的。考慮EEMBC（Embedded Microprocessor Benchmark Consortium）發(fā)布的CoreMark基準(zhǔn)測(cè)試。具體來說，讓我們討論從比較中消除時(shí)鐘速度的CoreMark/Mhz分?jǐn)?shù)。飛思卡爾Kinetis MCU的公布分?jǐn)?shù)范圍為2.05至2.95。 i.MX5系列的公布分?jǐn)?shù)范圍為2.28至2.45。

Kinetis和i.MX5的性能接近于Kinetis甚至在每MHz的基礎(chǔ)上占據(jù)上風(fēng)。當(dāng)然我們知道i.MX5速度更快，部分原因是時(shí)鐘速度。在i.MX產(chǎn)品組合中，最大時(shí)鐘速度從400 MHz擴(kuò)展到1.2 GHz。最快的Kinetis處理器運(yùn)行速度為150 MHz，盡管飛思卡爾已經(jīng)宣布了200 MHz設(shè)備的計(jì)劃。讓我們根據(jù)圖片中的時(shí)鐘速度重新考慮CoreMark得分。運(yùn)行頻率為800 MHz的i.MX5得分為1964，而150 MHz MCU的最高Kinetis得分為427。

時(shí)鐘速度差異

實(shí)際上，從時(shí)鐘速度開始，由于多種原因，MCU和微處理器性能之間仍然存在顯著差距。最大時(shí)鐘速度取決于制造過程和CPU微體系結(jié)構(gòu)。

我們都知道隨著制造商將摩爾定律推向更精細(xì)的工藝幾何形狀，時(shí)鐘速度會(huì)上升。 MCU將始終位于較舊的進(jìn)程上。 TI的C2000營銷經(jīng)理Sangmin Chon表示，“在MCU中，我們將永遠(yuǎn)落后于幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。” Chon指出，與微處理器相比，MCU通常部署在更具環(huán)境挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，例如高溫應(yīng)用。這一事實(shí)導(dǎo)致MCU制造商依賴強(qiáng)大的更保守的工藝節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)在讓我們考慮一些微控制器元件，這些元件將控制MCU的時(shí)鐘速度。深度流水線是一項(xiàng)重要功能，可以加快微處理器的時(shí)鐘速度。一些微處理器使用了20級(jí)或更多級(jí)。最近的趨勢(shì)更多的是10個(gè)階段，而MCU通常依賴于3到5個(gè)階段。

我們現(xiàn)在看一個(gè)差異很小的例子。飛思卡爾最快的PowerPC MCU基于具有4級(jí)的e300內(nèi)核。 MPC6x和MPC7x微處理器基于具有7級(jí)的e600內(nèi)核。從理論上講，e300內(nèi)核的運(yùn)行速度為667 MHz，而e600的運(yùn)行速度為1.8 Ghz。管道不是唯一的門控因素，但它是一個(gè)重要因素。

當(dāng)然，MCU設(shè)計(jì)人員可以增加流水線深度，但這樣做與許多公認(rèn)的MCU特性背道而馳。例如，考慮中斷響應(yīng)。中斷要求CPU在上下文切換后重新加載管道，因此存在許多沒有完成指令的周期。相對(duì)于微處理器，MCU在時(shí)鐘速度方面已經(jīng)處于劣勢(shì)，因此管道重載過程會(huì)在長(zhǎng)管道中產(chǎn)生不可接受的延遲。

長(zhǎng)管道也會(huì)影響硅足跡，芯片尺寸直接影響成本。微處理器市場(chǎng)更愿意接受更高的價(jià)格以獲得更好的性能，而在大多數(shù)基于MCU的系統(tǒng)中，成本仍然是一個(gè)巨大的問題。

內(nèi)存注意事項(xiàng)

讓我們繼續(xù)比較MCU中相對(duì)于微處理器的內(nèi)存情況以及內(nèi)存實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用程序的影響。集成內(nèi)存一直是MCU領(lǐng)域的一個(gè)決定性原則，可以追溯到最早的產(chǎn)品，如8051.最初由英特爾設(shè)計(jì)，它至今仍然很受歡迎，并被許多制造商銷售。

