【導讀】微控制器 (MCU)和微處理器(MPU)有哪些不同之處？簡單來說，兩者都是嵌入式系統(tǒng)的大腦。幾年前，兩者之間有非常明顯的區(qū)別，功能截然不同，對開發(fā)者的研發(fā)技能要求也大不相同。如今，這兩個術語仍然存在，但創(chuàng)新使得兩者之間的分界線日趨模糊。以前只用 MCU 的系統(tǒng)集成商現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，用MPU更容易，ST也注意到了這一點。微處理器已經成為某些開發(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，他們能夠開發(fā)新的應用或進入新的市場。因此，讓我們一起深入研究一下這個新趨勢。
微控制器 (MCU)和微處理器(MPU)有哪些不同之處？簡單來說，兩者都是嵌入式系統(tǒng)的大腦。幾年前，兩者之間有非常明顯的區(qū)別，功能截然不同，對開發(fā)者的研發(fā)技能要求也大不相同。如今，這兩個術語仍然存在，但創(chuàng)新使得兩者之間的分界線日趨模糊。以前只用 MCU 的系統(tǒng)集成商現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，用MPU更容易，ST也注意到了這一點。微處理器已經成為某些開發(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，他們能夠開發(fā)新的應用或進入新的市場。因此，讓我們一起深入研究一下這個新趨勢。
故事的開頭
MCU的出現(xiàn)是替代 MPU
當業(yè)界在上個世紀七十年代推出首個微控制器時，人們希望找到一種替代耗電量太大且設計復雜的 MPU 的產品。MCU雖然計算吞吐量要小很多，但將存儲器、處理器、外設和時鐘整合在一起，可以運行實時操作系統(tǒng)。工程師只需用一個微控制器即可構建確定性系統(tǒng)，這使得微控制器在汽車和電機控制應用中非常受歡迎。如今，從智能手機到醫(yī)療設備或家電，MCU可謂無處不在。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了更高的算力。當需要運行多個線程或更復雜的操作系統(tǒng)時，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(qū)別
根據(jù)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，無法確定選誰。但是，開發(fā)者常問一些問題，例如，算力要求。如果一個應用需要性能強大的神經處理單元或者多個計算核心和高性能GPU，又或者執(zhí)行上下文計算，可能對存儲空間有要求，那么， MPU 是一個顯而易見的選擇。相反，如果應用是一個小軟件，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間，那么，微控制器是一個正確的選擇。因此，在許多情況下，“目的決定手段是否正當”。簡而言之，工程師應根據(jù)要運行的具體應用來選擇一個合適的硬件平臺。
影響選型的另一個因素可能是系統(tǒng)的圖形需求。過去，具有復雜 3D 動畫的人機界面 (HMI)、高分辨率顯示屏、與用戶界面同時運行的復雜應用，將傾向于選用微處理器的GPU 和存儲控制器，而動畫和圖形更簡單的 HMI 越來越依賴于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(tǒng)MPU支持更高的分辨率，因為GPU的處理性能更強大。因此，雖然每種產品的功能越來越多，但界定兩者的區(qū)別仍然非常簡單。
根據(jù)成本和功耗選擇MCU還是MPU
除了計算吞吐量，開發(fā)人員還會考慮其他重要指標，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(shù)量。當工程師設法應對成本限制時，這些選擇標準變得至關重要，因為它們會影響整體 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 PCB 板層，這會增加交貨時間和成本。因此，長期以來，這個選擇標準相對簡單明了。關注成本或低功耗的系統(tǒng)集成商會選擇微控制器。
MCU 和 MPU 之間的界限日趨模糊
自 21 世紀初以來，MPU 經歷了重大變革。系統(tǒng)級模塊 (SoM) 和系統(tǒng)級封裝 (SiP) 的廣泛應用是MPU行業(yè)最具顛覆性的技術創(chuàng)新之一。過去，集成商必須圍繞微處理器設計整個系統(tǒng)，這意味著要處理更復雜的電源管理系統(tǒng)和繁瑣的外部存儲器等問題。事實上，使用大容量DDR外存需要反復微調和豐富的專業(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(xiàn)讓所有這些復雜問題都迎刃而解，這兩種組裝技術安全地將所有必要組件都整合到一個封裝或模塊內。
此外，ST的一些最新的微處理器已經更接近微控制器的功耗水平。現(xiàn)在，微處理器可以運行實時操作系統(tǒng)，使得 MPU 和 MCU 之間的界限進一步模糊。以前，執(zhí)行實時應用，例如，電機控制應用，必須使用微控制器。如今，工程師已開始采用 MPU，在不影響執(zhí)行時間的情況下，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。簡而言之，一些集成商正在充分利用 MPU的技術創(chuàng)新，當競爭對手還在用 MCU時，他們已經掌握了MPU這個新的秘密武器。
故事的發(fā)展
STM32H7還是STM32MP1?
