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嵌入式MCU與MPU的區(qū)分

誤區(qū)一：MCU的程序都是存儲在片上Flash上，然后拷貝到RAM中執(zhí)行的

誤區(qū)二：工程編譯生成的下載文件大小即為最終占用Flash的大小

誤區(qū)三：用戶應(yīng)用工程的編譯結(jié)果建議不能超過MCU片上Flash的80%

嵌入式MCU與MPU的區(qū)分

嵌入式系統(tǒng)中的處理器按照是否集成片上Flash和RAM可以分為MCU(Micro Control Unit—微控制器)和MPU(Micro Process Unit—微處理器)。典型的MCU如Freescale S08、S12和MPC56xx以及8051單片機等，而典型的MPU如基于ARM Cortex A系列內(nèi)核的i.MX系列處理器：

本文中的觀點針對僅針對嵌入式MCU，也就是我們常說的單片機。其為單芯片集成解決方案—片上集成了嵌入式系統(tǒng)工作所需的邏輯計算內(nèi)核CPU，存儲數(shù)據(jù)/代碼的RAM，EEPROM和Flash，內(nèi)部互聯(lián)總線—Crossbar、AMBA(APB、AHB以及AXI bus)，定時器資源(Timer)、中斷控制器(INTC，通用輸入輸出接口(GPIO)，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊—ADC、DAC和ACMP，段碼LCD控制器、TFT LCD控制器，步進電機驅(qū)動(SMC)，通信接口/控制器—I2C、SPI、UART/SCI、CAN、SDIO/eMMC、以太網(wǎng)MAC等；當然，MPU中也會集成很多嵌入式系統(tǒng)工作所需的大部分片上外設(shè)，但因為其計算單元CPU內(nèi)核運行速度非?？?，所以其一般不會再片內(nèi)集成系統(tǒng)工作所需的RAM和Flash存儲器，而是集成SDR/DDR2/3/4等外部SRAM擴展接口和NAND/NOR Flash擴展接口，用戶設(shè)計基于MPU的硬件系統(tǒng)時還需選擇合適的SRAM和外部Flash才可以保證系統(tǒng)正常工作。

當然還有我們常說的CPU(Central Process Unit—中央處理器)，常見PC上所使用的Intel的x86處理器，比如奔騰、至強、酷睿i3/i5/i7系列等，其片上只集成了中央計算內(nèi)核單元CPU，少量的一級/二級/三級緩存以及GPU，但不包含中斷控制器、定時器等，它需要通過主板進行擴展，更不包含存儲器，需要用戶在主板上外界DDR內(nèi)存條和Flash硬盤。

按照內(nèi)核的運行速度和片上集成外設(shè)資源的豐富程度以及功耗，MCU、MPU和CPU的對比分布如下：

誤區(qū)一：MCU的程序都是存儲在片上Flash上，然后拷貝到RAM中執(zhí)行的

很多剛接觸MCU的人受學校老師講授計算機硬件和C語言課程時一些觀點的影響，認為MCU中程序都是存儲在片上Flash上，然后拷貝到RAM中執(zhí)行的，這其實是錯誤。原因如下：

1.MCU的片上RAM資源和Flash存儲器相比一般都比較小，其比例大概為1:16到1：5，其不可能將存儲在Flash中的程序代碼全部拷貝到片上RAM中；

以下為Freescale S12G系列、S12XE系列以及MPC574xB/C/D/G系列MCU的片上RAM和Flash存儲器資源的對比：

2.在嵌入式MCU中內(nèi)核CPU的工作頻率一般為總線頻率的兩倍(S08和S12(X)系列MCU的內(nèi)核CPU工作頻率固定為總線工作頻率的2倍)或者相等(PowerPC MPC560x系列)，而掛到Flash的指令/數(shù)據(jù)總線寬度一般與CPU位寬的1~2倍，雖然Flash的訪問頻率比較低(幾MHz到數(shù)十MHz，一般不超過100MHz)，而嵌入式MCU內(nèi)核CPU的運行頻率也不高，在300MHz以內(nèi)，所以總線每次可以從Flash取出2~4條指令(PS：當PowerPC e200內(nèi)核使用VLE指令集時，大多數(shù)指令都為16位長度，若指令/數(shù)據(jù)總線寬度為64位寬，則一次可以讀出4條VLE指令)，從而彌補與內(nèi)核CPU運行速度的差距，保證在硬件物理上實現(xiàn)在Flash取值執(zhí)行嵌入式MCU程序是沒有問題的。

