Výběr mezi mikrokontrolérem a mikroprocesorem

Mozek vestavěného zařízení, kterým je procesorová jednotka, je klíčovým determinantem úspěchu nebo selhání zařízení při plnění úkolů, pro které je určen. Procesorová jednotka je zodpovědná za každý proces zahrnující od vstupu do systému až po konečný výstup, takže výběr správné platformy pro mozek se stává velmi důležitým během návrhu zařízení, protože každá další věc bude záviset na přesnosti tohoto rozhodnutí.

Mikrokontrolér a mikroprocesor

Komponenty zpracování používané pro vestavěná zařízení lze rozdělit do dvou širokých kategorií; Mikroprocesory a mikroprocesory.

Mikrokontroléry jsou malá výpočetní zařízení na jednom čipu, která obsahují jedno nebo více procesorových jader, s paměťovými zařízeními zabudovanými vedle programovatelných vstupních a výstupních (I / O) portů pro speciální a všeobecné účely. Používají se zejména v aplikacích, kde je třeba provádět pouze konkrétní opakující se úkoly. Už jsme diskutovali o výběru správného mikrokontroléru pro vaše vložené projekty.

Mikroprocesory na druhé straně jsou výpočetní zařízení pro všeobecné použití, která zahrnují všechny funkce centrální procesorové jednotky na čipu, ale neobsahují periferní zařízení, jako je paměť, a vstupní a výstupní piny, jako je mikrokontrolér.

Ačkoli výrobci nyní mění mnoho věcí, které stírají hranici mezi mikrokontroléry a mikroprocesory, jako je využití paměti na čipech pro mikroprocesory a schopnost mikrokontrolérů připojit se k externí paměti, mezi těmito součástmi stále existují klíčové rozdíly a návrhář bude je třeba vybrat mezi nimi to nejlepší pro konkrétní projekt.

Zjistěte více o rozdílu mezi mikrokontrolérem a mikroprocesorem.

Faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru MPU nebo MCU

Před přijetím jakéhokoli rozhodnutí, kterým směrem se bude ubírat procesorové zařízení, které se má použít pro návrh vloženého produktu, je důležité vypracovat specifikace návrhu. Vypracování specifikací designu poskytuje cestu k předběžnému návrhu zařízení, která pomáhá podrobně identifikovat problém, který má být vyřešen, jak má být vyřešen, zdůrazňuje použité komponenty a mnoho dalšího. To pomáhá konstruktérovi přijímat informovaná obecná rozhodnutí o projektu a pomáhá určit, kterým směrem se má procesorová jednotka vydat.

Níže jsou popsány některé faktory ve specifikaci návrhu, které je třeba vzít v úvahu před výběrem mezi mikrokontrolérem a mikroprocesorem.

1. Výkon zpracování

Procesní výkon je jednou z hlavních (ne-li hlavních) věcí, které je třeba vzít v úvahu při výběru mezi mikrokontrolérem a mikroprocesorem. Je to jeden z hlavních faktorů, které mikroprocesory používají. Měří se v DMIPS (Dhrystone Million of Instructions Per Seconds) a představuje počet instrukcí, které mikrokontrolér nebo mikroprocesor dokáže zpracovat za sekundu. Je to v podstatě údaj o tom, jak rychle může zařízení dokončit přiřazený úkol.

Zatímco stanovení přesné výpočetní síly, kterou váš návrh vyžaduje, může být velmi obtížný úkol, lze provést poučný odhad, který prozkoumá úkoly, zařízení, které se vytváří, aby plnilo, a jaké mohou být výpočetní požadavky těchto úkolů. Například vývoj zařízení, které vyžaduje použití celého operačního systému buď s vestavěným Linuxem, Windows CE nebo s jakýmkoli jiným operačním systémem, by vyžadovalo výpočetní výkon až 500 DMIPS, znějící jako procesor? Ano. Chcete-li přidat, spuštění operačního systému na zařízení bude vyžadovat jednotku správy paměti (MMU), která zvýší požadovaný výkon zpracování. Aplikace zařízení, které zahrnují hodně aritmetiky, také vyžadují velmi vysoké DMIPShodnoty a čím více matematických / numerických výpočtů má zařízení provádět, tím více se požadavky na design nakloní směrem k použití mikroprocesoru kvůli požadovanému výpočetnímu výkonu.

Jedním z dalších hlavních důsledků výpočetního výkonu, který ovlivňuje výběr mezi mikroprocesory a mikrokontroléry, je složitost nebo jednoduchost věcí, jako jsou uživatelská rozhraní. V dnešní době je žádoucí mít barevné a interaktivní grafické uživatelské rozhraní i pro nejzákladnější aplikace. Většina knihoven používaných při vytváření uživatelských rozhraní, jako je QT, vyžaduje výpočetní výkon až 80 - 100 DMIPS a čím více animací, obrázků a dalšího multimediálního obsahu se má zobrazit, tím vyšší je požadovaný výpočetní výkon. Jednodušší uživatelská rozhraní na obrazovkách s nízkým rozlišením však vyžadují malý výpočetní výkon a lze je napájet pomocí mikrokontrolérů, protože v dnešní době jich je docela dost, přicházejí s integrovanými rozhraními pro interakci s různými displeji

Kromě některých výše zmíněných základních funkcí je důležité vyhradit určitý výpočetní výkon pro komunikaci a další periferní zařízení. Ačkoli většina výše uvedených příkladů má tendenci podporovat použití mikroprocesorů, jsou obecně dražší ve srovnání s mikrokontroléry a budou nadměrné při použití v určitých řešeních, například použití mikroprocesoru 500 DMIPS k automatizaci žárovky způsobí celkové náklady produktu vyšší než obvykle a mohlo by to nakonec vést k jeho selhání na trhu.

