1.概述

????????隨著處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，CPU(Central Processing Unit)的發(fā)展逐漸出現(xiàn)三種分支，分別是MCU(Micro Controller?Unit，微控制器單元) 和MPU（Micro Processor Unit，微處理器單元）和DSP(Digital Signal Processing/Processor)數(shù)字信號(hào)處理器。

????????MCU在應(yīng)用中比較常見(jiàn)的就是ST的芯片，比如STM32，就是通常所說(shuō)的單片機(jī)（注意：?jiǎn)纹瑱C(jī)和MCU之間的區(qū)別是非常細(xì)微的，單片機(jī)是MCU中最具有代表性，是MCU的實(shí)現(xiàn)，二者不可等同）。而MPU可以認(rèn)為是MCU的升級(jí)版，它的處理性能會(huì)比MCU更強(qiáng)，典型如ARM 公司Cortex-A系列的片子。

????????MPU的全稱是Micro Processor Unit，MCU的全稱是Mirco Controller Unit。這兩個(gè)詞都以Micro開(kāi)頭，表明了這是計(jì)算/控制單元小型化后出現(xiàn)的技術(shù)。事實(shí)上，這是由于集成電路技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成程度提高的結(jié)果。原來(lái)有多片分立的元件組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向高度集成化發(fā)展，多個(gè)芯片/元件的功能在向一顆芯片集中，這是一個(gè)大的技術(shù)演進(jìn)的背景。

?????????DSP目前常用的就是TI（德州儀器）的芯片，TI生產(chǎn)的C2000系列的DSP目前應(yīng)用是比較廣泛的，它的優(yōu)勢(shì)就是有浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，特別是在進(jìn)行大量浮點(diǎn)運(yùn)算的時(shí)候會(huì)比MCU展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。

????????目前在汽車(chē)朝智能化和電動(dòng)化演進(jìn)的過(guò)程中，車(chē)規(guī)級(jí)芯片常涉及到 MCU、MPU與DSP，下面從各個(gè)方面對(duì)上述車(chē)規(guī)級(jí)芯片進(jìn)行對(duì)比。

2.MCU

? ? ? ? MCU顧名思義就是控制單元，由于主要完成“控制”相關(guān)的任務(wù)，所以被稱為Controller。也就是根據(jù)外界的信號(hào)（刺激），產(chǎn)生一些響應(yīng)，做一些簡(jiǎn)單的人機(jī)交互。對(duì)于這種需求，通常不需要芯片主頻太高。

????????早期8051系列主頻約10MHz~20MHz，以12個(gè)周期執(zhí)行一條指令。經(jīng)過(guò)多年迭代最終達(dá)到100MHz。其次就是處理能力不用太強(qiáng)，8位的MCU長(zhǎng)期是微控制器的主流。后來(lái)16位的MCU逐步開(kāi)始占領(lǐng)市場(chǎng)。而隨著ARM的32位MCU的出現(xiàn)，主要是Cortex-M系列，相應(yīng)的MCU也開(kāi)始逐步擴(kuò)大市場(chǎng)。目前的MCU以ARM、ST、NXP公司的產(chǎn)品為主要代表。這些MCU的主頻一般也是在幾十MHz到100多MHz的量級(jí)。其次由于執(zhí)行的“控制相關(guān)”任務(wù)，通常不需要支持復(fù)雜的圖形界面和處理能力。在MCU上完成的任務(wù)大多是一些簡(jiǎn)單的刺激-響應(yīng)式的任務(wù)，且任務(wù)類(lèi)型單一，執(zhí)行過(guò)程簡(jiǎn)單。

????????在這種情況下，一般不需要MCU去執(zhí)行功能復(fù)雜、運(yùn)算量大的程序，而通常不需要運(yùn)行大型操作系統(tǒng)來(lái)支持復(fù)雜的多任務(wù)管理。這就造成了MCU一般對(duì)于存儲(chǔ)器的容量要求比較低。

? ? ? ? 以ST系列STM32F103為例，開(kāi)發(fā)平臺(tái)一般就是MDK，由于MDK用戶比較多，每一個(gè)版本基本都在做改善，提供更好的用戶體驗(yàn)。ST在開(kāi)發(fā)的時(shí)候提供各種庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)比如HAL庫(kù)以及LL庫(kù)等。

