Selecció entre un microcontrolador i un microprocessador

El cervell d'un dispositiu incrustat, que és la unitat de processament, és un factor determinant clau de l'èxit o el fracàs del dispositiu en la realització de les tasques per a les quals està dissenyat. La unitat de processament és responsable de tots els processos que comporten des de l'entrada al sistema fins a la sortida final, de manera que seleccionar la plataforma adequada per al cervell esdevé molt important durant el disseny del dispositiu, ja que qualsevol altra cosa dependrà de la precisió d'aquesta decisió.

Microcontrolador i microprocessador

Els components de processament utilitzats per a dispositius incrustats es poden dividir en dues grans categories; Microcontroladors i microprocessadors.

Els microcontroladors són petits dispositius informàtics d’un sol xip que contenen un o més nuclis de processament, amb dispositius de memòria incrustats al costat de ports d’entrada i sortida (E / S) programables per a usos especials i generals. S’utilitzen especialment en aplicacions on només cal realitzar tasques repetitives específiques. Ja hem parlat sobre la selecció del microcontrolador adequat per als vostres projectes incrustats.

Els microprocessadors, d'altra banda, són dispositius informàtics d'ús general que incorporen totes les funcions de la unitat central de processament en un xip, però no inclouen perifèrics com la memòria i els pins d'entrada i sortida com el microcontrolador.

Tot i que ara els fabricants canvien moltes coses que difuminen la línia entre microcontroladors i microprocessadors, com l’ús de memòria en xips per a microprocessadors i la capacitat dels microcontroladors de connectar-se a una memòria externa, encara existeixen diferències clau entre aquests components i el dissenyador. cal triar el millor entre ells per a un projecte concret.

Obteniu més informació sobre la diferència entre el microcontrolador i el microprocessador.

Factors a tenir en compte a l’hora de seleccionar una MPU o MCU

Abans de prendre qualsevol decisió sobre la direcció a seguir pel que fa al dispositiu de processament que s’ha d’utilitzar per al disseny d’un producte incrustat, és important desenvolupar les especificacions de disseny. El desenvolupament de les especificacions de disseny proporciona un avantatge per al predisseny del dispositiu que ajuda a identificar en detalls, el problema que s’ha de resoldre, com s’ha de resoldre, ressalta els components que s’utilitzaran i molt més. Això ajuda el dissenyador a prendre decisions generals informades sobre el projecte i ajuda a determinar quina direcció s’ha de recórrer per a la unitat de processament.

A continuació es descriuen alguns dels factors de l’especificació de disseny que cal tenir en compte abans de triar entre un microcontrolador i un microprocessador.

1. Potència de processament

La potència de processament és un dels aspectes principals (si no els principals) a tenir en compte a l’hora de seleccionar entre un microcontrolador i un microprocessador. És un dels principals factors que fa servir la inclinació dels microprocessadors. Es mesura en DMIPS (Dhrystone Million of Instructions per Seconds) i representa el nombre d’instruccions que un microcontrolador o microprocessador pot processar en un segon. Bàsicament és una indicació de la rapidesa amb què un dispositiu pot completar una tasca que se li assigna.

Tot i que determinar la potència de càlcul exacta que requereix el vostre disseny pot ser una tasca molt difícil, es pot fer una conjectura educada examinant les tasques, el dispositiu que s’està creant i quins poden ser els requisits computacionals d’aquestes tasques. Per exemple, el desenvolupament d'un dispositiu que requereixi l'ús d'un sistema operatiu complet ja sigui incrustat Linux, Windows CE o qualsevol altre sistema operatiu requeriria una potència de processament de fins a 500 DMIPS, que soni com un processador? Sí. Per afegir-hi, l’execució d’un sistema operatiu en un dispositiu requerirà una unitat de gestió de memòria (MMU) que augmentarà la potència de processament necessària. Les aplicacions de dispositius que impliquen molta aritmètica també requereixen DMIPS molt elevatsvalors i com més càlculs matemàtics / numèrics realitzi el dispositiu, més els requisits de disseny s’inclinen cap a l’ús d’un microprocessador a causa de la potència de processament necessària.

Una altra de les implicacions principals de la potència de processament que afecta l’elecció entre microprocessadors i microcontroladors és la complexitat o la simplicitat de coses com les interfícies d’usuari. Actualment, és desitjable disposar d’interfícies gràfiques interactives i colorides fins i tot per a les aplicacions més bàsiques. La majoria de les biblioteques que s’utilitzen per crear interfícies d’usuari com QT requereixen una potència de processament de fins a 80 - 100 DMIPS i com més animacions, imatges i altres continguts multimèdia es mostrin, més potència de processament es necessita. No obstant això, les interfícies d'usuari més senzilles en pantalles de baixa resolució requereixen poca potència de processament i es poden alimentar mitjançant microcontroladors, ja que actualment són força nombroses i inclouen interfícies integrades per interactuar amb diferents pantalles

A part d'algunes de les funcions bàsiques esmentades anteriorment, és important reservar una mica de potència de processament per a comunicacions i altres perifèrics. Tot i que la majoria d’exemples esmentats anteriorment tendeixen a donar suport a l’ús de microprocessadors, generalment són més cars en comparació amb els microcontroladors i suposaran un excés quan s’utilitzen en determinades solucions, per exemple, l’ús d’un microprocessador de 500 DMIPS per automatitzar una bombeta suposarà un cost total del producte superior al normal i, finalment, podria provocar el seu fracàs al mercat.

