Was ist eine CPU?
Die CPU (Central Processing Unit) ist der Rechen- und Steuerungskern eines Computers.
Die CPU besteht aus einer arithmetisch-logischen Einheit, einer Steuereinheit, Registern und Bussen, die die Kommunikation zwischen ihnen ermöglichen. Zu ihren Hauptfunktionen gehören die Interpretation von Computerbefehlen und die Verarbeitung von Daten in Computersoftware.
Vor den 1970er Jahren bestanden Zentralprozessoren aus mehreren unabhängigen Einheiten. Später kamen integrierte Schaltkreise auf den Markt, die als Mikroprozessoren bekannt sind. Diese hochkompakten Komponenten bezeichnen wir als Mikroprozessoren, und die komplexesten Schaltkreise in ihnen sind als leistungsstarke Einzeleinheiten konzipiert, die allgemein als Kerne bekannt sind.
Die Funktionsweise fast aller CPUs lässt sich in vier Phasen unterteilen: Abrufen, Dekodieren, Ausführen und Zurückschreiben. Die CPU ruft Befehle aus dem Speicher oder dem Hochgeschwindigkeits-Cache ab, speichert sie in einem Befehlsregister, dekodiert sie und führt sie dann aus. Das Konzept der Programmierbarkeit eines Computers bezieht sich in erster Linie auf die Programmierung der CPU.
Was ist MPU?
Eine MPU (Micro Processor Unit), auch als Mikroprozessor bekannt, ist eine programmierbare spezielle integrierte Schaltung.
Eine MPU ist lediglich ein Prozessor, der mit zahlreichen anderen Peripheriegeräten wie Speicher kombiniert werden muss, um ein System zu bilden.
Mikroprozessoren sind in der Regel leistungsstarke CPUs (ähnlich wie verbesserte CPUs). Diese Chips dienen häufig als Kern-CPU in Computern und High-End-Systemen.
Sie erlangten in den 1980er Jahren große Popularität, als Mikrocomputer und Spielkonsolen MPUs verwendeten. Im Laufe der Zeit sind MPUs immer kleiner geworden. Heutzutage gelten nur noch die CPUs der x86-Serie von Intel und AMD als MPUs. Diese CPUs sind auch immer komplexer geworden, sodass die Bezeichnung „Mikroprozessoren” etwas unzutreffend sein könnte.
Im Bereich der Personalcomputer findet man Motherboards, die dem obigen Diagramm ähneln. Durch den Einbau von Komponenten wie CPU, Speichermodulen, Soundkarten usw. entsteht ein komplettes Computersystem. Das gesamte Motherboard ist groß und in seiner Herstellung komplex.
Was ist MCU?
Eine MCU (Micro Control Unit), auch als Mikrocontroller bekannt, bezeichnet einen Mikrocomputer, bei dem mit dem Aufkommen und der Entwicklung großflächiger integrierter Schaltkreise der Zentralprozessor, der Speicher, Timer/Zähler, verschiedene Ein-/Ausgabe-Schnittstellen usw. auf einem einzigen Chip integriert sind. Er kann mit minimalen Komponenten (wie Widerständen, Kondensatoren) betrieben werden, um ein minimales System zu bilden, das in der Lage ist, Code auszuführen.
Im Vergleich zu den in PCs verwendeten Allzweck-Mikroprozessoren legt eine MCU den Schwerpunkt auf Selbstständigkeit (keine Abhängigkeit von externer Hardware) und Kosteneffizienz.
Ihr größter Vorteil ist ihre kompakte Größe, wodurch sie in Geräten untergebracht werden kann, aber sie hat eine begrenzte Speicherkapazität, einfache Ein-/Ausgabe-Schnittstellen und eine geringere Funktionalität.
Die Entwicklung von MCUs durchlief verschiedene Phasen, darunter 8-Bit-8051-Mikrocontroller, 16-Bit-AVR-Mikrocontroller und 32-Bit-STM-Mikrocontroller.
MCUs integrieren Prozessoren und verschiedene Module wie USB-Controller, UART-Controller, Speicher, Flash usw. Mit nur wenigen externen Komponenten kann ein elektronisches System aufgebaut werden.
Was sind SOC und SOPC?
Ein System on a Chip (SOC) ist ein integrierter Schaltkreis, der einen Computer oder andere elektronische Systeme auf einem einzigen Chip vereint.
Zum Vergleich: Eine MCU ist auf Chip-Ebene angesiedelt, während ein SOC auf Systemebene angesiedelt ist. Es vereint die Vorteile von MCUs und MPUs, verfügt über integrierten RAM- und ROM-Speicher und ist gleichzeitig so leistungsstark wie eine MPU. Es kann Code auf Systemebene speichern und ausführen, d. h. es kann Betriebssysteme (vor allem Linux) ausführen.
Darüber hinaus ist SOPC ein Konzept, das es zu verstehen gilt. Im Vergleich zu den oben genannten Konzepten ist SOPC nicht so häufig anzutreffen, aber seine Bedeutung bleibt ungebrochen.
SOPC (System On a Programmable Chip) ermöglicht die Änderung von Hardwarekonfigurationen, sodass Sie Ihren eigenen Chip konstruieren können.
MCU vs. MPU
Die MCU integriert On-Chip-Peripheriegeräte, und Sie können einfache Peripheriegeräte (Widerstände, Kondensatoren) direkt hinzufügen, um den Code auszuführen. Im Wesentlichen handelt es sich immer noch um einen vollständigen Ein-Chip-Mikrocomputer mit einem Prozessor und verschiedenen Schnittstellen. Die gesamte Entwicklung basiert auf der bestehenden Systemarchitektur. Der Benutzer muss lediglich Softwareprogramme entwickeln und externe Geräte hinzufügen.
Die MPU verfügt über keine Peripheriegeräte (wie Speicherarrays), sondern ist ein hochintegrierter Allzweckprozessor und eine MCU, bei der die integrierten Peripheriegeräte entfernt wurden. MCUs wie die Cortex-A-Serie von ARM können den Code nicht direkt ausführen, da sie im Wesentlichen eine erweiterte Version der CPU sind und entsprechende RAM- und ROM-Speicher hinzugefügt werden müssen.
| Feature | Microcontroller (MCU) | Microprocessor (MPU) |
|---|---|---|
| Bit Width | Mainstream: 8-32 bits, Some 64-bit | Minimum: 32 bits, Mainstream: 64-bit |
| Operating Frequency | Several MHz to several hundreds of MHz | Mainstream: From hundreds of MHz to several GHz |
| Architecture | Pipeline or random logic systems are mainstream, with some being superscalar | Superscalar architecture is mainstream |
| Memory Management | Can have some external memory, but main memory is built-in, with some having built-in cache and MMC units | Mainstream to have external memory, with some having built-in cache and MMC units |
| Instruction Set | Basic arithmetic and logic operations, limited DSP and floating-point operation support in high-end versions | Supports a wider range of instructions, including DSP and floating-point operations |
| Price | Low | High |
| Examples | ARM Cortex-M (Designed for small-footprint/low-power controller applications) | ARM Cortex-A (Developed with a focus on high-performance application processors) |