TI的Chon說：“當(dāng)您想到嵌入式MCU空間時(shí)，您會(huì)想到具有嵌入式存儲(chǔ)器的設(shè)備。”Chon補(bǔ)充說，在大多數(shù)應(yīng)用中，內(nèi)存要求將指導(dǎo)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇MCU或MPU。大多數(shù)基于MCU的設(shè)計(jì)依靠集成的閃存來存儲(chǔ)代碼.TI的頂級(jí)ARM MCU，Stellaris 9000系列，集成了512 KB的閃存（圖2）。目前市場(chǎng)上的MCU集成了幾兆字節(jié)的閃存，但很明顯，MCU可以處理的應(yīng)用程序的大小受到限制。

圖2：TIS基于ARM Cortex-M3的Stellaris系列中的9000系列MCU集成了512 KB的閃存用于代碼存儲(chǔ)。

然后，片上閃存故事也有例外。例如，恩智浦半導(dǎo)體正在使用一種名為Quad SPI的接口（有時(shí)稱為SPIFI用于SPI閃存接口），其中包含許多MCU。 Quad SPI鏈路使用4條線，可以將閃存的訪問速度提高四倍。恩智浦表示，該接口可以產(chǎn)生40 Mbps的讀取速率。

恩智浦基于ARM Cortex-M4的LPC4300 MCU系列中的首批產(chǎn)品未集成任何閃存。實(shí)際上，LPC4330和LPC4350 MCU完全依賴于四SPI連接的存儲(chǔ)器。外部閃存被視為MCU存儲(chǔ)器映射的一部分，MCU可以從外部存儲(chǔ)器啟動(dòng)。即使恩智浦推出集成閃存的LPC4300 MCU，Quad SPI功能也會(huì)派上用場(chǎng)，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以選擇應(yīng)用中所需的內(nèi)存量。恩智浦產(chǎn)品營銷經(jīng)理Gordon Cooper表示，靈活性在多媒體和圖形應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)榧砷W存可以處理應(yīng)用程序所需的代碼大小。該接口不提供與微處理器一起使用的高速DRAM接口中的速度類型，但Quad SPI仍然具有MCU中通常不具備的可擴(kuò)展性。

內(nèi)存管理或保護(hù)

大多數(shù)MCU和微處理器之間的另一個(gè)主要區(qū)別在于內(nèi)存管理或保護(hù)。這里討論的所有微處理器都將存儲(chǔ)器管理單元（MMU）集成為微體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)特征。相比之下，大多數(shù)MCU集成了通常稱為內(nèi)存保護(hù)單元的內(nèi)容。

MMU和內(nèi)存保護(hù)單元均可用于對(duì)內(nèi)存空間進(jìn)行分區(qū)，并保護(hù)關(guān)鍵任務(wù)代碼和數(shù)據(jù)免遭篡改。例如，內(nèi)存分區(qū)可以專用于一個(gè)CPU任務(wù)的私人使用。操作系統(tǒng)還可以保留對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域的訪問。 MMU更進(jìn)一步，虛擬化內(nèi)存空間，允許操作系統(tǒng)無縫訪問碎片存儲(chǔ)器映射。

MMU的存在或缺乏是大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)考慮處理器的另一個(gè)關(guān)鍵指導(dǎo)點(diǎn)。如果您的產(chǎn)品將運(yùn)行Linux等通用操作系統(tǒng)，則需要MMU。嵌入式應(yīng)用程序的大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與MMU或內(nèi)存保護(hù)單元同樣適用。

雖然很少見，但您可以在選定的MCU中找到完整的MMU功能。例如，飛思卡爾PowerPC MCU系列包括一個(gè)MMU。 Atmel（圖3）還在其基于ARM9的SAM9產(chǎn)品系列中集成了MMU。

圖3：Atmel的SAM9XE MCU系列基于包含MMU的ARM9內(nèi)核。大多數(shù)MCU僅集成了內(nèi)存保護(hù)單元。

在Atmel的案例中，有一個(gè)適用于產(chǎn)品的命名法。 Atmel稱SAM9R和SAM9M系列為嵌入式微處理器。它稱兄弟SAM9XE產(chǎn)品為MCU。嵌入式微處理器提供更高的時(shí)鐘速度，最高可達(dá)400 MHz，并包括DRAM接口。但是，所有基于ARM9的產(chǎn)品都包含MMU，并且所有產(chǎn)品都以MCU方式集成了外設(shè)功能。