3.MPU

? ? ? ? MPU帶有Processor，顧名思義是處理器。處理器就是能夠執(zhí)行“處理”功能的器件。具備Processor這個(gè)詞的器件很多。比如CPU就被稱為“中央處理器”，那既然有“中央”就應(yīng)該有“外圍”。GPU在經(jīng)典的桌面計(jì)算機(jī)中就是一個(gè)典型的“外圍”處理器，主要負(fù)責(zé)圖形圖像處理和圖形圖像顯示。當(dāng)然，今天由于AI的崛起，GPU變身成為了人工智能的訓(xùn)練神器。?帶“P”的還有DSP，數(shù)字信號(hào)處理器，?一種專門(mén)為了數(shù)字信號(hào)處理而生的“領(lǐng)域?qū)Ｓ锰幚砥鳌?。所以這些帶P的處理器，都是要具備“處理”能力的。所需要處理的自然是數(shù)據(jù)或信息。也就是說(shuō)處理器本身都需要較為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理/計(jì)算能力。以GPU為例，正是由于它強(qiáng)大的并行浮點(diǎn)運(yùn)算能力才能支持高速的圖像處理，使音視頻播放、多媒體技術(shù)成為可能。同樣由于這樣的處理能力使之在AI時(shí)代基于它的多個(gè)微核心組成的強(qiáng)大并行處理能力，發(fā)揮出了巨大的作用。

? ? ? ? 處理器的核心作用就是一定要處理/運(yùn)算能力強(qiáng)，能夠執(zhí)行比較復(fù)雜的任務(wù)。而微處理器，其實(shí)就是微型化或集成化了的處理器。MPU就是把傳統(tǒng)的CPU之外原屬于“芯片組”的各類(lèi)接口和部分“外設(shè)”集成到一起而形成的“外圍處理器”。

?????????MPU從一開(kāi)始就定位了具有相當(dāng)?shù)奶幚砗瓦\(yùn)算能力，一般需要運(yùn)行較大型的操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)處理。因此這就決定了MPU應(yīng)具備較高的主頻，和較為強(qiáng)大的運(yùn)算能力。MPU很早就演進(jìn)到了32位處理器，現(xiàn)在更是開(kāi)始大力普及64位?，F(xiàn)在MPU領(lǐng)域，具有絕對(duì)影響力的Arm公司一開(kāi)始就目標(biāo)就是要做32位，典型如Cortex-A 系列。同時(shí)MPU也一直追求實(shí)現(xiàn)較高的主頻。早期經(jīng)典的Arm 9系列MPU頻率就在200MHz-400MHz?，F(xiàn)在手機(jī)上使用的高端MPU更是到達(dá)了3GHz，和主流的桌面處理器已經(jīng)達(dá)到一個(gè)級(jí)別。和通用的桌面處理器一樣，MPU現(xiàn)在也普遍朝“多核化”發(fā)展。

????????為了支撐MPU相比MCU強(qiáng)大的算力，使得“物盡其用”。必然要求在MPU上運(yùn)行比較復(fù)雜的、運(yùn)算量大的程序和任務(wù)，通常需要有大容量的存儲(chǔ)器來(lái)配合支撐。?

????????而大容量的存儲(chǔ)器難以被集成到以邏輯功能為主的MPU內(nèi)部，因此MPU現(xiàn)在要運(yùn)行起來(lái)通常需要“外掛”大容量的存儲(chǔ)器。主要是大容量的DDR存儲(chǔ)器和FLASH。在手機(jī)領(lǐng)域前者被稱為“運(yùn)存”而后者被稱為“閃存”。?為了支撐運(yùn)行復(fù)雜操作系統(tǒng)和大型程序，往往還需要MPU中集成高性能的存儲(chǔ)控制器、存儲(chǔ)管理單元（MMU）等一整套復(fù)雜的存儲(chǔ)機(jī)制和硬件。