2. Rozhraní

Rozhraní, které se má použít k připojení různých prvků produktu, je jedním z faktorů, které je třeba vzít v úvahu před výběrem mezi mikrokontrolérem a mikroprocesorem. Je důležité zajistit, aby použitá procesorová jednotka měla rozhraní vyžadovaná ostatními komponentami.

Například z hlediska konektivity a komunikace má většina mikrokontrolérů a mikroprocesorů rozhraní potřebná pro připojení ke komunikačním zařízením, ale když jsou vyžadovány vysokorychlostní komunikační periferie, jako je superrychlé rozhraní USB 3.0, více portů 10/100 Ethernet nebo port Gigabit Ethernet, věci naklonění ve směru mikroprocesoru, protože rozhraní potřebné k jejich podpoře se obvykle nachází pouze na nich, protože jsou schopnější zpracovat a zpracovat velké množství dat a rychlost, jakou jsou tato data přenášena.

Dopad protokolů použitých pro tato rozhraní na množství paměti potřebné pro firmware by měl být potvrzen, protože mají tendenci zvyšovat požadavky na paměť. Je obecným pravidlem, že mikroprocesorový design je vhodný pro aplikace, které vyžadují vysokorychlostní připojení s velkým množstvím vyměňovaných dat, zejména pokud systém zahrnuje použití operačního systému.

3. Paměť

Tato dvě zařízení pro zpracování dat zpracovávají paměť a ukládání dat odlišně. Například mikrokontroléry přicházejí s vestavěnými pevnými paměťovými zařízeními, zatímco mikroprocesory s rozhraními, ke kterým lze paměťová zařízení připojit. To má dva hlavní důsledky;

Náklady

Mikrokontrolér se stává levnějším řešením, protože nevyžaduje použití dalšího paměťového zařízení, zatímco mikroprocesor se stává nákladným řešením, které je třeba přijmout kvůli těmto dodatečným požadavkům.

Omezená paměť

Pevná paměť na mikrokontroléru omezuje množství dat, která lze na ni uložit. Toto je situace, která se nevztahuje na procesory, protože jsou obvykle připojeny k externím paměťovým zařízením. Dobrým příkladem, kdy může být toto omezení problémem, je vývoj firmwaru zařízení. Přidání dalších kilobajtů k velikosti kódu může vyžadovat změnu použitého mikrokontroléru, ale pokud byl návrh založen na procesoru, budeme muset změnit pouze paměťové zařízení. Mikroprocesory tedy nabízejí větší flexibilitu s pamětí.

Existuje několik dalších faktorů založených na paměti, které je třeba vzít v úvahu, jedním z nich je čas spuštění (boot). Mikroprocesory například ukládají firmware do externí paměti (obvykle do externí paměti NAND nebo Serial Flash) a při bootování se firmware načte do paměti DRAM procesoru. I když k tomu dojde během několika sekund, nemusí to být pro určité aplikace ideální. Mikrořadič na druhé straně zabere méně času.

Pro obecné úvahy o rychlosti obvykle vyhrává MCU díky své schopnosti řešit časově nejkritičtější aplikace z důvodu použitého jádra procesoru, skutečnosti, že je integrována paměť a použitý firmware je vždy RTOS nebo holý kov C.

4. Síla

Posledním bodem, který je třeba vzít v úvahu, je spotřeba energie. Zatímco mikroprocesory mají režimy s nízkou spotřebou, tyto režimy nejsou tolik jako ty, které jsou k dispozici na typickém MCU, a vzhledem k externím komponentům vyžadovaným designem založeným na mikroprocesoru je dosažení režimů s nízkou spotřebou o něco složitější. Kromě režimů nízké spotřeby je skutečné množství energie spotřebované MCU mnohem nižší, než kolik spotřebovává mikroprocesor, protože čím větší je schopnost zpracování, tím větší je množství energie potřebné k udržení chodu procesoru.

Mikrokontroléry proto mají tendenci hledat aplikace, kde jsou vyžadovány jednotky s velmi nízkým výkonem, jako jsou dálkové ovladače, spotřební elektronika a několik chytrých zařízení, kde je konstrukční důraz kladen na životnost baterie. Používají se také tam, kde je potřeba vysoce deterministické chování.

Mikroprocesory na druhé straně jsou ideální pro průmyslové a spotřebitelské aplikace, které vyžadují operační systém, jsou náročné na výpočet a vyžadují vysokorychlostní připojení nebo uživatelské rozhraní se spoustou informací o médiích.

Závěr

Existuje několik dalších faktorů, které slouží jako determinanty pro výběr mezi těmito dvěma platformami a všechny spadají do oblasti výkonu, schopností a rozpočtu, ale celkový výběr je snazší, když je k dispozici vhodný předběžný návrh systémů a jasně stanovené požadavky. Mikrokontroléry se většinou používají v řešeních s velmi omezeným rozpočtem kusovníku a s přísnými požadavky na výkon, zatímco mikroprocesory se používají v aplikacích s velkými požadavky na výpočet a výkon.