MPU和MCU的区别

RedZero9 · 发表于 2021-12-1 14:31

MPU和MCU是微处理器与嵌入式系统领域比较重要也比较容易混淆的两个概念。然而和很多技术名词一样，这两个技术名词长期以来在国内被混淆得比较严重。这一方面由于我国是技术后发国，这些概念本来也是从国外引进的，在引进过程中由于翻译和传播的问题有不到位的理解。另一方面是由于很多教材、资料编写过程中存在不严谨的地方，导致以讹传讹。甚至很多大学老师在解释这两个概念的时候都一头雾水，进一步混淆了这两个概念。
很多资料啰嗦了半天，列举了很多MPU和MCU的差别，其实都是舍本逐末。要搞清楚这两个概念的区别其实还是需要从处理器技术的演进历史和两种器件的定位角度上来分析和理解。
MPU的全称叫Micro Processor Unit，MCU的全称是Mirco Controller Unit。首先这两个词都有一个Micro开头，其实这就表明了这是计算/控制单元小型化后出现的技术。事实上，这是由于集成电路进步带来的计算机系统集成程度提高的结果。使得原来有多片分立的元件组成的计算机系统向高度集成化发展，多个芯片/元件的功能在向一颗芯片集中。这是一个大的技术演进的背景。
但在技术演进过程中，出现了两种不同的需求。这两种需求就是“以软制硬”和“以硬助软”两种模式。这在我的专栏里有一个系列，有兴趣的朋友可以去扩展阅读一下。所谓以软制硬，就是通过运行一段软件/程序来控制硬件，也就是所谓的程控。在这种使用模式中，计算机系统不承担主要的工作负载，而主要是起辅助/协调/控制作用。具体的可以参考：
因此这种情况下集成的化的计算机系统就不太需要强大的计算/处理能力。所以对应的形态应该是运行频率低、运算能力一般，但是需要集成化程度高（使用方便）、价格低廉（辅助系统不应增加太多成本）等因素。
由于主要完成“控制”相关的任务，所以被称为Controller。也就是根据外界的信号（刺激），产生一些响应，做一点简单的人机界面。对于这种需求，通过不需要芯片主频太高。早期8051系列主频不过10几MHz，还是12个周期执行一条指令。经过多年的“魔改”也最终达到了100MHz。其次就是处理能力不用太强，8位的MCU长期是微控制器的主流。后来16位的MCU逐步开始占领市场。而随着ARM的32位MCU的出现，采用ARM的M系列的MCU也开始逐步扩大市场。以ST、NXP公司的产品为主要代表。但是这些ARM系列MCU的主频一般也是在几十MHz到100多MHz的量级。其次由于执行的“控制相关”任务，通常不需要支持复杂的图形界面和处理能力。在MCU上完成的任务大多数是一些简单的刺激-响应式的任务，而且任务类型单一，任务执行过程简单。在这种情况下一般不需要MCU去执行功能复杂、运算量大的程序，而通常不需要运行大型操作系统来支持复杂的多任务管理。这就造成了MCU一般对于存储器的容量要求比较低。
而Processor，顾名思义是处理器。处理器就是能够执行“处理”功能的器件。其实具备Processor这个单词的器件不少。比如CPU就被称为“中央处理器”，那既然有“中央”就应该有“外围”。GPU在经典的桌面计算机中就是一个典型的“外围”处理器，主要负责图形图像处理，由于图形图像显示。当然，今天由于AI的崛起，GPU变身成为了人工智能的训练神器。带“P”的还有DSP，数字信号处理器，一种专门为了数字信号处理而生的“领域专用处理器”。所以这些带P的处理器，都是要具备“处理”能力的。“处理”什么？自然是处理数据/信息了。也就是说处理器本身都需要较为强大的数据处理/计算能力。以GPU为例，正是由于它强大的并行浮点运算能力才能支持高速的图像处理，使音视频播放、多媒体技术成为可能。同样由于这样的处理能力使之在AI时代来临之时发挥巨大作用。
以上对于处理器说了这么多，核心意思就是一个。处理器一定要处理/运算能力强，能够执行比较复杂的任务。而微处理器，其实就是微型化/集成化了的处理器。准确的说是微型化/集成化的“中央处理器”。这就是把传统的CPU之外集成了原属于“芯片组”的各类接口和部分“外设”而形成的。MPU从一开始就定位了具有相当的处理和运算能力，一帮需要运行较大型的操作系统来实现复杂的任务处理。因此这就决定了MPU应该具备比较高的主频，和较为强大的运算能力。MPU很早就演进到了32位处理器，现在更是开始大力普及64位。现在MPU领导具有绝对影响力的Arm公司一开始就定位要做32位。同时MPU也一直追求实现较高的主频。早期经典的Arm 9系列MPU频率就在200MHz-400MHz。现在手机上使用的高端MPU更是到达了3GHz，和主流的桌面处理器是一个级别了。和通用的桌面处理器一样，MPU现在也普遍“多核化”。
为了支撑MPU强大的算力，使得“物尽其用”。必然要求在MPU上运行比较复杂的、运算量大的程序和任务，通常需要有大容量的存储器来配合支撑。而大容量的存储器难以被集成到以逻辑功能为主的MPU内部，因此MPU现在要运行起来通常需要“外挂”大容量的存储器。主要是大容量的DDR存储器和FLASH。在手机领域前者被称为“运存”而后者被称为“内存”。为了支撑运行复杂操作系统和大型程序，往往还需要MPU中集成高性能的存储控制器、存储管理单元（MMU）等一整套复杂的存储机制和硬件。
所以从形态上看，MPU由于需要运行对处理能力要求复杂大程序，一般都需要外挂存储器才能运行起来。而MCU往往只是执行刺激-响应式的过程控制和辅助，功能比较单一，仅仅需要使用片上集成的小存储器即可。这是区别MPU和MCU的重要表象，但不是核心原因。
总结一下，MPU和MCU的区别本质上是因为应用定位不同，为了满足不同的应用场景而按不同方式优化出来的两类器件。MPU注重通过较为强大的运算/处理能力，执行复杂多样的大型程序，通常需要外挂大容量的存储器。而MCU通常运行较为单一的任务，执行对于硬件设备的管理/控制功能。通常不需要很强的运算/处理能力，因此也不需要有大容量的存储器来支撑运行大程序。通常以单片集成的方式在单个芯片内部集成小容量的存储器实现系统的“单片化”。
但需要指出的是，随着技术的不断演进。以上的产品形态也会发生一系列的变化和衍生。现在NXP已经开始推出主频在1GHz，带强大运算能力的MCU。而随着3D封装、Chiplet技术的进步，把大容量存储器以先进封装的方式实现“单片集成”也正在实现。所以这种技术名词最终还是应该从他们出现的原因去理解，而不应该简单的从一些形态、架构去解释。更不应该机械的搞一些没有什么意义的“定义”，还让学生在考试的时候去回答。
最后，Arm公司所提出A、R、M三个系列的处理器分类是更加科学、更加符合不同应用场景的分类。对于学习处理器相关知识的同学应该从这方向去理解更为合适。对于A、R、M的解释我们下次有机会再谈。

