В чем разница между микропроцессорами и микроконтроллерами?
Микропроцессоры и микроконтроллеры являются внутренними компонентами электронных устройств. Микропроцессор – это очень маленький процессор внутри центрального процессора. Это единая интегральная схема на компьютерном чипе, которая выполняет различные арифметические и логические функции на цифровых сигналах. Несколько десятков микропроцессоров совместно работают на высокопроизводительных серверах для обработки и анализа данных.
С другой стороны, микроконтроллер – это базовый вычислительный блок в интеллектуальных электронных устройствах, таких как стиральные машины и термостаты. Это очень маленький компьютер с собственной оперативной памятью, ПЗУ и устройствами ввода-вывода, встроенными в один чип. Он может обрабатывать цифровые сигналы и реагировать на ввод данных пользователем, но его вычислительные мощности ограничены.
В чем сходство между микропроцессорами и микроконтроллерами?
Микропроцессоры и микроконтроллеры – это централизованные компьютерные чипы, обеспечивающие интеллектуальные возможности персональных компьютеров и электронных устройств. Они построены на основе полупроводниковых интегральных схем и имеют определенные внутренние части.
Интегральная схема
И микропроцессоры, и микроконтроллеры представляют собой полупроводниковые компоненты, построенные на интегральной схеме. Интегральная схема – это очень маленький квадратный или прямоугольный чип, содержащий тысячи или даже миллионы электронных компонентов. Интегральные схемы позволяют инженерам уменьшить размер электронных схем.
ЦПУ
И микропроцессоры, и микроконтроллеры имеют центральный процессор. Процессор – это централизованная часть компьютерного чипа, которая обрабатывает инструкции, предоставляемые приложениями или микропрограммным обеспечением. Процессор также оснащен специальным арифметико-логическим устройством (ALU). ALU вычисляет математические значения и оценивает логические задачи на основе компьютерных инструкций.
Регистры
Регистры – это модули памяти, используемые процессором для обработки данных. Процессор временно хранит инструкции или бинарные данные до, во время и после их обработки. И микропроцессоры, и микроконтроллеры построены с использованием внутренних регистров, хотя микроконтроллеры часто имеют больше регистров, чем микроконтроллеры.
Архитектурные различия микропроцессоров и микроконтроллеров
Архитектурные различия микропроцессоров и микроконтроллеров
Несмотря на то, что микропроцессоры и микроконтроллеры имеют форму компьютерных чипов, они построены на разных архитектурах.
Микропроцессоры разработаны по архитектуре фон Неймана, где программа и данные находятся в одном модуле памяти. Между тем микроконтроллеры используют гарвардскую архитектуру, которая отделяет память программ от пространства данных.
Микропроцессоры содержат больше компонентов интегральных схем, чем микроконтроллеры. Это архитектурное различие влияет на особенности проектирования микропроцессоров и микроконтроллеров в вычислительных и встроенных системных приложениях.
Подробнее о компьютерных чипах »
Память
Микропроцессоры не имеют модулей внутренней памяти для хранения данных приложений. Инженеры должны подключить микропроцессор к внешним хранилищам памяти, таким как ROM и RAM, с помощью внешней шины.
Шина – это набор параллельных электрических соединений, которые позволяют микропроцессору отправлять данные в другие устройства и получать их. Существует три типа шин.
- Шина данных передает данные
- Адресная шина передает информацию о том, где хранить и извлекать данные
- Шина управления передает сигналы для координации с другими электрическими компонентами
Все три работают совместно в микропроцессорной системе.
С другой стороны, микроконтроллеры оснащены внутренней памятью ROM и RAM. Микроконтроллер использует внутреннюю шину для взаимодействия со встроенными модулями памяти.
Периферийные устройства
Периферийные устройства – это таймеры, средства связи, устройства ввода-вывода и другие возможности, позволяющие микроконтроллерам или микропроцессорам взаимодействовать с внешними компонентами или пользователями.
Микропроцессор не имеет встроенных периферийных устройств в интегральную схему. Вместо этого периферийные устройства подключаются извне, чтобы расширить возможности использования микропроцессора за пределы математической и логической обработки.
Напротив, микроконтроллеры соединяются со встроенными периферийными устройствами с помощью внутренней шины управления. Это позволяет микроконтроллеру управлять электронными устройствами с минимальным количеством дополнительных деталей или без них.