3.在嵌入式MCU的硬件設(shè)計上沒有自動將Flash程序提前拷貝到RAM的機制，在軟件設(shè)計上也沒有相應(yīng)的代碼執(zhí)行這個拷貝工作--這樣的拷貝過程無疑會造成內(nèi)核CPU資源的浪費，代碼搬移的過程總內(nèi)核CPU無法處理其他任務(wù)；(除非是在開發(fā)嵌入式MCU的BootLoader時，需要對片上Flash進行擦除和編程，而大多數(shù)嵌入式MCU片上都只有一個Flash塊(block/partion), 不支持read-while-read操作，所以需要將Flash驅(qū)動程序事先拷貝到RAM然后調(diào)用—事實上，只需要將Flash擦除和編程命令的launch語句和查詢等待命令完成的程序拷貝到RAM執(zhí)行即可。程序的執(zhí)行至少包含取指à譯碼à執(zhí)行三個環(huán)節(jié)，其中取指就是從存儲器中讀出指令，需要訪問Flash/RAM）

4.通過調(diào)試嵌入式MCU，在CPU寄存器窗口查看程序運行時PC寄存器的值也可以驗證嵌入式MCU程序默認運行時就是在Flash本地執(zhí)行的、即存儲地址與運行時地址相同；

由于S12XE系列MCU的Flash分頁訪問機制，地址0xFE8029其實是其Flash的Page_FE的邏輯地址，對應(yīng)的Flash物理地址(也稱作全局地址--Global Address)為0x7F8029；

誤區(qū)二：工程編譯生成的下載文件大小即為最終占用Flash的大小

很多工程師判斷一個嵌入式MCU應(yīng)用工程的編譯結(jié)果大小往往看工程編譯生成的HEX/S19/BIN等下載文件的大小，認為工程編譯生成的下載文件大小即為最終占用Flash的大小，這是不正確的。

因為在HEX/S19/BIN等下載文件往往還包含了編譯器版本信息，工程配置信息，每行數(shù)據(jù)/代碼的存儲地址，長度、校驗和以及整個工程的復位運行地址等非常豐富的信息。因為只有具備了這些信息，編程器才找到將編譯結(jié)果中的數(shù)據(jù)和代碼燒寫到Flash/EEPROM存儲器的具體地址并保證數(shù)據(jù)/代碼的完整性，通過每一行和整個文件的校驗(Verify)來保證整個編程過程的正確完整。

以下以Motorola的S19文件(也稱為S-Record)格式進行說明：

S-record每行最大是78個字節(jié)，156個字符

S-record 格式如下：

其中：

type(類型)：2個字符。用來描述記錄的類型 (S0，S1，S2，S3，S5，S7，S8，S9)。

count(計數(shù))：2個字符。 用來組成和說明了一個16進制的值，顯示了在記錄中剩余成對字符的計數(shù)。

address(地址)：4或6或8個字節(jié)。用來組成和說明了一個16進制的值，顯示了數(shù)據(jù)應(yīng)該裝載的地址， 這部分的長度取決于載入地址的字節(jié)數(shù)。2個字節(jié)的地址占用4個字符，3個字節(jié)的地址占用6個字符，4個字節(jié)的地址占用8個字符。

data(數(shù)據(jù))：0—64字符。用來組成和說明一個代表了內(nèi)存載入數(shù)據(jù)或者描述信息的16進制的值。

checksum(校驗和)：2個字符。這些字符當被配對并換算成16進制數(shù)據(jù)的時候形成了一個最低有效字符 節(jié)，該字符節(jié)用來表達作為補充數(shù)據(jù)，地址和數(shù)據(jù)庫的字符對所代表的（字節(jié)的）補碼的byte總和。即計數(shù)值、地址場和數(shù)據(jù)場的若干字符以兩個字符為一對， 將它們相加求和，和的溢出部分不計，只保留最低兩位字符NN，checksum =0xFF-0xNN。