????????所以從形態(tài)上看，MPU由于需要運(yùn)行對(duì)處理能力要求復(fù)雜大程序，一般都需要外掛存儲(chǔ)器才能運(yùn)行起來(lái)。而MCU往往只是執(zhí)行刺激-響應(yīng)式的過(guò)程控制和輔助，功能比較單一，僅僅需要使用片上集成的小存儲(chǔ)器即可。這是區(qū)別MPU和MCU的重要表象，但不是核心原因。

4.DSP

????????DSP（Digital Signal Processing）即數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片。相比于通用CPU公司Intel、AMD的復(fù)雜指令集CSIC的X86架構(gòu)，?DSP通常使用馮·諾依曼和哈佛架構(gòu)等。這些更簡(jiǎn)單的硬件架構(gòu)通常用于DSP，因?yàn)樗鼈冊(cè)谂c精簡(jiǎn)的指令集架構(gòu)（ISA）典型如ARM公司RISC架構(gòu)配對(duì)時(shí)足以進(jìn)行數(shù)字音頻處理。

????????DSP具有專門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。典型的主要是TI生產(chǎn)的28系列芯片，常用的有32位定點(diǎn)DSP處理器TMS320F2812和32位浮點(diǎn)DSP處理器TMS320F28335。以28335為例，28335比MCU多了互補(bǔ)的PWM輸出外設(shè)以及編碼器正交單元QEP外設(shè)。像常用的ADC，SPI以及串口等外設(shè)兩片都會(huì)有，這也正是DSP用來(lái)做電機(jī)控制的原因。TI系列開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，常用的就是CCS(Code Composer Studio)工具。

具體而言，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn)：

（1） 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。

（2） 程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)。

（3） 片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)。

（4） 具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。

（5） 快速的中斷處理和硬件I/O支持。

（6） 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。

（7） 可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。

（8） 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。

????????實(shí)際在車(chē)載應(yīng)用中，DSP主要是為音頻信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的微處理器。DSP基本上是一個(gè)為解決音頻處理問(wèn)題而優(yōu)化的CPU。就像CPU一樣，DSP芯片是音頻硬件的重要組成部分，使數(shù)字音頻操作成為可能。DSP已經(jīng)變得如此重要，以至于音頻設(shè)備可能會(huì)在其電路中集成一個(gè)或幾個(gè)DSP。在車(chē)上聽(tīng)音樂(lè)涉及到的?DSP 應(yīng)用程序主要有以下幾類(lèi)：

• 音頻均衡器（EQ）：DSP用于均衡各種音樂(lè)。使用均衡來(lái)控制不同聲音頻率的音量。如果沒(méi)有均衡，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很難聽(tīng)音樂(lè)，因?yàn)槿寺暱赡苈?tīng)起來(lái)很弱，樂(lè)器聽(tīng)起來(lái)會(huì)分散，低音會(huì)壓倒所有頻率，使音頻不清楚或渾濁。

• 有源音頻分頻器：這些音頻分頻器用于分離不同的音頻頻率，并將其分配給為特定音頻范圍設(shè)計(jì)的不同揚(yáng)聲器。音頻分頻器通常用于汽車(chē)立體聲系統(tǒng)、環(huán)繞聲系統(tǒng)和使用不同尺寸揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的揚(yáng)聲器。

• 頭戴式耳機(jī)/入耳式 3D 音頻：可以使用揚(yáng)聲器分頻器以及各種環(huán)繞聲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 3D 音頻。借助隱蔽的 DSP，用戶的頭戴式耳機(jī)和入耳式耳機(jī)可以處理音頻，從而在沒(méi)有揚(yáng)聲器的情況下提供 3D 聲音聆聽(tīng)體驗(yàn)。DSP 可以通過(guò)模擬空間聲場(chǎng)來(lái)做到這一點(diǎn)，該空間聲場(chǎng)只需使用耳機(jī)即可模擬聲音在 3D 空間中的移動(dòng)方式。

• 主動(dòng)降噪 （ANC）：主動(dòng)降噪技術(shù)使用麥克風(fēng)記錄低頻噪聲，然后產(chǎn)生與記錄的噪聲頻率相反的聲音。然后，這種產(chǎn)生的聲音用于在環(huán)境噪音到達(dá)耳膜之前消除環(huán)境噪音。ANC只有在DSP的瞬時(shí)處理速度下才能實(shí)現(xiàn)。

