マイクロプロセッサとマイクロコントローラの違いは何ですか?

マイクロプロセッサとマイクロコントローラは、パーソナルコンピュータと電子デバイスにインテリジェンスをもたらす集中型コンピュータチップです。これらは半導体集積回路で構築されており、特定の内部部品を共有しています。 

集積回路

マイクロプロセッサとマイクロコントローラはどちらも集積回路上に構築された半導体コンポーネントです。集積回路は、数千または数百万もの電子部品を含む非常に小さな正方形または長方形のチップです。集積回路により、エンジニアは電子回路のサイズを小さくすることができます。

CPU

マイクロプロセッサとマイクロコントローラはどちらも CPU を搭載しています。CPU は、アプリケーションやファームウェアによって提供される命令を処理するコンピュータチップの中央部分です。CPU には特別な算術論理ユニット (ALU) モジュールもあります。ALU は、コンピュータ命令に基づいて数学的値を計算し、論理問題を評価します。 

レジスタ

レジスタは、CPU が処理に使用するメモリモジュールです。CPU は、処理前、処理中、処理後に命令またはバイナリデータを一時的に保存します。マイクロプロセッサとマイクロコントローラはどちらも内部レジスタを使用して構築されていますが、マイクロコントローラはマイクロコントローラよりも多くのレジスタを備えていることがよくあります。

マイクロプロセッサは、パーソナルコンピュータやエンタープライズサーバーの多様なコンピューティング操作をサポートします。一方、マイクロコントローラを使用すると、組み込みシステムが入力をリアルタイムで分析して応答できます。

エンジニアがマイクロプロセッサとマイクロコントローラを使ってシステムを開発するとき、このような違いに留意します。

クロック速度

マイクロプロセッサは、さまざまなアプリケーションに高速で堅牢なコンピューティング能力を提供します。最新のコンピュータプロセッサは、ギガヘルツ (GHz) の範囲で動作します。これにより、コンピュータシステムは複雑な数学的計算を実行し、結果を即座に返すことができます。 

マイクロコントローラの速度は数十年にわたって向上してきましたが、マイクロプロセッサの処理速度に比べるとはるかに劣ります。マイクロコントローラのクロック速度は、その目的に応じて、キロヘルツ (kHz) から数百メガヘルツ (MHz) の範囲です。速度範囲は低いものの、マイクロコントローラは専用の用途の範囲内で最適に動作できます。

回路サイズ

マイクロプロセッサは単独では動作できません。通信チップ、I/O ポート、RAM、ROM などの外部部品を使用して完全なコンピューティングシステムを形成します。したがって、マイクロプロセッサベースの回路は、多数の周辺機器とメモリチップを接続するアドレスとデータバスで構成されています。プリント回路基板 (PCB) 技術が進歩したとしても、マイクロプロセッサシステムにはかなりのスペースが必要です。

ただし、このマイクロコントローラは、よりシンプルな回路で省スペース設計になっています。マイクロプロセッサベースのシステムに必要な追加コンポーネントのほとんどは、同じチップ上で簡単に利用できます。エンジニアは、個別に分離されたコンポーネントを使用するのではなく、電子デバイスの設計時に単一のマイクロコントローラを使用します。これにより、電子回路基板上のスペースが広がり、エンジニアはコンパクトなシステムを生産できます。 

消費電力

マイクロプロセッサは、多くの場合、マイクロコントローラよりも高速で動作し、より多くの電力を消費するため、外部電源が必要です。同様に、マイクロプロセッサユニットをベースにしたコンピューティングシステムは、追加コンポーネントの数が多いため、総消費電力が高くなります。 

一方、マイクロコントローラは最小限の電力で効率的に動作するように設計されています。さらに、ほとんどのマイクロコントローラには、マイクロプロセッサにはない省電力機能があります。

例えば、マイクロコントローラは省電力モードを起動でき、データを処理しないときは消費電力が制限されます。マイクロコントローラは、使用していない内蔵周辺機器をオフにして電力を節約することもできます。そのため、マイクロコントローラは蓄電で動作する専用の低電力アプリケーションを構築するのに理想的です。

オペレーティングシステム

実際のアプリケーションでは、マイクロプロセッサには適切な機能を提供するオペレーティングシステムが必要です。オペレーティングシステムがなければ、ユーザーはマイクロプロセッサにアセンブリまたはバイナリ言語で指示する必要があります。

一方、マイクロコントローラの実行にはオペレーティングシステムは必要ありません。ただし、ミッドレンジおよびハイレンジのマイクロコントローラをより効率的に動作させるのに役立つ特定のオペレーティングシステムもあります。 

接続

マイクロプロセッサは、マイクロコントローラよりも多様な通信技術を処理します。例えば、マイクロプロセッサは、セカンダリプロセッサなしで高速 USB 3.0 またはギガビットのイーサネットデータを処理します。

ただし、ほとんどのマイクロコントローラには、高速データ接続用の特別なプロセッサが必要です。 

コスト

マイクロプロセッサ集積回路は、CPU、算術論理ユニット (ALU)、およびレジスタのみで構成されるため、ユニットあたりの製造コストが削減されます。一方、1 つのマイクロコントローラの内部アーキテクチャはより複雑で、一般的にマイクロプロセッサよりも高価です。

ただし、マイクロプロセッサベースのシステムは、追加のコンポーネントが必要になるため、より高価です。これとは対照的に、マイクロコントローラは選択したアプリケーションに合わせて自給自足できます。

マイクロコントローラは追加部品が少なくて済むため、マイクロコントローラベースのシステムが安価になります。例えば、マイクロコントローラを搭載したエアコンの回路基板は、マイクロプロセッサを搭載したコンピュータのマザーボードよりも安価です。 

	マイクロプロセッサ	マイクロコントローラ
メモリ	外部メモリとデータストレージが必要です。	オンチップメモリモジュール (ROM、RAM)。
周辺機器	追加の部品が必要です。外部バスに接続します。	オンチップ周辺機器 (タイマー、I/O ポート、信号コンバータ)。
計算能力	複雑なコンピューティングタスクが可能です。	特定のアプリケーションロジックに限定されます。
クロック速度	非常に高速。GHz の範囲。	高速だがマイクロプロセッサよりも遅い。kHz～MHz の範囲。
消費電力	高い消費電力。省電力モードはありません。	消費電力は最小限です。省電力モードを内蔵しています。
オペレーティングシステム	オペレーティングシステムが必要です。	一部のマイクロコントローラでは、オペレーティングシステムはオプションです。
接続	高速データ転送を処理します。USB 3.0 とギガビットイーサネットをサポートします。	低速から中速の通信をサポートします。シリアルペリフェラルインタフェース (SPI) と I²C。ユニバーサル非同期レシーバトランスミッタ (UART)。
料金	追加のコンポーネントがあるため高価です。	1 つの集積回路が複数の機能を提供するので安価です。
ユースケース	汎用コンピューティング、または堅牢な計算能力を必要とするシステム用。	コンパクトなシステム、バッテリ駆動、またはロジック処理デバイス用。