前文中多次出现了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。