车规级芯片之 MCU、MPU、DSP、FPGA、SOC

1.概述

        随着处理器技术的不断发展，CPU(Central Processing Unit)的发展逐渐出现三种分支，分别是MCU(Micro Controller Unit，微控制器单元) 和MPU（Micro Processor Unit，微处理器单元）和DSP(Digital Signal Processing/Processor)数字信号处理器。

        MCU在应用中比较常见的就是ST的芯片，比如STM32，就是通常所说的单片机（注意：单片机和MCU之间的区别是非常细微的，单片机是MCU中最具有代表性，是MCU的实现，二者不可等同）。而MPU可以认为是MCU的升级版，它的处理性能会比MCU更强，典型如ARM 公司Cortex-A系列的片子。

        MPU的全称是Micro Processor Unit，MCU的全称是Mirco Controller Unit。这两个词都以Micro开头，表明了这是计算/控制单元小型化后出现的技术。事实上，这是由于集成电路技术进步带来的计算机系统集成程度提高的结果。原来有多片分立的元件组成的计算机系统向高度集成化发展，多个芯片/元件的功能在向一颗芯片集中，这是一个大的技术演进的背景。

         DSP目前常用的就是TI（德州仪器）的芯片，TI生产的C2000系列的DSP目前应用是比较广泛的，它的优势就是有浮点运算内核，特别是在进行大量浮点运算的时候会比MCU展现出巨大的优势。

        目前在汽车朝智能化和电动化演进的过程中，车规级芯片常涉及到 MCU、MPU与DSP，下面从各个方面对上述车规级芯片进行对比。

2.MCU

        MCU顾名思义就是控制单元，由于主要完成“控制”相关的任务，所以被称为Controller。也就是根据外界的信号（刺激），产生一些响应，做一些简单的人机交互。对于这种需求，通常不需要芯片主频太高。

        早期8051系列主频约10MHz~20MHz，以12个周期执行一条指令。经过多年迭代最终达到100MHz。其次就是处理能力不用太强，8位的MCU长期是微控制器的主流。后来16位的MCU逐步开始占领市场。而随着ARM的32位MCU的出现，主要是Cortex-M系列，相应的MCU也开始逐步扩大市场。目前的MCU以ARM、ST、NXP公司的产品为主要代表。这些MCU的主频一般也是在几十MHz到100多MHz的量级。其次由于执行的“控制相关”任务，通常不需要支持复杂的图形界面和处理能力。在MCU上完成的任务大多是一些简单的刺激-响应式的任务，且任务类型单一，执行过程简单。

        在这种情况下，一般不需要MCU去执行功能复杂、运算量大的程序，而通常不需要运行大型操作系统来支持复杂的多任务管理。这就造成了MCU一般对于存储器的容量要求比较低。

        以ST系列STM32F103为例，开发平台一般就是MDK，由于MDK用户比较多，每一个版本基本都在做改善，提供更好的用户体验。ST在开发的时候提供各种库进行开发比如HAL库以及LL库等。

3.MPU

        MPU带有Processor，顾名思义是处理器。处理器就是能够执行“处理”功能的器件。具备Processor这个词的器件很多。比如CPU就被称为“中央处理器”，那既然有“中央”就应该有“外围”。GPU在经典的桌面计算机中就是一个典型的“外围”处理器，主要负责图形图像处理和图形图像显示。当然，今天由于AI的崛起，GPU变身成为了人工智能的训练神器。 带“P”的还有DSP，数字信号处理器， 一种专门为了数字信号处理而生的“领域专用处理器”。所以这些带P的处理器，都是要具备“处理”能力的。所需要处理的自然是数据或信息。也就是说处理器本身都需要较为强大的数据处理/计算能力。以GPU为例，正是由于它强大的并行浮点运算能力才能支持高速的图像处理，使音视频播放、多媒体技术成为可能。同样由于这样的处理能力使之在AI时代基于它的多个微核心组成的强大并行处理能力，发挥出了巨大的作用。

        处理器的核心作用就是一定要处理/运算能力强，能够执行比较复杂的任务。而微处理器，其实就是微型化或集成化了的处理器。MPU就是把传统的CPU之外原属于“芯片组”的各类接口和部分“外设”集成到一起而形成的“外围处理器”。

         MPU从一开始就定位了具有相当的处理和运算能力，一般需要运行较大型的操作系统来实现复杂的任务处理。因此这就决定了MPU应具备较高的主频，和较为强大的运算能力。MPU很早就演进到了32位处理器，现在更是开始大力普及64位。现在MPU领域，具有绝对影响力的Arm公司一开始就目标就是要做32位，典型如Cortex-A 系列。同时MPU也一直追求实现较高的主频。早期经典的Arm 9系列MPU频率就在200MHz-400MHz。现在手机上使用的高端MPU更是到达了3GHz，和主流的桌面处理器已经达到一个级别。和通用的桌面处理器一样，MPU现在也普遍朝“多核化”发展。