• 遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音和語(yǔ)音識(shí)別：這項(xiàng)技術(shù)使您的谷歌主頁(yè)，Alexa和亞馬遜Echo能夠可靠地識(shí)別用戶的聲音。語(yǔ)音助手利用 CPU、DSP 和 AI 來(lái)處理數(shù)據(jù)，并智能地回答用戶的查詢和命令。

???????DSP 相對(duì)于通用處理器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在： 像CPU這樣的通用處理器可以執(zhí)行數(shù)百條指令，并封裝比DSP更多的晶體管。這些事實(shí)可能會(huì)引發(fā)一個(gè)問(wèn)題，即為什么DSP是音頻的首選微處理器，而不是更大，更復(fù)雜的CPU。 DSP與其他微處理器相比使用的最大原因是實(shí)時(shí)音頻處理。DSP架構(gòu)的簡(jiǎn)單性和有限的ISA使DSP能夠可靠地處理輸入的數(shù)字信號(hào)。借助此功能，實(shí)時(shí)音頻表演可以實(shí)時(shí)應(yīng)用均衡和濾波器，而無(wú)需緩沖。

????????DSP的成本效益是它們比通用處理器使用的另一個(gè)重要原因。與其他需要復(fù)雜硬件和具有數(shù)百條指令的ISA的處理器不同，DSP使用更簡(jiǎn)單的硬件和具有幾十條指令的ISA。這使得DSP更容易，更便宜，更快速地制造。

????????最后，DSP更容易與電子設(shè)備集成。由于晶體管數(shù)量較少，與CPU相比，DSP需要的功率要少得多，并且物理上更小，更輕。這使得DSP可以安裝在藍(lán)牙耳機(jī)等小型設(shè)備中，而不必?fù)?dān)心電源以及增加設(shè)備過(guò)多的重量和體積。

????????DSP是音頻相關(guān)電子產(chǎn)品的重要組成部分。其小巧、輕便、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的特性使即使是最小的音頻設(shè)備也能提供主動(dòng)降噪功能。如果沒(méi)有DSP，車(chē)載音頻設(shè)備將不得不依賴通用處理器，甚至是笨重的電子元件，這些元件需要更多的資金，空間和功率，同時(shí)提供較慢的處理能力。

5.FPGA

????????FPGA叫場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field-programmable gate array），還有一種CPLD叫復(fù)雜可編程邏輯器件。FPGA有很多零散的與，或，非門(mén)電路塊，可以通過(guò)編程（或畫(huà)電路圖）把它們連接起來(lái)，從而連接組成很復(fù)雜的組合邏輯或時(shí)序邏輯，甚至可以內(nèi)置一個(gè)CPU，MCU或DSP芯片。

????????給DSP寫(xiě)程序和給多核CPU寫(xiě)程序以及給GPU寫(xiě)程序，都沒(méi)有太大區(qū)別，DSP有完善的C語(yǔ)言編譯器。目前高端的FPGA中都集成了硬核DSP，F(xiàn)PGA主要采用硬件描述語(yǔ)言HDL，常用的主要有VHDL、Verilog HDL、System Verilog 和 System C等編寫(xiě)程序。

????????FPGA一般可以視為是DSP的集成和進(jìn)階，它最大的特點(diǎn)是一種可以通過(guò)編程改變內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特定功能的芯片。FPGA具有的高速并行處理能力，其性能遠(yuǎn)超過(guò)通用 DSP 處理器的串行執(zhí)行架構(gòu)，而且它接口的電壓和驅(qū)動(dòng)能力都是可編程配置的，不像傳統(tǒng)的 DSP 要受指令集控制。

? ? ? ? 但FPGA最大的問(wèn)題在于，DSP相比于FPGA具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，對(duì)于一個(gè)性能較高的DSP大概也就百元（RMB）左右，但是一般大容量的FPGA售價(jià)都在千元以上。

