常見處理器MCU、MPU、DSP、FPGA等嵌入式處理器概念

前文中多次出現了MCU、MPU、DSP、FPGA等嵌入式處理器概念，很多初學者可能比較迷惑，下面將對這些概念進行簡單介紹。

MCU

微控制器 (Micro-Controller Unit ， MCU) ，俗稱微控制器。 之所以稱之為微控制器 (Single Chip Microcomputer)，是因為不同於其它處理器，它將CPU、RAM(隨機記憶體)、ROM(唯讀存器)、I/O、中斷系統、定時器等各種功能外設資源集中到一個晶片上。這個晶片就是一個完整的微型計算機，只需要供電或加上極少的外圍電路即可工作。

常見的MCU有80C51系列微控制器、Atmel公司的AVR系列微控制器、Microchip公司的PIC系列微控制器、TI公司的MSP430系列微控制器、ST公司的STM32系列微控制器、NXP公司的LPC1700系列微控制器。

早期的MCU主要是8位元，後面發展出16位元，再到現在主流的已經是32位元。此外，主頻不斷提高、ROM不斷增大、外設不斷增多，微控制器的應用領域和場合越來越大。

MPU

微處理器(Micro-Processor Unit，MPU)。類似通用計算機的CPU，主要負責處理計算，需要外加RAM、 Flash、電源等電路。

MCU和MPU的本質區別是因為應用場景的定位不同。MPU注重通過相對強大的運算/處理能力，執行復雜多樣的大型程式，因此常需要外掛執行記憶體(RAM)、記憶體(Flash)等。MCU注重功能較為單一、價格敏感的應用場景，不需要相對強大的運算/處理能力，更多的是對裝置管理/控制，因此不需要大容量的RAM、Flash來執行大型程式，於是將RAM、Flash全整合在一起，大家也就俗稱「微控制器」，如圖 2.3.1 所示。

如今，隨著技術的發展，市場及需求的變化，MPU和MCU的界限日趨模糊。高階的32位元MCU主頻越來越高，已經反超低端MPU主頻，MCU也有外掛RAM和Flash的場景，依靠硬體結構去區分逐漸困難。讀者可以簡單的認為，嵌入式微處理器MPU，通常執行Linux、Android等非實時作業系統，應用在高階應用市場，比如智慧手機、路由器等消費電子市場領域，而嵌入式微控制器MCU，常用執行裸機或實時性作業系統，應用在中、低端應用市場，比如家電控制領域、工業控制領域等。

DSP

DSP通常有兩個含義。

• 數位訊號處理（Digital Signal Processing，DSP），是一門學科技術，使用數值計算的方式對訊號進行加工處理的理論和技術。
• 數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP），是一種專門用於數位訊號處理領域的微處理器晶片。

如圖 2.3.2 為TI公司的DSP晶片TMS320VC5509A。

DSP晶片為了達到快速處理數位訊號處理的目的，採用了許多特殊軟硬體結構。首先是採用哈佛結構，將程式和資料分開，同時為處理器提供指令和資料。然後採用多級流水線技術，在指令週期內可以執行更多指令。加上專用的硬體乘法器、特殊的DSP指令，使得DSP晶片在計算處理上，遠超同主頻的MCU或MPU。

DSP晶片擁有強大的資料處理能力，在數位訊號處理領域，如調變/解調、資料加密/解密、圖形處理、數位濾波、音訊處理等計算密集型的場景廣泛應用。

FPGA

現場可程式化門陣列（Field－Programmable Gate Array，FPGA），由可程式化互連連線的可設定邏輯塊(CLB) 矩陣構成的半導體器件。通俗地說，FPGA就是一個可以通過程式設計改變內部硬體結構，實現所需功能的晶片。前面的MCU、DSP等都是硬體資源固定，只能通過修改軟體實現所需功能。而FPGA是通過硬體描述語言或其它方式修改硬體，將FPGA變為CPU或專用晶片，來實現控制或演演算法。因此，MCU、DSP能夠實現的功能，FPGA理論上都可以實現，反之則不一定。如圖 2.3.3 為Xilinx公司的FPGA晶片XC3S400A。

FPGA主要有兩大優勢：高速和靈活。FPGA使用硬體處理資料，採用並行和流水技術，多個模組之間可以同時並行執行。FPGA可以根據現場情況設定器件功能，能夠在技術和需求變化時重新設定，實現系統優化升級。

在某些通訊領域，需要處理高速的通訊協定，同時通訊協定隨時都可能修改，不適合做成專門的晶片，FPGA的高速、靈活就便成了首選。

雖然FPGA功能強大，但實際工程專案中，還需考慮硬體成本、開發難度和市場需求等因素。一些簡單的控制場合，儘管FPGA和MCU都能勝任，但MCU價格低廉和研發簡單，更划算。

【總結】

如今複雜的嵌入式系統往往是複合架構，比如「MPU+FPGA」、「MPU+DSP」、「MCU+FPGA」、「MCU+DSP」，甚至「MCU +MPU+FPGA+DSP」。控制、顯示、通訊一般選擇MCU或MPU，通訊和資料處理演演算法選擇DSP，大量的資料處理和特定實現選擇FPGA。

MCU開發需要C語言基礎，然後學習各類資源、介面，再到RTOS；MPU通常執行Linux，需要Linux基 礎、作業系統、網路程式設計等知識；DSP開發需要具備資料訊號處理演演算法的理論知識；FPGA開發需要了解高速介面或音/視處理演演算法等。

一般來說，MCU相對比較簡單，適合作為入門學習，待MCU學習完後，再結合實際情況選擇深入學習方向。

嵌入式Linux視訊：https://www.100ask.net/index
微控制器視訊：https://www.100ask.net/page/1707053
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