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嵌入式MCU与MPU的区分
误区一&＃xff1a;MCU的程序都是存储在片上Flash上&＃xff0c;然后拷贝到RAM中执行的
误区二&＃xff1a;工程编译生成的下载文件大小即为最终占用Flash的大小
误区三&＃xff1a;用户应用工程的编译结果建议不能超过MCU片上Flash的80%
嵌入式MCU与MPU的区分
嵌入式系统中的处理器按照是否集成片上Flash和RAM可以分为MCU(Micro Control Unit—微控制器)和MPU(Micro Process Unit—微处理器)。典型的MCU如Freescale S08、S12和MPC56xx以及8051单片机等&＃xff0c;而典型的MPU如基于ARM Cortex A系列内核的i.MX系列处理器&＃xff1a;
本文中的观点针对仅针对嵌入式MCU&＃xff0c;也就是我们常说的单片机。其为单芯片集成解决方案—片上集成了嵌入式系统工作所需的逻辑计算内核CPU&＃xff0c;存储数据/代码的RAM&＃xff0c;EEPROM和Flash&＃xff0c;内部互联总线—Crossbar、AMBA(APB、AHB以及AXI bus)&＃xff0c;定时器资源(Timer)、中断控制器(INTC&＃xff0c;通用输入输出接口(GPIO)&＃xff0c;模拟数字转换模块—ADC、DAC和ACMP&＃xff0c;段码LCD控制器、TFT LCD控制器&＃xff0c;步进电机驱动(SMC)&＃xff0c;通信接口/控制器—I2C、SPI、UART/SCI、CAN、SDIO/eMMC、以太网MAC等&＃xff1b;当然&＃xff0c;MPU中也会集成很多嵌入式系统工作所需的大部分片上外设&＃xff0c;但因为其计算单元CPU内核运行速度非常快&＃xff0c;所以其一般不会再片内集成系统工作所需的RAM和Flash存储器&＃xff0c;而是集成SDR/DDR2/3/4等外部SRAM扩展接口和NAND/NOR Flash扩展接口&＃xff0c;用户设计基于MPU的硬件系统时还需选择合适的SRAM和外部Flash才可以保证系统正常工作。
当然还有我们常说的CPU(Central Process Unit—中央处理器)&＃xff0c;常见PC上所使用的Intel的x86处理器&＃xff0c;比如奔腾、至强、酷睿i3/i5/i7系列等&＃xff0c;其片上只集成了中央计算内核单元CPU&＃xff0c;少量的一级/二级/三级缓存以及GPU&＃xff0c;但不包含中断控制器、定时器等&＃xff0c;它需要通过主板进行扩展&＃xff0c;更不包含存储器&＃xff0c;需要用户在主板上外界DDR内存条和Flash硬盘。
按照内核的运行速度和片上集成外设资源的丰富程度以及功耗&＃xff0c;MCU、MPU和CPU的对比分布如下&＃xff1a;
误区一&＃xff1a;MCU的程序都是存储在片上Flash上&＃xff0c;然后拷贝到RAM中执行的
很多刚接触MCU的人受学校老师讲授计算机硬件和C语言课程时一些观点的影响&＃xff0c;认为MCU中程序都是存储在片上Flash上&＃xff0c;然后拷贝到RAM中执行的&＃xff0c;这其实是错误。原因如下&＃xff1a;
1.MCU的片上RAM资源和Flash存储器相比一般都比较小&＃xff0c;其比例大概为1:16到1&＃xff1a;5&＃xff0c;其不可能将存储在Flash中的程序代码全部拷贝到片上RAM中&＃xff1b;
以下为Freescale S12G系列、S12XE系列以及MPC574xB/C/D/G系列MCU的片上RAM和Flash存储器资源的对比&＃xff1a;
