常见处理器MCU、MPU、DSP、FPGA等嵌入式处理器

内容导读

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内容图文

　　MCU、MPU、DSP、FPGA等嵌入式处理器概念，很多初学者可能比较迷惑，下面将对这些概念进行简单介绍。
　　MCU
　　微控制器 (Micro-Controller Unit ， MCU) ，俗称单片机。 之所以称之为单片机 (Single Chip Microcomputer)，是因为不同于其它处理器，它将CPU、RAM(随机存储器)、ROM(只读存器)、I/O、中断系统、定时器等各种功能外设资源集中到一个芯片上。这个芯片就是一个完整的微型计算机，只需要供电或加上极少的外围电路即可工作。
　　常见的MCU有80C51系列单片机、Atmel公司的AVR系列单片机、Microchip公司的PIC系列单片机、TI公司的MSP430系列单片机、ST公司的STM32系列单片机、NXP公司的LPC1700系列单片机。
　　早期的MCU主要是8位，后面发展出16位，再到现在主流的已经是32位。此外，主频不断提高、ROM不断增大、外设不断增多，单片机的应用领域和场合越来越大。
　　MPU
　　微处理器(Micro-Processor Unit，MPU)。类似通用计算机的CPU，主要负责处理计算，需要外加RAM、 Flash、电源等电路。
　　MCU和MPU的本质区别是因为应用场景的定位不同。MPU注重通过相对强大的运算/处理能力，执行复杂多样的大型程序，因此常需要外挂运行内存(RAM)、存储器(Flash)等。MCU注重功能较为单一、价格敏感的应用场景，不需要相对强大的运算/处理能力，更多的是对设备管理/控制，因此不需要大容量的RAM、Flash来运行大型程序，于是将RAM、Flash全集成在一起，大家也就俗称“单片机”，如图 2.3.1 所示。
　　如今，随着技术的发展，市场及需求的变化，MPU和MCU的界限日趋模糊。高端的32位MCU主频越来越高，已经反超低端MPU主频，MCU也有外挂RAM和Flash的场景，依靠硬件结构去区分逐渐困难。读者可以简单的认为，嵌入式微处理器MPU，通常运行Linux、Android等非实时操作系统，应用在高端应用市场，比如智能手机、路由器等消费电子市场领域，而嵌入式微控制器MCU，常用运行裸机或实时性操作系统，应用在中、低端应用市场，比如家电控制领域、工业控制领域等。
　　DSP
　　DSP通常有两个含义。
　　数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP），是一门学科技术，使用数值计算的方式对信号进行加工处理的理论和技术。
　　数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），是一种专门用于数字信号处理领域的微处理器芯片。
　　如图 2.3.2 为TI公司的DSP芯片TMS320VC5509A。
　　DSP芯片为了达到快速处理数字信号处理的目的，采用了许多特殊软硬件结构。首先是采用哈佛结构，将程序和数据分开，同时为处理器提供指令和数据。然后采用多级流水线技术，在指令周期内可以执行更多指令。加上专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令，使得DSP芯片在计算处理上，远超同主频的MCU或MPU。
　　DSP芯片拥有强大的数据处理能力，在数字信号处理领域，如调制/解调、数据加密/解密、图形处理、数字滤波、音频处理等计算密集型的场景广泛应用。
　　FPGA
　　现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA），由可编程互连连接的可配置逻辑块(CLB) 矩阵构成的半导体器件。通俗地说，FPGA就是一个可以通过编程改变内部硬件结构，实现所需功能的芯片。前面的MCU、DSP等都是硬件资源固定，只能通过修改软件实现所需功能。而FPGA是通过硬件描述语言或其它方式修改硬件，将FPGA变为CPU或专用芯片，来实现控制或算法。因此，MCU、DSP能够实现的功能，FPGA理论上都可以实现，反之则不一定。如图 2.3.3 为Xilinx公司的FPGA芯片XC3S400A。
　　FPGA主要有两大优势：高速和灵活。FPGA使用硬件处理数据，采用并发和流水技术，多个模块之间可以同时并行执行。FPGA可以根据现场情况配置器件功能，能够在技术和需求变化时重新配置，实现系统优化升级。
　　在某些通信领域，需要处理高速的通信协议，同时通信协议随时都可能修改，不适合做成专门的芯片，FPGA的高速、灵活就便成了首选。
　　虽然FPGA功能强大，但实际工程项目中，还需考虑硬件成本、开发难度和市场需求等因素。一些简单的控制场合，尽管FPGA和MCU都能胜任，但MCU价格低廉和研发简单，更划算。
　　【总结】
　　如今复杂的嵌入式系统往往是复合架构，比如“MPU+FPGA”、“MPU+DSP”、“MCU+FPGA”、“MCU+DSP”，甚至“MCU +MPU+FPGA+DSP”。控制、显示、通信一般选择MCU或MPU，通信和数据处理算法选择DSP，大量的数据处理和特定实现选择FPGA。
　　MCU开发需要C语言基础，然后学习各类资源、接口，再到RTOS；MPU通常运行Linux，需要Linux基 础、操作系统、网络编程等知识；DSP开发需要具备数据信号处理算法的理论知识；FPGA开发需要了解高速接口或音/视处理算法等。
　　一般来说，MCU相对比较简单，适合作为入门学习，待MCU学习完后，再结合实际情况选择深入学习方向。

内容总结

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