科技的發(fā)展，身邊的智能產(chǎn)品越來豐富，掃地機(jī)器人、手機(jī)、VR、穿戴設(shè)備及車載儀表、導(dǎo)航儀等，這些產(chǎn)品都具備個(gè)智能的“芯”，今天，主要介紹這些“芯”的特點(diǎn)與聯(lián)系。 ARM ARM處理器是Acorn計(jì)算機(jī)有限公司面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器。更早稱作Acorn RISC Machine。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集，一般來講比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá)35%，卻能保留32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)處理器擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ARM公司既不生產(chǎn)芯片也不銷售芯片，它只出售芯片技術(shù)授權(quán)。 MCU MCU本質(zhì)為一片單片機(jī)，指將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成的芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)。 DSP DSP(DigitalSignalProcessing)，數(shù)字信號(hào)處理，簡稱DSP。DSP是用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工的理論和技術(shù)。另外DSP也是Digital Signal Processor的簡稱，即數(shù)字信號(hào)處理器，它是集成專用計(jì)算機(jī)的一種芯片，只有一枚硬幣那么大。 FPGA FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 SOC SoC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準(zhǔn)確定義。一般說來， SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片，也有稱片上系統(tǒng),意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。 ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的比較 采用架構(gòu) ● ARM：架構(gòu)采用32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，從ARM9開始ARM都采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)，這是一種將指令與數(shù)據(jù)分開存放在各自獨(dú)立的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使處理器的處理能力得到較大的提高。ARM多采用流水線技術(shù)，此技術(shù)通過多個(gè)功率部件并行工作來縮短程序執(zhí)行時(shí)間，使指令能在多條流水線上流動(dòng)，從而提高處理器的效率和吞吐率?，F(xiàn)今ARM7采用了典型的三級(jí)流水線，ARM9采用五級(jí)流水線技術(shù)，而ARM11使用了7級(jí)流水線，ARM Cortex-A9更是使用了可變流水線結(jié)構(gòu)（支持8-11級(jí)流水線）。在多核心的支持上ARM Cortex-A9最多可支持4個(gè)核心，這是ARM系列處理器中首次支持多核心技術(shù)。下圖表示了NXP ARM體每當(dāng)處理器。??? ● MCU：大都在結(jié)構(gòu)上是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器）、一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，還有用來與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/輸出端口——所有這些都被集成在單個(gè)集成電路芯片上。指令集上早期的MCU是采用CISC的，后面被RISC取代。在總線位數(shù)上，MCU覆蓋了4位、8位、16位、32位，應(yīng)用十分廣泛。 ● DSP：又名數(shù)字信號(hào)處理器，它是一種專用于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理的微處理器。結(jié)構(gòu)上它采用哈佛結(jié)構(gòu)，同樣采用流水線技術(shù)。此外，DSP被用于宿主環(huán)境時(shí)可作為直接內(nèi)存存取設(shè)備運(yùn)作，還支持從模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）獲得數(shù)據(jù)，最終輸出的是由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)，支持一定的并行處理。 ● FPGA：FPGA是英文FieldProgrammable Gate Array（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的縮寫，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。FPGA有別于DSP、ARM、MCU的地方主要在于它的并行處理能力，它的強(qiáng)大并行性使復(fù)雜的運(yùn)算得到極大的速度比提升。 ● SOC:：系統(tǒng)芯片是一個(gè)將計(jì)算機(jī)或其他電子系統(tǒng)集成單一芯片的集成電路。系統(tǒng)芯片可以處理數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、混合信號(hào)甚至更高頻率的信號(hào)。系統(tǒng)芯片常常應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。系統(tǒng)芯片的集成規(guī)模很大，一般達(dá)到幾百萬門到幾千萬門。