2.在嵌入式MCU中内核CPU的工作频率一般为总线频率的两倍(S08和S12(X)系列MCU的内核CPU工作频率固定为总线工作频率的2倍)或者相等(PowerPC MPC560x系列)&＃xff0c;而挂到Flash的指令/数据总线宽度一般与CPU位宽的1~2倍&＃xff0c;虽然Flash的访问频率比较低(几MHz到数十MHz&＃xff0c;一般不超过100MHz)&＃xff0c;而嵌入式MCU内核CPU的运行频率也不高&＃xff0c;在300MHz以内&＃xff0c;所以总线每次可以从Flash取出2~4条指令(PS&＃xff1a;当PowerPC e200内核使用VLE指令集时&＃xff0c;大多数指令都为16位长度&＃xff0c;若指令/数据总线宽度为64位宽&＃xff0c;则一次可以读出4条VLE指令)&＃xff0c;从而弥补与内核CPU运行速度的差距&＃xff0c;保证在硬件物理上实现在Flash取值执行嵌入式MCU程序是没有问题的。
3.在嵌入式MCU的硬件设计上没有自动将Flash程序提前拷贝到RAM的机制&＃xff0c;在软件设计上也没有相应的代码执行这个拷贝工作--这样的拷贝过程无疑会造成内核CPU资源的浪费&＃xff0c;代码搬移的过程总内核CPU无法处理其他任务&＃xff1b;(除非是在开发嵌入式MCU的BootLoader时&＃xff0c;需要对片上Flash进行擦除和编程&＃xff0c;而大多数嵌入式MCU片上都只有一个Flash块(block/partion), 不支持read-while-read操作&＃xff0c;所以需要将Flash驱动程序事先拷贝到RAM然后调用—事实上&＃xff0c;只需要将Flash擦除和编程命令的launch语句和查询等待命令完成的程序拷贝到RAM执行即可。程序的执行至少包含取指à译码à执行三个环节&＃xff0c;其中取指就是从存储器中读出指令&＃xff0c;需要访问Flash/RAM&＃xff09;
4.通过调试嵌入式MCU&＃xff0c;在CPU寄存器窗口查看程序运行时PC寄存器的值也可以验证嵌入式MCU程序默认运行时就是在Flash本地执行的、即存储地址与运行时地址相同&＃xff1b;
由于S12XE系列MCU的Flash分页访问机制&＃xff0c;地址0xFE8029其实是其Flash的Page_FE的逻辑地址&＃xff0c;对应的Flash物理地址(也称作全局地址--Global Address)为0x7F8029&＃xff1b;
误区二&＃xff1a;工程编译生成的下载文件大小即为最终占用Flash的大小
很多工程师判断一个嵌入式MCU应用工程的编译结果大小往往看工程编译生成的HEX/S19/BIN等下载文件的大小&＃xff0c;认为工程编译生成的下载文件大小即为最终占用Flash的大小&＃xff0c;这是不正确的。
因为在HEX/S19/BIN等下载文件往往还包含了编译器版本信息&＃xff0c;工程配置信息&＃xff0c;每行数据/代码的存储地址&＃xff0c;长度、校验和以及整个工程的复位运行地址等非常丰富的信息。因为只有具备了这些信息&＃xff0c;编程器才找到将编译结果中的数据和代码烧写到Flash/EEPROM存储器的具体地址并保证数据/代码的完整性&＃xff0c;通过每一行和整个文件的校验(Verify)来保证整个编程过程的正确完整。
以下以Motorola的S19文件(也称为S-Record)格式进行说明&＃xff1a;
S-record每行最大是78个字节&＃xff0c;156个字符
S-record 格式如下&＃xff1a;
| type | count | address | data | checksum |
其中&＃xff1a;
type(类型)&＃xff1a;2个字符。用来描述记录的类型 (S0&＃xff0c;S1&＃xff0c;S2&＃xff0c;S3&＃xff0c;S5&＃xff0c;S7&＃xff0c;S8&＃xff0c;S9)。
count(计数)&＃xff1a;2个字符。 用来组成和说明了一个16进制的值&＃xff0c;显示了在记录中剩余成对字符的计数。
address(地址)&＃xff1a;4或6或8个字节。用来组成和说明了一个16进制的值&＃xff0c;显示了数据应该装载的地址&＃xff0c; 这部分的长度取决于载入地址的字节数。2个字节的地址占用4个字符&＃xff0c;3个字节的地址占用6个字符&＃xff0c;4个字节的地址占用8个字符。
data(数据)&＃xff1a;0—64字符。用来组成和说明一个代表了内存载入数据或者描述信息的16进制的值。