Вычислительная мощность
Микропроцессоры – это мощные компьютерные чипы, способные выполнять сложные вычислительные и математические задачи. Например, можно запустить программное обеспечение для статистической обработки, поскольку микропроцессор поддерживает операции с плавающей запятой.
И наоборот, микроконтроллеры имеют сравнительно меньшую вычислительную мощность и редко поддерживают вычисление с плавающей запятой. Вместо этого они сосредотачиваются на реализации определенной логики, например на управлении температурой нагревателя с помощью различных датчиков.
Другие ключевые отличия микропроцессоров и микроконтроллеров
Микропроцессоры поддерживают универсальные вычислительные операции на персональных компьютерах и корпоративных серверах. Между тем микроконтроллеры позволяют встроенным системам анализировать входные данные и реагировать на них в режиме реального времени.
Когда инженеры разрабатывают системы с микропроцессорами и микроконтроллерами, они учитывают такие различия.
Тактовая частота
Микропроцессоры обеспечивают высокоскоростные и надежные вычислительные мощности для различных приложений. Современный компьютерный процессор работает в диапазоне гигагерц (ГГц). Это позволяет компьютерной системе выполнять сложные математические вычисления и быстро возвращать результаты.
Хотя скорость микроконтроллера увеличивалась на протяжении десятилетий, она намного меньше скорости обработки данных микропроцессора. В зависимости от назначения тактовая частота микроконтроллера варьируется от килогерц (кГц) до сотен мегагерц (МГц). Несмотря на меньший диапазон скоростей, микроконтроллер может оптимально работать в пределах выделенной области применения.
Размер цепи
Микропроцессор не может работать сам по себе. Он использует внешние компоненты, такие как микросхемы связи, порты ввода-вывода, ОЗУ и ПЗУ, для формирования полноценной вычислительной системы. Таким образом, микропроцессорная схема состоит из адреса и шины данных, соединяющей множество периферийных устройств и микросхем памяти. Даже несмотря на развитие технологий печатных плат (PCB), микропроцессорная система требует значительного пространства.
Однако микроконтроллер имеет компактную конструкцию с более простой схемой. Большинство дополнительных компонентов, необходимых для микропроцессорной системы, легко доступны на том же чипе. Вместо использования отдельных компонентов инженеры при разработке электронных устройств используют один микроконтроллер. Таким образом освобождается больше места на электронной плате, что позволяет инженерам создавать компактные системы.
Потребляемая мощность
Микропроцессоры часто работают на более высокой скорости, чем микроконтроллеры, и потребляют больше энергии, поэтому для них требуется внешний источник питания. Аналогичным образом, вычислительная система на основе микропроцессорного блока имеет более высокое общее энергопотребление из-за большого количества дополнительных компонентов.
Между тем микроконтроллеры спроектированы так, чтобы эффективно работать при минимальном энергопотреблении. Кроме того, большинство микроконтроллеров имеют функции энергосбережения, которых нет в микропроцессорах.
Например, микроконтроллер может активировать режим энергосбережения и потреблять ограниченное количество энергии, когда данные не обрабатываются. Микроконтроллеры также могут отключать внутренние периферийные устройства, которые не используются, для экономии энергии. Благодаря этому микроконтроллеры – идеальный выбор для создания специализированных приложений с низким энергопотреблением, работающих на накопленном питании.
ОС
В практических приложениях микропроцессоры требуют операционной системы, обеспечивающей соответствующие функциональные возможности. Без операционной системы пользователям пришлось бы обучать микропроцессор на языке ассемблера или бинарном языке.
Между тем для работы микроконтроллеров не требуется операционная система. Однако существуют специальные операционные системы, которые помогают микроконтроллерам среднего и высокого уровня работать более эффективно.
Подключение
Микропроцессоры поддерживают более разнообразные коммуникационные технологии, чем микроконтроллеры. Например, микропроцессор обрабатывает высокоскоростные данные USB 3.0 или гигабитного Ethernet без дополнительного процессора.
Однако для большинства микроконтроллеров требуется специальный процессор для высокоскоростной передачи данных.