S0 Record：記錄類型是“S0” (0x5330)。地址場沒有被用，用零置位(0x0000)。數(shù)據(jù)場中的信息被劃分為以下四個子域：

name(名稱)：20個字符，用來編碼單元名稱

ver(版本)：2個字符，用來編碼版本號

rev(修訂版本)：2個字符，用來編碼修訂版本號

description(描述)：0-36個字符，用來編碼文本注釋

此行表示程序的開始，不需燒入memory。

S1 Record：記錄類型是“S1” (0x5331)。地址場由2個字節(jié)地址來說明。數(shù)據(jù)場由可載入的數(shù)據(jù)組成。

S2 Record：記錄類型是“S2” (0x5332)。地址場由3個字節(jié)地址來說明。數(shù)據(jù)場由可載入的數(shù)據(jù)組成。

S3 Record：記錄類型是“S3” (0x5333)。地址場由4個字節(jié)地址來說明。數(shù)據(jù)場由可載入的數(shù)據(jù)組成。

S5 Record：記錄類型是“S5” (0x5335)。地址場由2字節(jié)的值說明，包含了先前傳輸?shù)腟1、S2、S3記錄的計數(shù)。沒有數(shù)據(jù)場。

S7 Record：記錄類型是“S7” (0x5337)。地址場由4字節(jié)的地址說明，包含了開始執(zhí)行地址。沒有數(shù)據(jù)場。此行表示程序的結(jié)束，不需燒入memory。

S8 Record：記錄類型是“S8” (0x5338)。地址場由3字節(jié)的地址說明，包含了開始執(zhí)行地址。沒有數(shù)據(jù)場。此行表示程序的結(jié)束，不需燒入memory。

S9 Record：記錄類型是“S9” (0x5339)。地址場由2字節(jié)的地址說明，包含了開始執(zhí)行地址。沒有數(shù)據(jù)場。此行表示程序的結(jié)束，不需燒入memory。

一個具體的S12XEP100的CodeWarrior5.2工程編譯后S19文件的大小為6KB，而實際占用Flash的大小只有2445個字節(jié)，遠小于S19文件的大小，所以判斷一個應(yīng)用工程編譯結(jié)果所占Flash和RAM的大小，應(yīng)該看MAP文件中的統(tǒng)計結(jié)果，而非S19文件的大小：

或者以IDE(比如CodeWarrior 10.6或者S32DS)的Print Size工具從控制臺(console)打印出來的text + data來判斷，下面是一個具體的MPC5748G S32DS for Power V1.2工程，其編譯及我國所占Flash的大小為23366(text) + 1372(data)=24738 Byte，而其S19文件大小為73KB。

誤區(qū)三：用戶應(yīng)用工程的編譯結(jié)果建議不能超過MCU片上Flash的80%

通過對以上誤區(qū)一的分析，嵌入式MCU中用戶應(yīng)用工程的編譯結(jié)果(數(shù)據(jù)和程序代碼)是一直存儲在片上Flash中的，對其下載編程之后在整個產(chǎn)品的生命周期中都不會再改變(除非用戶開發(fā)了在線/遠程升級的BootLoader功能)，因此，完全可以將將Flash全部用來保存編譯結(jié)果，只要在工程鏈接文件中按照MCU實際存儲器大小和地址進行配置，編譯鏈接結(jié)果沒有存儲器溢出即可。用戶應(yīng)用工程的編譯結(jié)果建議不能超過MCU片上Flash的80%的說法沒有任何理論依據(jù)。