Seleccionar entre un microcontrolador y un microprocesador

El cerebro de un dispositivo integrado, que es la unidad de procesamiento, es un factor determinante clave del éxito o fracaso del dispositivo en el cumplimiento de la (s) tarea (s) para las que fue diseñado. La unidad de procesamiento es responsable de todos los procesos que involucran desde la entrada al sistema hasta la salida final, por lo que seleccionar la plataforma adecuada para el cerebro se vuelve muy importante durante el diseño del dispositivo, ya que todo lo demás dependerá de la precisión de esa decisión.

Microcontrolador y microprocesador

Los componentes de procesamiento utilizados para los dispositivos integrados se pueden dividir en dos categorías amplias; Microcontroladores y microprocesadores.

Los microcontroladores son pequeños dispositivos informáticos en un solo chip que contienen uno o más núcleos de procesamiento, con dispositivos de memoria integrados junto con puertos de entrada y salida (E / S) especiales y de propósito general programables. Se utilizan especialmente en aplicaciones en las que solo es necesario realizar tareas repetitivas específicas. Ya hablamos sobre la selección del microcontrolador adecuado para sus proyectos integrados.

Los microprocesadores, por otro lado, son dispositivos informáticos de propósito general que incorporan todas las funciones de la unidad central de procesamiento en un chip, pero no incluyen periféricos como memoria y pines de entrada y salida como el microcontrolador.

Aunque los fabricantes ahora están cambiando muchas cosas que están borrando la línea entre microcontroladores y microprocesadores, como el uso de memoria en chips para microprocesadores y la capacidad de los microcontroladores para conectarse a una memoria externa, aún existen diferencias clave entre estos componentes y el diseñador lo hará. Necesito elegir el mejor entre ellos para un proyecto en particular.

Obtenga más información sobre la diferencia entre microcontrolador y microprocesador.

Factores a considerar al seleccionar una MPU o MCU

Antes de tomar cualquier decisión sobre la dirección a seguir con respecto al dispositivo de procesamiento que se utilizará para el diseño de un producto integrado, es importante desarrollar las especificaciones de diseño. El desarrollo de las especificaciones de diseño proporciona una vía para el prediseño del dispositivo que ayuda a identificar en detalle, el problema a resolver, cómo se debe resolver, resalta los componentes que se utilizarán y mucho más. Esto ayuda al diseñador a tomar decisiones generales informadas sobre el proyecto y ayuda a determinar en qué dirección viajar para la unidad de procesamiento.

A continuación se describen algunos de los factores de la especificación de diseño que deben tenerse en cuenta antes de elegir entre un microcontrolador y un microprocesador.

1. Poder de procesamiento

La potencia de procesamiento es una de las principales (si no la principal) cosas a considerar al seleccionar entre un microcontrolador y un microprocesador. Es uno de los principales factores que inclinan el uso de microprocesadores. Se mide en DMIPS (Dhrystone Million of Instructions Per Seconds) y representa la cantidad de instrucciones que un microcontrolador o microprocesador puede procesar en un segundo. Esencialmente, es una indicación de qué tan rápido un dispositivo puede completar una tarea que se le asigna.

Si bien determinar la potencia computacional exacta que requiere su diseño puede ser una tarea muy difícil, se puede hacer una conjetura fundamentada al examinar la (s) tarea (s), el dispositivo que se está creando para realizar y cuáles podrían ser los requisitos computacionales de esas tareas. Por ejemplo, el desarrollo de un dispositivo que requiere el uso de un sistema operativo completo, ya sea Linux integrado, Windows CE o cualquier otro sistema operativo, requeriría una potencia de procesamiento de hasta 500 DMIPS, ¿suena como un procesador? Si. Para agregarlo, ejecutar un sistema operativo en un dispositivo requerirá una unidad de administración de memoria (MMU) que aumentará la potencia de procesamiento requerida. Las aplicaciones de dispositivos que involucran mucha aritmética también requieren un DMIPS muy altovalores y cuantos más cálculos matemáticos / numéricos deba realizar el dispositivo, más se inclinarán los requisitos de diseño hacia el uso de un microprocesador debido a la potencia de procesamiento requerida.

Otra implicación principal de la potencia de procesamiento que afecta la elección entre microprocesadores y microcontroladores es la complejidad o simplicidad de cosas como las interfaces de usuario. En estos días, es deseable tener GUI coloridas e interactivas incluso para las aplicaciones más básicas. La mayoría de las bibliotecas que se utilizan para crear interfaces de usuario como QT requieren una potencia de procesamiento de hasta 80 - 100 DMIPS y cuantas más animaciones, imágenes y otros contenidos multimedia se muestren, mayor será la potencia de procesamiento requerida. Sin embargo, las interfaces de usuario más simples en pantallas de baja resolución requieren poca potencia de procesamiento y se pueden alimentar con microcontroladores, ya que muchos de ellos en estos días vienen con interfaces integradas para interactuar con diferentes pantallas.