SOC相對(duì)比較靈活，它可以將ARM架構(gòu)的處理器與一些專用的外圍芯片集成到一起，組成一個(gè)系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)有的ARM處理器如Hisi-3507、hisi3516等處理器都是一個(gè)SOC系統(tǒng)，尤其是應(yīng)用處理器它集成了許多外圍的器件，為執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)、更復(fù)雜的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。 功耗 ● ARM：可以說ARM之所以在移動(dòng)市場(chǎng)上得到極大的成功，其中最主要的原因便是它的低功耗。眾所周知的是在移動(dòng)市場(chǎng)上的電子產(chǎn)品對(duì)處理器的功耗是十分敏感的，在過去PC平臺(tái)上處理器的功耗在幾十W到上百W不等，這樣的功耗放在移動(dòng)平臺(tái)上是不可想像的，ARM在主頻1G的情況下功耗才幾百mW,強(qiáng)勁的低功耗使它能適應(yīng)移動(dòng)電子產(chǎn)品。 ● DSP：在與非網(wǎng)的一組數(shù)據(jù)上顯示，在數(shù)字信號(hào)處理方面的市場(chǎng)占有率DSP與FPGA各得半壁江山。DSP相對(duì)于FPGA的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它的功耗相對(duì)較低，DSP生產(chǎn)廠商通過提高處理器的主頻、努力降低功耗來保證它的市場(chǎng)占有率，因?yàn)樵诟咝阅艿臄?shù)字處理市場(chǎng)上FPGA似乎更占有優(yōu)勢(shì)。如果單純從DSP領(lǐng)域上來看，DSP在功耗上、性能上做得最好的要數(shù)TI公司，TI公司的DSP處理器相對(duì)其它的DSP廠商生產(chǎn)的處理器成本更低、功耗更低，所以TI的DSP芯片更在競爭力。 ● MCU：MCU面世時(shí)間最長，各種廠商都有它們自己的架構(gòu)與指令集，如果從低功耗方面來看，TI的MSP430型MCU做得相對(duì)較好。 ● FPGA：FPGA由于它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因造成它的功耗相對(duì)較高、芯片發(fā)熱量大，這也是它的一個(gè)缺點(diǎn)。但這也是不可避免的，在支持高性能的并發(fā)計(jì)算數(shù)字電路，且內(nèi)部的邏輯門大都采用標(biāo)準(zhǔn)的寬長比，最終生成的數(shù)字電路必然會(huì)在功耗上無法與ASIC等專用處理器比較。 ● SOC：由于SOC自身的靈活性，它將多個(gè)器件集成到一個(gè)極小的芯片上從而組成一個(gè)系統(tǒng)，SOC系統(tǒng)相對(duì)于MCU等處理器組成的系統(tǒng)來說，它在功耗上具有優(yōu)勢(shì)。并且，SOC芯片可在版圖層面上結(jié)合工藝、電路設(shè)計(jì)等因素對(duì)系統(tǒng)的功耗進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，這樣比由現(xiàn)今外圍的PCB版搭建出來的系統(tǒng)功耗更低，占用面積更小。 速度 ● ARM：隨著市場(chǎng)應(yīng)用的需求提高，ARM廠商紛紛通過優(yōu)化來提高它的主頻，提升它的性能。從開始的100Mhz到驚人的2.3Ghz，ARM主頻以驚人的速度向前發(fā)展。 ● DSP：現(xiàn)今最快的主頻能達(dá)到1.2Ghz。當(dāng)然不能單純從主頻判斷它的性能會(huì)比ARM差，DSP具有單時(shí)鐘周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法的能力，一般的ARM不具備這樣的能力，DSP在計(jì)算領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)尤其明顯，所以TI結(jié)合了ARM和DSP兩者的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)出達(dá)芬奇異構(gòu)芯片，當(dāng)然這是屬于SOC的范疇了。 ● MCU：作為低端的應(yīng)用處理器，它的主頻從數(shù)M到幾十Mhz不等。 FPGA主頻時(shí)鐘最高可達(dá)幾Ghz甚至上10Ghz，當(dāng)然它的成本也不菲。如果將FPGA與ARM、DSP等作為比較，從主頻上進(jìn)行比較是沒有多大意義的，畢竟并行計(jì)算的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般通用的處理器采用的串行計(jì)算幾十倍。如同樣的一個(gè)濾波算法在主頻為100Mhz的FPGA上實(shí)現(xiàn)要比在主頻為1Ghz的ARM上實(shí)現(xiàn)仍要快。 應(yīng)用與市場(chǎng) ● ARM處理器現(xiàn)在主要是三個(gè)系列分別為A系列、R系列、M系列，其中A系列主攻消費(fèi)電子應(yīng)用，應(yīng)用十分廣泛。 計(jì)算：上網(wǎng)本、智能本、輸入板、電子書閱讀器、瘦客戶端 手機(jī)：智能手機(jī)、特色手機(jī) 數(shù)字家電：機(jī)頂盒、數(shù)字電視、藍(lán)光播放器、游戲控制臺(tái) 汽車：信息娛樂、導(dǎo)航 企業(yè)：激光打印機(jī)、路由器、無線基站、VOIP 電話和設(shè)備 無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：Web 2.0、無線基站、交換機(jī)、服務(wù)器 R系列處理器主要針對(duì)一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，如航空航天、汽車電子等場(chǎng)合，它具備高可靠性、高可用性、高容錯(cuò)能力、實(shí)時(shí)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。 M系列處理器主要針對(duì)較低端的應(yīng)用，它的最初目標(biāo)是替換現(xiàn)有的市面上的MCU。 ● DSP主要針對(duì)一些計(jì)算能力要求較高的應(yīng)用，如視頻圖像處理、智能機(jī)器人、數(shù)字無線、寬帶訪問、數(shù)字音頻、高分辨率成像和數(shù)字電機(jī)控制等。 ● MCU應(yīng)用最為廣泛，主要利益于它的成本控制上，使它能在許多對(duì)計(jì)算能力要求不那么高的應(yīng)用立足。相信在未來幾年里，MCU市場(chǎng)關(guān)鍵增長驅(qū)動(dòng)力將來自于綠色能源，智能電子設(shè)備，智能電網(wǎng)以及電子產(chǎn)品的升級(jí)換代比如汽車電子。