過去幾年，高性能 MCU 和入門級 MPU 之間的界限非常模糊，使得 STM32MP13 等產品成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的新寵。像STM32H7 一樣，STM32MP13 本身也支持 Eclipse ThreadX。因此，給了從未接觸過微處理器的開發(fā)人員一個熟悉的開發(fā)環(huán)境，可以去調用 FileX、NetDuoX 或 USBX 的應用程序。因此，無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(tǒng)同時支持MCU和 MPU，從而進一步降低了進入門檻。例如，在 STM32CubeMX 上初始化引腳配置和時鐘樹。希望在 STM32 MPU 上實現(xiàn)安全密鑰配置的開發(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(tǒng)用戶有更多的動力去探索 MPU，將其用作支持新應用的秘密武器，因為他們已經熟悉ST的許多開發(fā)工具和產品概念。
從STM32MP13到STM32MP15
對于許多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員來說，問題不再是是否要涉足 MPU 領域，而是深入到何種程度，以及從哪里開始。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說，STM32MP13都是一個絕佳起點。這款微處理器搭載一顆1 GHz 的 Cortex-A7內核，對那些尋求設計簡單但性能強大的開發(fā)者有很大的吸引力。不是多核，意味著功耗更低（27μW），而且能夠將STM32MP13 集成到簡單的四層 PCB上。
那些追求更強性能的人會選擇 STM32MP15。該產品搭載兩顆Cortex-A7內核和一顆Cortex-M4內核，使得在模糊MCU和 MPU之間的界限的同時推動開發(fā)人員深入MPU陣營。例如，可以關閉 Cortex-A7內核，只開啟Cortex-M4內核，將其用作傳統(tǒng) MCU，記錄傳感器數(shù)據(jù)，同時消耗更少的電能。此外，這款產品的 3D GPU 符合 OpenGL 標準，允許開發(fā)人員運行更高級的用戶界面。該產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(tǒng)。
讓我們以一家開發(fā)工業(yè)用設備（例如，可編程邏輯控制器）的公司為例。開發(fā)者可以使用 STM32MP13 設計一個功能強大的無顯示屏產品。此后，開發(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 MPU 移植到另一個 MPU。該操作系統(tǒng)還運行先進的 UI 框架，例如，以可移植性而聞名的 Qt 或Crank。
另一個例子是智能恒溫器，其中用戶界面是產品體驗的重要組成部分。廠商一直在尋求產品差異化，使用不同級別的 UI 和屏幕尺寸來吸引更廣泛的客戶群。從 STM32MP15 遷移到 STM32MP13，開發(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位的產品組合。
從STM32MP15到STM32MP25
開發(fā)人員越來越關注如何設計使用壽命更長的產品，并在邊緣設備上引入機器學習。MPU 的最新進展可以提供更大的存儲靈活性，幫助開發(fā)者滿足這些需求，這也解釋了為什么許多人經常采用 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 位架構還意味著它可以為音視頻處理和網絡設備等應用提供更多的存儲空間，或者同時運行多個軟件，以節(jié)省資源，提高效率。
大多數(shù)工業(yè)應用使用相同的存儲器接口長達十年或更久，因此，微處理器必須提供靈活性更高的存儲控制器（與消費市場相比），這就是為什么 ST MPU 始終支持多個存儲器接口，并且ST確保最廣泛的兼容性，STM32MP25就是一個這樣的產品，它使系統(tǒng)支持變得更加高效，同時也便于進行設計更新和升級。
同樣，許多人都希望從邊緣機器學習中獲益。STM32MP25 是第一款支持 64 位架構的 STM32產品，搭載了兩顆 Cortex-A35內核，這是目前Arm最高效的內核。因此，這款產品可以運行更強大的應用，同時保持較低的功耗。神經處理單元 (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界面。因此，ST的新 MPU 為一些要求最苛刻的應用帶來了機會，例如，能夠進行人數(shù)統(tǒng)計或物體檢測的智能相機，以及空間計算等新系統(tǒng)。
未來將會怎樣？
ST決定發(fā)布更多的 STM32MP2 MPU，幫助開發(fā)人員根據(jù)實際需求定制應用。確實，同一系列微控制器通常包含很多不同的產品型號，而微處理器卻沒有那么多產品型號，因為微處理器制造難度更大。然而，隨著制造能力不斷優(yōu)化，ST計劃盡快發(fā)布更多產品，并使其中多個產品的引腳兼容。ST已經預發(fā)布了STM32MP21 和 STM32MP23。STM32MP21搭載Cortex-A35和Cortex-M33兩個內核、兩個以太網控制器和一個攝像頭接口，可以滿足有成本要求邊緣計算機視覺應用。STM32MP23定位在STM32MP25 和 STM32MP21之間，它的雙 Cortex-A35內核可以實現(xiàn)豐富的 UI，同時兼顧成本。
STM32 MPU產品系列
（來源：意法半導體博客)
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