        为了支撑MPU相比MCU强大的算力，使得“物尽其用”。必然要求在MPU上运行比较复杂的、运算量大的程序和任务，通常需要有大容量的存储器来配合支撑。 

        而大容量的存储器难以被集成到以逻辑功能为主的MPU内部，因此MPU现在要运行起来通常需要“外挂”大容量的存储器。主要是大容量的DDR存储器和FLASH。在手机领域前者被称为“运存”而后者被称为“闪存”。 为了支撑运行复杂操作系统和大型程序，往往还需要MPU中集成高性能的存储控制器、存储管理单元（MMU）等一整套复杂的存储机制和硬件。

        所以从形态上看，MPU由于需要运行对处理能力要求复杂大程序，一般都需要外挂存储器才能运行起来。而MCU往往只是执行刺激-响应式的过程控制和辅助，功能比较单一，仅仅需要使用片上集成的小存储器即可。这是区别MPU和MCU的重要表象，但不是核心原因。

4.DSP

        DSP（Digital Signal Processing）即数字信号处理技术，DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。相比于通用CPU公司Intel、AMD的复杂指令集CSIC的X86架构， DSP通常使用冯·诺依曼和哈佛架构等。这些更简单的硬件架构通常用于DSP，因为它们在与精简的指令集架构（ISA）典型如ARM公司RISC架构配对时足以进行数字音频处理。

        DSP具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。典型的主要是TI生产的28系列芯片，常用的有32位定点DSP处理器TMS320F2812和32位浮点DSP处理器TMS320F28335。以28335为例，28335比MCU多了互补的PWM输出外设以及编码器正交单元QEP外设。像常用的ADC，SPI以及串口等外设两片都会有，这也正是DSP用来做电机控制的原因。TI系列开发的平台，常用的就是CCS(Code Composer Studio)工具。

具体而言，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：

（1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

（2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。

（3） 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

（4） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

（5） 快速的中断处理和硬件I/O支持。

（6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

（7） 可以并行执行多个操作。

（8） 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

        实际在车载应用中，DSP主要是为音频信号处理而设计的微处理器。DSP基本上是一个为解决音频处理问题而优化的CPU。就像CPU一样，DSP芯片是音频硬件的重要组成部分，使数字音频操作成为可能。DSP已经变得如此重要，以至于音频设备可能会在其电路中集成一个或几个DSP。在车上听音乐涉及到的 DSP 应用程序主要有以下几类：

• 音频均衡器（EQ）：DSP用于均衡各种音乐。使用均衡来控制不同声音频率的音量。如果没有均衡，你会发现很难听音乐，因为人声可能听起来很弱，乐器听起来会分散，低音会压倒所有频率，使音频不清楚或浑浊。

• 有源音频分频器：这些音频分频器用于分离不同的音频频率，并将其分配给为特定音频范围设计的不同扬声器。音频分频器通常用于汽车立体声系统、环绕声系统和使用不同尺寸扬声器驱动器的扬声器。

• 头戴式耳机/入耳式 3D 音频：可以使用扬声器分频器以及各种环绕声系统实现 3D 音频。借助隐蔽的 DSP，用户的头戴式耳机和入耳式耳机可以处理音频，从而在没有扬声器的情况下提供 3D 声音聆听体验。DSP 可以通过模拟空间声场来做到这一点，该空间声场只需使用耳机即可模拟声音在 3D 空间中的移动方式。

• 主动降噪 （ANC）：主动降噪技术使用麦克风记录低频噪声，然后产生与记录的噪声频率相反的声音。然后，这种产生的声音用于在环境噪音到达耳膜之前消除环境噪音。ANC只有在DSP的瞬时处理速度下才能实现。

• 远场语音和语音识别：这项技术使您的谷歌主页，Alexa和亚马逊Echo能够可靠地识别用户的声音。语音助手利用 CPU、DSP 和 AI 来处理数据，并智能地回答用户的查询和命令。

       DSP 相对于通用处理器的优势主要体现在： 像CPU这样的通用处理器可以执行数百条指令，并封装比DSP更多的晶体管。这些事实可能会引发一个问题，即为什么DSP是音频的首选微处理器，而不是更大，更复杂的CPU。 DSP与其他微处理器相比使用的最大原因是实时音频处理。DSP架构的简单性和有限的ISA使DSP能够可靠地处理输入的数字信号。借助此功能，实时音频表演可以实时应用均衡和滤波器，而无需缓冲。