????????其次，一般的應(yīng)用DSP通常處理幾十M帶寬的數(shù)據(jù)綽綽有余，在車(chē)載音頻圖像領(lǐng)域用的很多，這也是需求量很大甚至是最大的市場(chǎng)，而FPGA通常處理百M(fèi)以上瞬時(shí)帶寬的數(shù)據(jù)，通常用在軍工如宇航、衛(wèi)星，天文等或其它一些特定場(chǎng)景、特定領(lǐng)域。

????????再次，從開(kāi)發(fā)難度上看，DSP開(kāi)發(fā)采用C/C++或類(lèi)C，而FPGA采用專業(yè)的HDL編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)人員少很多，一定程度上也限制了它的開(kāi)發(fā)應(yīng)用與普及推廣。

6.SOC

????????SOC指的是片上系統(tǒng)(System on Chip)，MCU只是芯片級(jí)的芯片，而SOC是系統(tǒng)級(jí)的芯片，它既像MCU那樣有內(nèi)置RAM、ROM同時(shí)又像MPU那樣功能強(qiáng)大，不單運(yùn)行簡(jiǎn)單的控制或運(yùn)算程序，結(jié)合了MCU集成化與MPU強(qiáng)處理能力的優(yōu)勢(shì)，還可以存放系統(tǒng)級(jí)的代碼，比如車(chē)機(jī)操作系統(tǒng)就運(yùn)行在SOC芯片上。?

?????????高通的8155芯片就是一款目前最為強(qiáng)大的智能座艙SOC芯片，全稱是SA8155P，它采用7納米工藝制造，具有八個(gè)核心，算力為8TOPS（也就是每秒運(yùn)算8萬(wàn)億次），可以最多支持6個(gè)攝像頭，可以連接4塊2K屏幕或者3塊4K屏幕，支持Wi-Fi6，支持5G，支持藍(lán)牙5.0。目前在車(chē)載SOC芯片領(lǐng)域，高通是絕對(duì)的領(lǐng)先者，國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)威馬W6、小鵬P5、吉利星越L、蔚來(lái)ET7、集度汽車(chē)據(jù)稱都采用了8155芯片作為車(chē)載的SOC主力。SA8155P車(chē)規(guī)級(jí)芯片的原型就是高通驍龍8155，目前國(guó)內(nèi)還看不到有同一層次的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。車(chē)載SOC芯片等價(jià)于手機(jī)上的CPU。

7.總結(jié)

????????MCU芯片集成了片上外圍器件如小容量的存儲(chǔ)功能；MPU不帶外圍器件（例如存儲(chǔ)器陣列），是高度集成的通用結(jié)構(gòu)的處理器，視為去除了集成外設(shè)的MCU；DSP運(yùn)算能力強(qiáng)，擅長(zhǎng)很多的重復(fù)數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理等，而MCU則適合不同信息源的多種數(shù)據(jù)的處理診斷和運(yùn)算，側(cè)重于控制，速度并不如DSP。

????????MCU區(qū)別于DSP的最大特點(diǎn)在于它的通用性，反應(yīng)在指令集和尋址模式中。DSP與MCU的結(jié)合是DSC，未來(lái)有可能將取代這兩種芯片。

? ? ? ? FPGA應(yīng)用在通信系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、?視頻圖像處理、?高速接口設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，覆蓋或超過(guò)了DSP的應(yīng)用領(lǐng)域，但相應(yīng)的價(jià)格與民用需求少限制了它的使用范圍，目前在車(chē)載/車(chē)規(guī)級(jí)芯片領(lǐng)域使用并不普及，或許未來(lái)隨成本的降低和智能車(chē)對(duì)芯片性能要求高會(huì)有更大的發(fā)展機(jī)遇。

????????SOC芯片是系統(tǒng)級(jí)的芯片，可以視為是車(chē)載芯片的主力，智能車(chē)內(nèi)多屏幕、多攝像頭以及車(chē)可以隨時(shí)接入5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)智能座艙主要依賴的是車(chē)機(jī)SOC的性能和算力支持。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-782644.html

到了這里，關(guān)于車(chē)規(guī)級(jí)芯片之 MCU、MPU、DSP、FPGA、SOC的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！