周邊集成

已經(jīng)提到了外設(shè)集成，讓我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域更深入一點(diǎn)。如今，微處理器和MCU都集成了豐富的外設(shè)功能，但組合通常存在差異。在微處理器上，您通常會(huì)找到主要的數(shù)字外設(shè)功能。典型示例包括以太網(wǎng)和USB，圖形控制器和音頻控制器。

在MCU空間中，您還可以找到連接外圍設(shè)備和圖形控制器，盡管通常針對(duì)較小的低分辨率顯示器。但是，在MCU中，您通常會(huì)找到許多模擬外設(shè)，例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和脈沖寬度調(diào)制（PWM）外設(shè)。同樣總有例外。前面提到的Atmel嵌入式微處理器包括A/D轉(zhuǎn)換器和PWM。許多飛思卡爾的i.MX微處理器包括A/D轉(zhuǎn)換器，定時(shí)器，模擬音頻功能和PWM，如圖4所示。

圖4：飛思卡爾i.MX微處理器系列的一些成員包括以模擬為中心的外設(shè)，如MCU中常見的外設(shè)，包括i.MX251所示的A/D轉(zhuǎn)換器和PWM。

客戶驅(qū)動(dòng)的決策

盡管微處理器和MCU空間之間存在技術(shù)差異，但設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將面臨必須在高端MCU和低端微處理器之間進(jìn)行選擇的情況。在這些客戶的推動(dòng)下，IC制造商正在對(duì)重疊空間作出反應(yīng)。 TI的Chon指出，“從微處理器方面來看，我們確實(shí)看到線路模糊。”

TI所做的一件事是為其基于ARM9和Cortex-A8的處理器引入StarterWare軟件開發(fā)包。 StarterWare是免費(fèi)的，在許多情況下無需復(fù)雜的操作系統(tǒng)。此外，該工具還可以快速開發(fā)具有USB和網(wǎng)絡(luò)堆棧等功能的系統(tǒng)。事實(shí)上，該軟件更像是公司隨MCU提供的StellarisWare工具，而不是它歷史上為微處理器客戶提供的基于操作系統(tǒng)的工具。

這也是客戶的需求，推動(dòng)了TI的ARM-plus-DSP產(chǎn)品在MCU和微控制器領(lǐng)域的發(fā)展。從外部看，您可能會(huì)認(rèn)為TI希望在兩個(gè)部分提供類似的架構(gòu)，從而提供可擴(kuò)展的性能和功能集。

實(shí)際上，客戶出于完全無關(guān)的原因推動(dòng)了ARM-plus-DSP產(chǎn)品。對(duì)于TMS320C6A816x和OMAP系列，客戶需要DSP來處理數(shù)學(xué)密集型的多媒體和通信中心例程，同時(shí)還需要能夠托管復(fù)雜操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序的處理器。在Concerto MCU的情況下，客戶正在尋找ARM內(nèi)核的便利性，因此很容易實(shí)現(xiàn)USB和網(wǎng)絡(luò)堆棧等功能。在MCU的情況下，DSP主要針對(duì)工業(yè)類應(yīng)用，如電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的實(shí)時(shí)控制。

查看應(yīng)用程序需求

在這里總結(jié)我們的討論，消息不是一個(gè)簡(jiǎn)單的消息。 MCU和微處理器部分正在向重疊方向發(fā)展，有些情況可能會(huì)在您的設(shè)計(jì)中足夠。您應(yīng)該通過高級(jí)別的應(yīng)用程序要求和選擇來啟動(dòng)決策過程，例如是否需要強(qiáng)大的操作系統(tǒng)導(dǎo)致微處理器，或者系統(tǒng)占用空間是否要求代碼適合MCU的集成內(nèi)存。 IC制造商建議，在許多情況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)知道他們將遵循MCU或微控制器設(shè)計(jì)路徑。如果選擇模糊，團(tuán)隊(duì)必須密切評(píng)估微處理器外圍集成的增長(zhǎng)趨勢(shì)，或者M(jìn)CU中出現(xiàn)的時(shí)鐘頻率和外部存儲(chǔ)器支持的不斷增加。正是功能集中當(dāng)前約定的這些例外可能會(huì)導(dǎo)致正確的選擇。