几种嵌入式可编程芯片的简介

本文主要根据郭天祥发布在哔哩哔哩上的视频所做的文字性笔记。具体讲解视频课参看原视频：MCU,MPU,DSP,FPGA是什么意思？-郭天祥

1 MCU

1.1 定义

微控制单元(Micro-Controller Unit ；MCU)，是把中央处理器(Central Process Unit ；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、DMA、LCD等周边接口都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。

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。

1.2 历史发展

• 早期→4/8位→发展到→16位→现在主流→32位；
• 同时主频也不断提高，ROM不断增大，外设不断增多；

1.3 分类

通用型：将可开发的资源（ ROM、RAM、I/0、EPROM)等全部提供给用户；
专用型：其硬件及指令是按照某种特定用途而设计，例如录音机机芯控制器、打印机控制器、电机控制器等；

1.4 MCU 几种常见类型

51系列
AVR系列
PIC系列
MSP430系列
STM32系列

2 MPU

2.1 定义

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，目前大多合并成2颗，一般称作北桥( North Bridge )芯片和南桥(South Bridge)芯片；

2.2 MCU 和 MPU区别

应用场景定位不同
MPU注重相对强大的运算和处理能力，执行复杂多样的大型程序，因此常常需要外挂运行内存，Flash等等。
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，更多是对设备的管理和控制功能。

3 DSP

3.1 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。

3.2 功能特点

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。
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。

4 FPGA

4.1 定义

现场可编程门阵列( Field - Programmable Gate Array ,FPGA )由可编程互相连接的可配置逻辑块(CLB)矩阵构成的半导体器件。

4.2 特点

FPGA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修改硬件，将FPGA变为CPU或专用芯片，来实现控制或算法

5 CPLD

本节参考来源¹

5.1 定义

CPLD是（complex programmable logic device）即复杂可编程逻辑器件。用户可以把编译好的CPLD程序通过专用的CPLD程序烧写器烧写到CPLD芯片中，从而实现程序设计的数字逻辑功能。所以CPLD可以通过编写特定逻辑的硬件程序，代替分立的数字逻辑芯片实现各种数字逻辑的功能。

5.2 结构

CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（MC，Macro Cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。

5.3 用途

1、PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用FPGA/CPLD来实现。
2、LD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用CPLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。
3、用CPLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。
4、CPLD还可以做数字IC设计的前端验证，用这种方式可以很大程度上降低IC设计的成本。

6 复合架构

MPU +FPGA/MPU + DSP/MCU + FPGA/MCU+DSP等等
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

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1. 本节内容参考狂奔的乌龟的文章：CPLD个人学习笔记 ↩︎