微处理器、单片机及其外设：处理还是控制？

考虑选择微处理器(MPU)或者单片机(MCU)时，应用类型通常是关键因素。另一方面，最终选择取决于诸如操作系统和内存之类的因素。不过，有时可以将微处理器和单片机内核结合使用，这称作异构架构。

1   操作系统

对于一些基于Linux或安卓等操作系统的计算机密集型工业和消费类应用，需要大量高速连接或功能范围广泛的用户接口，微处理器就是最佳选择。这是因为大多数单片机都没有操作系统，而只有裸机程序，借助于顺序处理循环和状态机，几乎无需任何人工干预即可运行程序。然而，许多高性能单片机可以支持诸如FreeRTOS之类的实时操作系统(RTOS)，从而以确定性方式实时响应需要硬实时行为的应用程序。

作为具有许多免费软件、广泛硬件支持和不断发展的生态系统的通用操作系统，嵌入式Linux取得了巨大的成功。它的另一个优点就是没有用户或授权许可费用。不过，与嵌入式Linux一起运行的应用程序至少需要300~400 DMIPS(ARM-Dhrystone MIPS)性能，因此较适合使用微处理器。单片机没有足够的计算能力和内存来应付此类应用。

如果是用于复杂或对实时性要求高的控制系统，RTOS则很有用，但至少要配合50 DMIPS的高性能单片机。这比嵌入式Linux所需的性能要求要少得多。传统的RTOS设计精简，因此可以在单片机上运行。针对实时计算硬件时，这是合理的，例如用于车辆的防抱死系统，若响应时间过长会带来致命的后果。即使必须支持大量的功能、中断源和标准通信接口，也建议使用带有RTOS的单片机。

2   内存

微处理器与单片机之间的另一个主要区别是，微处理器依赖外部存储器来保存和执行程序，而单片机则依赖嵌入式闪存。在微处理器中，程序通常存储在非易失性存储器中，例如eMMC或串行闪存。在启动过程中，将其加载到外部DRAM中并在此执行启动程序。DRAM和非易失性存储器都可以具有几百兆甚至几千兆字节容量，这意味着微处理器几乎从来不受存储容量限制。但有一个潜在缺点：外部存储器或许会使得PCB布局的设计变得更加复杂。

即使是当前的高性能单片机，例如由意法半导体(STMicroelectronics)生产的STM32H7，最多也仅提供2 MB程序内存，对于许多需要操作系统的应用而言可能不足。由于程序位于片上内存中，因此其优点是执行启动和重置过程的速度明显更快。

3   计算能力

计算能力是典型的选择因素。不过，在这方面，微处理机与单片机之间的界线变得模糊了。例如，如果你将ARM体系结构视为单片机和微处理器市场中分布最广泛的体系结构之一，这就变得显而易见了。ARM提供了不同的处理器体系结构，以满足各种要求，列举如下。

●   Cortex-A提供了最高性能，并且已经针对综合操作系统进行了优化。它们主要部署在功能强大的设备中，比如智能手机或服务器。

●   Cortex-M较小，具有更多的片上外设，但是能耗较低，并且针对嵌入式应用进行了优化。

Dhrystone是比较不同处理器性能的测试基准。根据该基准，普通平价单片机具有30 DMIPS，而当前性能最高的单片机(包括嵌入式程序闪存)与这些平价单片机的差距高达1 027 DMIPS。相比之下，微处理器的起步点约为1 000 DMIPS。

4   能耗

单片机在能耗方面表现出色，要比微处理器低很多。尽管微处理器具有节能模式，但其能耗仍然比典型的单片机高得多。而且，微处理器使用外部存储器，因此较难切换到节能模式。对于需要较长的电池运行时间，并且很少使用或没有用户接口的超低功耗应用，单片机是更好的选择，尤其是对于消费类电子产品或智能电表来说。

5   连接性

大多数单片机和微处理器都配备了所有常规外围设备接口。但是，如果用户需要的是超高速外围设备，在单片机里是找不到例如千兆以太网这种相关接口的。尽管这实际上已成为微处理器中的标准功能单片机。这是十分合理的，因为单片机几乎无法处理这些高速接口所产生的数据量。1个关键问题是：是否有足够的带宽和通道来处理爆发的数据量?

6   实时表现

当实时性能是最重要的考虑因素时，单片机绝对是首选。凭借处理器内核、嵌入式闪存和软件(RTOS或裸机OS)，单片机可以出色地完成实时任务。因为Cortex-A微处理器使用高性能的流水线，用户可以看到在跳转和中断期间，随着流水线的深度不断增加，延迟时间也随之升高。由于OS与微处理器一起执行多任务，因此很难实现硬实时操作。

7   系统基础IC

由于电源已经集成在单片机中，因此它们仅需要1个单电平电源。另一方面，微处理器需要许多不同电压的电源来为内核和其它组件供电，所以通常需要1个特殊配置的电源管理IC(即所谓的系统基础芯片)来进行供电管理。

8   异构架构

尽管如此，微处理器和单片机之间的界线显然变得越来越模糊。例如，意法半导体推出的STM32MP1带有1个或2个通常用于微处理器的Cortex-A7内核和1个单片机类型的Cortex-M4内核。意法半导体的这款功能强大的主控芯片，适用于基于开源软件，并且需要高性能和大量资源的应用。这为集两者之长提供了可能性。例如，可以在其中的微处理器内核上运行OpenST Linux，而在M4内核上运行FreeRTOS，以便满足过程监视中对实时性和安全性的要求。由于这种分离结构，可以使用所有操作系统功能，例如用于触摸控制和网络通信的人机接口，而不会因为实时性影响整个应用的安全要求。当涉及系统启动的延迟时间或能源消耗时，异构架构也具有优势，因为可以在任何时间使用更合适的处理器。例如，带有保留RAM的M4可以在几毫秒内唤醒，而A7则需要长达1 s的延迟时间才能唤醒。

评测板STM32MP157A-EV1配备了许多个接口和1个显示器（如图1）。

图1 评测板STM32MP157A-EV1

STM32MP1的参考设计

儒卓力提供STM32MP1和评测板(STM32MP157CEV1)及探索套件(STM32MP157C-DK2)，可一起用作参考设计。开发人员可从系统设计支持中受益。

它结合了STM32MP1主控和1个南亚的4Gb DDR3L SDRAM、1个Kioxia(前称东芝)的4GB e-MMC和1个作为支持芯片的优化电源管理IC STMPIC1。

10   结论

到底是微处理器，还是单片机？很难说微处理器或单片机哪个才是更好的选择，但经验法则是，你应该始终权衡各种利弊条件。以下几点可以用作大致指导。

● 单片机非常适合以能耗为主要关注点，且价格较低的移动应用以及具有实时需求的应用。

● 处理器则非常适合与操作系统一起运行并需要高速接口的密集计算应用。游戏和其他图形密集型应用使用特殊的微处理器进行联网处理。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2020年10月期）