Стоимость
Микропроцессорная интегральная схема состоит только из процессора, арифметико-логического устройства (ALU) и регистров, что снижает производственные затраты на единицу продукции. Между тем один микроконтроллер имеет более сложную внутреннюю архитектуру и, как правило, дороже микропроцессора.
Однако микропроцессорная система дороже, так как требует дополнительных компонентов. В отличие от нее, микроконтроллер самостоятельно справляется с выбранной задачей.
Для микроконтроллера требуется меньше дополнительных компонентов, что приводит к удешевлению систем на основе микроконтроллеров. Например, плата кондиционера с микроконтроллером стоит дешевле, чем материнская плата компьютера с микропроцессорами.
Примеры использования микропроцессоров и микроконтроллеров
Как микропроцессоры, так и микроконтроллеры являются полезными электронными компонентами, если их применять в соответствующих сценариях использования.
Используйте микропроцессор, если вам требуется высокая вычислительная мощность для сложных или непредсказуемых вычислительных задач. Микропроцессоры используются во всех типах вычислительных устройств, таких как серверы, настольные компьютеры и мобильные вычислительные устройства. Организации используют серверы с множеством микропроцессоров для высокопроизводительных вычислений и запуска приложений искусственного интеллекта (ИИ).
С другой стороны, микроконтроллер – лучший выбор, если вы создаете систему управления с узкой областью применения. Микроконтроллеры также полезны для систем, требующих низкого энергопотребления. Некоторые микроконтроллеры могут работать месяцами от небольшой батареи. Например, система умного дома работает от микроконтроллеров. Компактные устройства, такие как дроны или портативные аудиоплееры, также содержат микроконтроллеры.
Краткое описание различий: микропроцессор и микроконтроллер
| Микропроцессор |
Микроконтроллер |
|
| Память |
Требуется внешняя память и хранилище данных. |
Встроенные модули памяти (ROM, RAM). |
| Периферийные устройства |
Нужны дополнительные детали. Подключение к внешней шине. |
Встроенные периферийные устройства (таймеры, порты ввода-вывода, преобразователь сигналов). |
| Вычислительная мощность |
Способны выполнять сложные вычислительные задачи. |
Ограничено определенной логикой приложения. |
| Тактовая частота |
Очень быстро. Диапазон ГГц. |
Быстро, но медленнее микропроцессоров. Диапазон кГц – МГц. |
| Потребляемая мощность |
Высокое энергопотребление. Нет режима энергосбережения. |
Минимальное энергопотребление. Встроенные режимы энергосбережения. |
| ОС |
Требуются операционные системы. |
Операционная система необязательна для некоторых микроконтроллеров. |
| Подключение |
Обеспечивает высокоскоростную передачу данных. Поддерживает USB 3.0 и гигабитный Ethernet. |
Поддерживает связь с низкой и средней скоростью. Последовательный периферийный интерфейс (SPI) и I²C. Универсальный асинхронный приемник-передатчик (UART). |
| Стоимость |
Дороже из-за дополнительных компонентов. |
Дешевле, потому что одна интегральная схема обеспечивает множество функций. |
| Пример использования |
Для обычных вычислений или систем, требующих высокой вычислительной мощности. |
Для компактных систем, устройств с питанием от батареи или устройств логической обработки. |
Как AWS может помочь вам в разработке микропроцессоров и микроконтроллеров?
Amazon Web Services (AWS) поддерживает ваши потребности в разработке микроконтроллеров и микропроцессоров с помощью соответствующих ресурсов и инфраструктуры.
FreeRTOS можно использовать для создания приложений для микроконтроллеров, подключаемых к облаку. FreeRTOS – это облачная операционная система реального времени с открытым исходным кодом, в которой используется быстрое, надежное и отзывчивое ядро. AWS предоставляет полезные библиотеки с помощью системы FreeRTOS, которая позволяет легко интегрировать возможности Интернета вещей (IoT) в прошивку микроконтроллера.
Эластичное вычислительное облако Amazon (EC2) позволяет организациям развертывать микропроцессорные приложения в облаке. Вычислительную среду или инстанс можно масштабировать в соответствии со спецификацией приложения и текущими потребностями. Мы предлагаем различные типы инстансов, в том числе на базе процессоров ARM, Intel и AMD, практически для любой рабочей нагрузки.
Начните разработку микропроцессоров и микроконтроллеров на AWS, создав аккаунт сегодня.