2. Interfícies

La interfície que s’utilitzarà per connectar diferents elements del producte és un dels factors a tenir en compte abans de triar entre un microcontrolador i un microprocessador. És important assegurar-se que la unitat de processament que s’utilitzarà tingui les interfícies requerides pels altres components.

Des del punt de vista de connectivitat i comunicacions, per exemple, la majoria de microcontroladors i microprocessadors posseeixen les interfícies necessàries per connectar-se a dispositius de comunicació, però quan es necessiten perifèrics de comunicació d’alta velocitat com la interfície USB 3.0 de super velocitat, diversos ports Ethernet 10/100 o port Gigabit Ethernet, inclineu-vos en la direcció del microprocessador, ja que la interfície necessària per suportar-los solen trobar-s'hi, ja que són més capaços de manejar i processar les grans quantitats de dades i la velocitat amb què es transfereixen aquestes dades.

S'ha de confirmar l'impacte dels protocols utilitzats per a aquestes interfícies sobre la quantitat de memòria necessària per al firmware, ja que tendeixen a augmentar els requisits de memòria. És una regla general que s’adopti un disseny basat en microprocessador per a aplicacions que requereixen connectivitat d’alta velocitat amb un gran intercanvi de dades, especialment quan el sistema implica l’ús d’un sistema operatiu.

3. Memòria

Aquests dos dispositius de processament de dades gestionen la memòria i l’emmagatzematge de dades de manera diferent. Els microcontroladors, per exemple, inclouen dispositius de memòria fixa incrustats, mentre que els microprocessadors tenen interfícies a les quals es poden connectar dispositius de memòria. Dues implicacions principals són:

Cost

El microcontrolador es converteix en una solució més econòmica, ja que no requereix l’ús d’un dispositiu de memòria addicional, mentre que el microprocessador es converteix en una solució costosa que s’ha d’adoptar a causa d’aquests requisits addicionals.

Memòria limitada

La memòria fixa del microcontrolador limita la quantitat de dades que s’hi poden emmagatzemar. Aquesta és una situació no aplicable als processadors, ja que normalment estan connectats a dispositius de memòria externs. Un bon exemple de quan aquesta limitació pot ser un problema és quan es desenvolupa un firmware per al dispositiu. Per afegir kilobytes addicionals a la mida del codi, és possible que calgui fer un canvi en el microcontrolador, però si el disseny es basa en un processador, només haurem de canviar el dispositiu de memòria. Així, els microprocessadors ofereixen més flexibilitat amb la memòria.

Hi ha diversos altres factors basats en la memòria que cal tenir en compte, un d’ells és el temps d’inici (arrencada). Els microprocessadors, per exemple, emmagatzemen el microprogramari en una memòria externa (normalment una memòria NAND externa o memòria Serial Flash) i, en arrencar, el microprogramari es carrega al DRAM del processador. Tot i que es produeix en un parell de segons, pot ser que no sigui ideal per a determinades aplicacions. Per altra banda, el microcontrolador triga menys temps.

Per qüestions generals de velocitat, la MCU sol guanyar per la seva capacitat d’afrontar les aplicacions que necessiten més temps a causa del nucli del processador que s’hi utilitza, el fet que la memòria estigui incrustada i el microprogramari que s’utilitza sempre és RTOS o bare metal C.

4. Potència

Un últim punt a tenir en compte és el consum d’energia. Tot i que els microprocessadors tenen modes de baixa potència, aquests modes no són tants com els disponibles en una MCU típica i amb els components externs requerits per un disseny basat en microprocessador, és lleugerament més complex aconseguir modes de baixa potència. A part dels modes de baixa potència, la quantitat real d’energia consumida per una MCU és molt inferior a la que consumeix un microprocessador, perquè com més gran sigui la capacitat de processament, més potència es necessita per mantenir el processador en funcionament.

Per tant, els microcontroladors solen trobar aplicacions on es requereixen unitats de processament de potència ultra baixa, com ara comandaments a distància, electrònica de consum i diversos dispositius intel·ligents on el disseny posa èmfasi en la longevitat de la vida de la bateria. També s’utilitzen quan es necessita un comportament altament determinista.

Els microprocessadors, d'altra banda, són ideals per a aplicacions industrials i de consum que requereixen un sistema operatiu, requereixen computació i requereixen connectivitat d'alta velocitat o una interfície d'usuari amb molta informació multimèdia.

Conclusió

Hi ha diversos altres factors que serveixen de determinants per escollir entre aquestes dues plataformes i totes es troben sota el rendiment, la capacitat i el pressupost, però la selecció general es fa més fàcil quan hi ha un pre-disseny adequat dels sistemes i els requisits s’indiquen clarament. Els microcontroladors s’utilitzen principalment en solucions amb un pressupost BOM molt reduït i amb requisits d’alimentació estrictes, mentre que els microprocessadors s’utilitzen en aplicacions amb grans requisits de càlcul i rendiment.