checksum(校验和)&＃xff1a;2个字符。这些字符当被配对并换算成16进制数据的时候形成了一个最低有效字符 节&＃xff0c;该字符节用来表达作为补充数据&＃xff0c;地址和数据库的字符对所代表的&＃xff08;字节的&＃xff09;补码的byte总和。即计数值、地址场和数据场的若干字符以两个字符为一对&＃xff0c; 将它们相加求和&＃xff0c;和的溢出部分不计&＃xff0c;只保留最低两位字符NN&＃xff0c;checksum &＃61;0xFF-0xNN。
S0 Record&＃xff1a;记录类型是“S0” (0x5330)。地址场没有被用&＃xff0c;用零置位(0x0000)。数据场中的信息被划分为以下四个子域&＃xff1a;
name(名称)&＃xff1a;20个字符&＃xff0c;用来编码单元名称
ver(版本)&＃xff1a;2个字符&＃xff0c;用来编码版本号
rev(修订版本)&＃xff1a;2个字符&＃xff0c;用来编码修订版本号
description(描述)&＃xff1a;0-36个字符&＃xff0c;用来编码文本注释
此行表示程序的开始&＃xff0c;不需烧入memory。
S1 Record&＃xff1a;记录类型是“S1” (0x5331)。地址场由2个字节地址来说明。数据场由可载入的数据组成。
S2 Record&＃xff1a;记录类型是“S2” (0x5332)。地址场由3个字节地址来说明。数据场由可载入的数据组成。
S3 Record&＃xff1a;记录类型是“S3” (0x5333)。地址场由4个字节地址来说明。数据场由可载入的数据组成。
S5 Record&＃xff1a;记录类型是“S5” (0x5335)。地址场由2字节的值说明&＃xff0c;包含了先前传输的S1、S2、S3记录的计数。没有数据场。
S7 Record&＃xff1a;记录类型是“S7” (0x5337)。地址场由4字节的地址说明&＃xff0c;包含了开始执行地址。没有数据场。此行表示程序的结束&＃xff0c;不需烧入memory。
S8 Record&＃xff1a;记录类型是“S8” (0x5338)。地址场由3字节的地址说明&＃xff0c;包含了开始执行地址。没有数据场。此行表示程序的结束&＃xff0c;不需烧入memory。
S9 Record&＃xff1a;记录类型是“S9” (0x5339)。地址场由2字节的地址说明&＃xff0c;包含了开始执行地址。没有数据场。此行表示程序的结束&＃xff0c;不需烧入memory。
一个具体的S12XEP100的CodeWarrior5.2工程编译后S19文件的大小为6KB&＃xff0c;而实际占用Flash的大小只有2445个字节&＃xff0c;远小于S19文件的大小&＃xff0c;所以判断一个应用工程编译结果所占Flash和RAM的大小&＃xff0c;应该看MAP文件中的统计结果&＃xff0c;而非S19文件的大小&＃xff1a;
或者以IDE(比如CodeWarrior 10.6或者S32DS)的Print Size工具从控制台(console)打印出来的text &＃43; data来判断&＃xff0c;下面是一个具体的MPC5748G S32DS for Power V1.2工程&＃xff0c;其编译及我国所占Flash的大小为23366(text) &＃43; 1372(data)&＃61;24738 Byte&＃xff0c;而其S19文件大小为73KB。
误区三&＃xff1a;用户应用工程的编译结果建议不能超过MCU片上Flash的80%
通过对以上误区一的分析&＃xff0c;嵌入式MCU中用户应用工程的编译结果(数据和程序代码)是一直存储在片上Flash中的&＃xff0c;对其下载编程之后在整个产品的生命周期中都不会再改变(除非用户开发了在线/远程升级的BootLoader功能)&＃xff0c;因此&＃xff0c;完全可以将将Flash全部用来保存编译结果&＃xff0c;只要在工程链接文件中按照MCU实际存储器大小和地址进行配置&＃xff0c;编译链接结果没有存储器溢出即可。用户应用工程的编译结果建议不能超过MCU片上Flash的80%的说法没有任何理论依据。
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