Aparte de algunas de las funciones básicas mencionadas anteriormente, es importante reservar algo de potencia de procesamiento para comunicaciones y otros periféricos. Aunque la mayoría de los ejemplos dados anteriormente tienden a respaldar el uso de microprocesadores, generalmente son más caros en comparación con los microcontroladores y serán una exageración cuando se usen en ciertas soluciones, por ejemplo, el uso de un microprocesador de 500 DMIPS para automatizar una bombilla aumentará el costo total del producto más alto de lo normal y, en última instancia, podría conducir a su falla en el mercado.

2. Interfaces

La interfaz que se utilizará para conectar diferentes elementos del producto es uno de los factores a considerar antes de elegir entre un microcontrolador y un microprocesador. Es importante asegurarse de que la unidad de procesamiento a utilizar tenga las interfaces requeridas por los otros componentes.

Desde el punto de vista de la conectividad y las comunicaciones, por ejemplo, la mayoría de los microcontroladores y microprocesadores poseen las interfaces necesarias para conectarse a los dispositivos de comunicación, pero cuando se requieren periféricos de comunicación de alta velocidad como la interfaz USB 3.0 de alta velocidad, múltiples puertos Ethernet 10/100 o un puerto Gigabit Ethernet, cosas Inclínese en la dirección del microprocesador, ya que la interfaz necesaria para admitirlos generalmente solo se encuentra en ellos porque son más capaces de manejar y procesar grandes cantidades de datos y la velocidad a la que se transfieren esos datos.

Se debe confirmar el impacto de los protocolos utilizados para estas interfaces en la cantidad de memoria requerida para el firmware, ya que tienden a aumentar los requisitos de memoria. Es una regla general que se adopte un diseño basado en microprocesador para aplicaciones que requieren conectividad de alta velocidad con una gran cantidad de datos intercambiados, especialmente cuando el sistema implica el uso de un sistema operativo.

3. Memoria

Estos dos dispositivos de procesamiento de datos manejan la memoria y el almacenamiento de datos de manera diferente. Los microcontroladores, por ejemplo, vienen con dispositivos de memoria fijos integrados, mientras que los microprocesadores vienen con interfaces a las que se pueden conectar dispositivos de memoria. Dos implicaciones principales de esto son;

Costo

El microcontrolador se convierte en una solución más económica, ya que no requiere el uso de un dispositivo de memoria adicional mientras que el microprocesador se convierte en una solución cara a adoptar debido a estos requisitos adicionales.

Memoria limitada

La memoria fija en el microcontrolador hace que la cantidad de datos que se pueden almacenar en él sea limitada. Esta es una situación que no se aplica a los procesadores, ya que generalmente están conectados a dispositivos de memoria externos. Un buen ejemplo de cuándo esta limitación puede ser un problema es cuando se desarrolla firmware para el dispositivo. Agregar kilobytes adicionales al tamaño del código puede requerir un cambio en el microcontrolador que se utilizará, pero si el diseño se basa en un procesador, solo necesitaremos cambiar el dispositivo de memoria. Por lo tanto, los microprocesadores ofrecen más flexibilidad con la memoria.

Hay varios otros factores basados ​​en la memoria a considerar, uno de ellos es el tiempo de inicio (arranque). Los microprocesadores, por ejemplo, almacenan el firmware en una memoria externa (generalmente una NAND externa o una memoria flash serial) y al arrancar, el firmware se carga en la DRAM del procesador. Si bien esto ocurre en un par de segundos, puede que no sea ideal para ciertas aplicaciones. El microcontrolador del otro toma menos tiempo.

Por consideraciones generales de velocidad, la MCU generalmente gana debido a su capacidad para abordar las aplicaciones más críticas en el tiempo debido al núcleo del procesador que se usa en ellas, el hecho de que la memoria está integrada y el firmware que se usa con ellas es siempre RTOS o bare metal C.

4. Poder

Un último punto a considerar es el consumo de energía. Si bien los microprocesadores tienen modos de baja potencia, estos modos no son tantos como los disponibles en una MCU típica y con los componentes externos requeridos por un diseño basado en microprocesador, es un poco más complejo lograr modos de baja potencia. Aparte de los modos de bajo consumo, la cantidad real de energía consumida por una MCU es mucho menor que la que consume un microprocesador, porque cuanto mayor es la capacidad de procesamiento, mayor es la cantidad de energía necesaria para mantener el procesador en funcionamiento.

Por lo tanto, los microcontroladores tienden a encontrar aplicaciones donde se requieren unidades de procesamiento de energía ultrabaja, como controles remotos, electrónica de consumo y varios dispositivos inteligentes donde el énfasis del diseño está en la longevidad de la vida útil de la batería. También se utilizan cuando se necesita un comportamiento altamente determinista.

Los microprocesadores, por otro lado, son ideales para aplicaciones industriales y de consumo que requieren un sistema operativo, son intensivos en computación y requieren conectividad de alta velocidad o una interfaz de usuario con mucha información multimedia.

Conclusión

Existen varios otros factores que sirven como determinantes para elegir entre estas dos plataformas y todos caen en el desempeño, la capacidad y el presupuesto, pero la selección general se vuelve más fácil cuando se implementa un diseño previo de sistemas adecuado y los requisitos se establecen claramente. Los microcontroladores se utilizan principalmente en soluciones con un presupuesto de BOM muy ajustado y con estrictos requisitos de energía, mientras que los microprocesadores se utilizan en aplicaciones con enormes requisitos de rendimiento y computación.