七彩极 · 发表于 2021-12-1 14:38

明白了！解释的很清楚，多谢

LiteralliJeff · 发表于 2021-12-1 14:40

找了很多资料都没看懂，一看您的回答就明白了，谢谢！再请问下MPU, MCU和SOM, SOC的区别和联系呢？

量子计算9 · 发表于 2021-12-1 14:48

这个改天开个文章单说。

xiaozongpeng · 发表于 2021-12-1 14:53

嗯嗯期待~

ainatipen · 发表于 2021-12-1 14:56

你成功地让我一个数学系的人大概明白了你所讲的内容，看别人的文章我都不懂...

Mecanim · 发表于 2021-12-1 14:59

赞，好厉害，我以前也一直分不清楚，为什么有时候要用单片机裸机跑，有时又需要可以运行RTOS操作系统的单片机，有时候又要使用可以运行LINUX操作系统的ARM芯片

jquave · 发表于 2021-12-1 15:08

“主要是大容量的DDR存储器和FLASH。在手机领域前者被称为“运存”而后者被称为“内存””，捉个小虫，这里写反了吧[大笑]

Baste · 发表于 2021-12-1 15:12

你确定？[流泪][发呆]

mastertravels77 · 发表于 2021-12-1 15:15

我不确定[好奇][好奇][好奇]，Flash是内存？

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