        DSP的成本效益是它们比通用处理器使用的另一个重要原因。与其他需要复杂硬件和具有数百条指令的ISA的处理器不同，DSP使用更简单的硬件和具有几十条指令的ISA。这使得DSP更容易，更便宜，更快速地制造。

        最后，DSP更容易与电子设备集成。由于晶体管数量较少，与CPU相比，DSP需要的功率要少得多，并且物理上更小，更轻。这使得DSP可以安装在蓝牙耳机等小型设备中，而不必担心电源以及增加设备过多的重量和体积。

        DSP是音频相关电子产品的重要组成部分。其小巧、轻便、经济、节能的特性使即使是最小的音频设备也能提供主动降噪功能。如果没有DSP，车载音频设备将不得不依赖通用处理器，甚至是笨重的电子元件，这些元件需要更多的资金，空间和功率，同时提供较慢的处理能力。

5.FPGA

        FPGA叫场可编程门阵列（Field-programmable gate array），还有一种CPLD叫复杂可编程逻辑器件。FPGA有很多零散的与，或，非门电路块，可以通过编程（或画电路图）把它们连接起来，从而连接组成很复杂的组合逻辑或时序逻辑，甚至可以内置一个CPU，MCU或DSP芯片。

        给DSP写程序和给多核CPU写程序以及给GPU写程序，都没有太大区别，DSP有完善的C语言编译器。目前高端的FPGA中都集成了硬核DSP，FPGA主要采用硬件描述语言HDL，常用的主要有VHDL、Verilog HDL、System Verilog 和 System C等编写程序。

        FPGA一般可以视为是DSP的集成和进阶，它最大的特点是一种可以通过编程改变内部硬件结构，实现特定功能的芯片。FPGA具有的高速并行处理能力，其性能远超过通用 DSP 处理器的串行执行架构，而且它接口的电压和驱动能力都是可编程配置的，不像传统的 DSP 要受指令集控制。

        但FPGA最大的问题在于，DSP相比于FPGA具有明显的成本优势，对于一个性能较高的DSP大概也就百元（RMB）左右，但是一般大容量的FPGA售价都在千元以上。

        其次，一般的应用DSP通常处理几十M带宽的数据绰绰有余，在车载音频图像领域用的很多，这也是需求量很大甚至是最大的市场，而FPGA通常处理百M以上瞬时带宽的数据，通常用在军工如宇航、卫星，天文等或其它一些特定场景、特定领域。

        再次，从开发难度上看，DSP开发采用C/C++或类C，而FPGA采用专业的HDL编写，开发人员少很多，一定程度上也限制了它的开发应用与普及推广。

6.SOC

        SOC指的是片上系统(System on Chip)，MCU只是芯片级的芯片，而SOC是系统级的芯片，它既像MCU那样有内置RAM、ROM同时又像MPU那样功能强大，不单运行简单的控制或运算程序，结合了MCU集成化与MPU强处理能力的优势，还可以存放系统级的代码，比如车机操作系统就运行在SOC芯片上。 

         高通的8155芯片就是一款目前最为强大的智能座舱SOC芯片，全称是SA8155P，它采用7纳米工艺制造，具有八个核心，算力为8TOPS（也就是每秒运算8万亿次），可以最多支持6个摄像头，可以连接4块2K屏幕或者3块4K屏幕，支持Wi-Fi6，支持5G，支持蓝牙5.0。目前在车载SOC芯片领域，高通是绝对的领先者，国产新能源汽车威马W6、小鹏P5、吉利星越L、蔚来ET7、集度汽车据称都采用了8155芯片作为车载的SOC主力。SA8155P车规级芯片的原型就是高通骁龙8155，目前国内还看不到有同一层次的竞争对手。车载SOC芯片等价于手机上的CPU。

7.总结

        MCU芯片集成了片上外围器件如小容量的存储功能；MPU不带外围器件（例如存储器阵列），是高度集成的通用结构的处理器，视为去除了集成外设的MCU；DSP运算能力强，擅长很多的重复数据运算、数字信号处理等，而MCU则适合不同信息源的多种数据的处理诊断和运算，侧重于控制，速度并不如DSP。

        MCU区别于DSP的最大特点在于它的通用性，反应在指令集和寻址模式中。DSP与MCU的结合是DSC，未来有可能将取代这两种芯片。

        FPGA应用在通信系统、数字信号处理、 视频图像处理、 高速接口设计等领域，覆盖或超过了DSP的应用领域，但相应的价格与民用需求少限制了它的使用范围，目前在车载/车规级芯片领域使用并不普及，或许未来随成本的降低和智能车对芯片性能要求高会有更大的发展机遇。

        SOC芯片是系统级的芯片，可以视为是车载芯片的主力，智能车内多屏幕、多摄像头以及车可以随时接入5G网络进行数据通讯，实现智能座舱主要依赖的是车机SOC的性能和算力支持。