【導(dǎo)讀】本文介紹了嵌入式系統(tǒng)中常用的五種微處理器類型：微處理器單元（MPU）、微控制器（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）和單片機(jī)（SBC）。文章詳細(xì)闡述了每種處理器的功能、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及選擇建議，并列出了一些精選的微處理器產(chǎn)品，供讀者參考。
本文介紹了嵌入式系統(tǒng)中常用的五種微處理器類型：微處理器單元（MPU）、微控制器（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）和單片機(jī)（SBC）。文章詳細(xì)闡述了每種處理器的功能、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及選擇建議，并列出了一些精選的微處理器產(chǎn)品，供讀者參考。
任何一個(gè)電子系統(tǒng)都需要一個(gè)微處理器（MPU）內(nèi)核，當(dāng)然也有些系統(tǒng)會(huì)選擇微控制器（MCU），或是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA），甚至是單片機(jī)（SBC）來(lái)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的計(jì)算與控制工作。接下來(lái)，將為您簡(jiǎn)要介紹這些微處理器等相關(guān)產(chǎn)品。
微處理器是計(jì)算機(jī)的核心器件
微處理器單元（MPU）是一種集成電路（IC），主要功能是執(zhí)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的指令集，是計(jì)算機(jī)的核心器件，通常被認(rèn)為是系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)處理和執(zhí)行各種計(jì)算、控制和操作，包含程序代碼執(zhí)行、數(shù)據(jù)檢索／發(fā)送到內(nèi)存，以及對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)學(xué)計(jì)算的邏輯。微處理器又被稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU），是計(jì)算機(jī)最重要的部分之一。
微處理器的主要功能包括計(jì)算能力，用來(lái)執(zhí)行各種數(shù)學(xué)和邏輯計(jì)算，它能夠處理大量的數(shù)據(jù)并執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，這使得計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行各種應(yīng)用程序。此外，微處理器包含一個(gè)控制單元，負(fù)責(zé)解釋和執(zhí)行存儲(chǔ)在內(nèi)存中的指令。微處理器的運(yùn)行速度通常由頻率來(lái)衡量，表示每秒執(zhí)行的時(shí)鐘周期數(shù)，頻率越高，處理器的運(yùn)行速度越快，代表能夠在同一時(shí)間內(nèi)處理更多的指令。目前現(xiàn)代微處理器通常采用多核技術(shù)，意味著它們包含多個(gè)處理內(nèi)核，這使得處理器能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，提高總體性能和多任務(wù)處理效能。另一方面，微處理器還包含高速緩存，用于暫存常用的指令和數(shù)據(jù)，以提高訪問(wèn)速度。高速緩存有助于減少?gòu)闹鞔鎯?chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)的需求，提高系統(tǒng)性能。使用微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常必須先依據(jù)想使用的指令集架構(gòu)（RISC-V、x86和ARM），來(lái)選擇合適的微處理器。微處理器主要用在服務(wù)器、工作站、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、電玩機(jī)臺(tái)等產(chǎn)品。微控制器（MCU）是一種嵌入式系統(tǒng)中的集成電路，雖然微控制器的性能低于微處理器，但它更容易被系統(tǒng)集成，而且價(jià)格也更低。微控制器的功能主要包含一個(gè)或多個(gè)處理內(nèi)核，負(fù)責(zé)執(zhí)行嵌入在其內(nèi)部的程序代碼，這些處理器通常具有較低的頻率速度，但足以處理特定的應(yīng)用。此外，微控制器通常包含內(nèi)部閃存，用于存儲(chǔ)程序代碼，以及隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），用于暫存運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。微控制器還具有輸入／輸出接口，可連接外部設(shè)備，例如傳感器、顯示器、通信接口等，這些接口允許微控制器與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。微控制器通常還包含內(nèi)建的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，用于執(zhí)行定時(shí)任務(wù)、計(jì)數(shù)脈沖或產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)。微控制器能夠透過(guò)不同的通信協(xié)議，如UART、SPI、I2C等，與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并包含電源管理電路，能夠有效地管理能耗，以延長(zhǎng)電池壽命或節(jié)省電能。此外，部分微控制器可能內(nèi)建特定應(yīng)用的專用硬件，例如模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）、PWM控制（脈沖寬度調(diào)變）等，以支持各種應(yīng)用需求。微控制器的特點(diǎn)在于它們的集成度高，并且針對(duì)特定的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。這使得它們成為許多嵌入式系統(tǒng)的理想選擇，因?yàn)樗鼈冊(cè)隗w積小、功耗低、成本效益高的同時(shí)，提供了足夠的計(jì)算和控制能力。微控制器通常運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），主要用在自動(dòng)售貨機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、家用電器與機(jī)器人等領(lǐng)域。
數(shù)字信號(hào)處理器滿足實(shí)時(shí)處理的需求
顧名思義，數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種專門(mén)設(shè)計(jì)用于處理數(shù)字信號(hào)的微處理器，它的主要功能是高效地執(zhí)行如音頻處理、圖像處理、通信處理等任務(wù)，通常DSP芯片具有高分辨率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），以及數(shù)字濾波功能，DSP被優(yōu)化和設(shè)計(jì)，可用于快速執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)計(jì)算，以滿足實(shí)時(shí)處理的需求。數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）
DSP專注于處理數(shù)字信號(hào)，具有優(yōu)化的硬件和指令集，以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)學(xué)和信號(hào)處理計(jì)算，這使得它們能夠在實(shí)時(shí)應(yīng)用中處理高密度的數(shù)據(jù)流，例如音頻或圖像數(shù)據(jù)。DSP通常擁有多個(gè)并行處理單元或通道，這使得DSP同時(shí)處理多路信號(hào)變得更加容易，這對(duì)于同步處理多路數(shù)據(jù)流的應(yīng)用非常有用，如多通道音頻處理或多天線通信系統(tǒng)。DSP的指令集通常包括針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)優(yōu)化的指令，例如快速傅里葉變換（FFT）和卷積計(jì)算等，這使得在DSP上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法變得更加高效。許多DSP被設(shè)計(jì)為可應(yīng)用于低功耗設(shè)備，這使得它們適合于電池供電或要求功耗效能的應(yīng)用，如便攜式音頻設(shè)備或無(wú)線通信設(shè)備。此外，還有一種數(shù)字信號(hào)控制器（DSC），可以被視為DSP和MCU之間的專門(mén)組合。DSC通常包含微控制器中的功能，例如看門(mén)狗定時(shí)器、脈寬調(diào)變通道以及使用低級(jí)語(yǔ)言（例如C程序語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言）進(jìn)行編程的能力。
具有可重構(gòu)性的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列
FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一種可現(xiàn)場(chǎng)編程門(mén)陣列，是可讓用戶可編程配置邏輯區(qū)塊（CLB）互連連接的半導(dǎo)體器件，在出廠后重新編程這些CLB以及它們之間的連接，使它們能夠適應(yīng)應(yīng)用的需求，并添加更多功能，是一種靈活且可重構(gòu)的數(shù)字邏輯器件。FPGA（Field-Programmable Gate Array）
FPGA的最大特點(diǎn)之一是其可重構(gòu)性，允許用戶在不更換硬件的情況下重新配置其內(nèi)部數(shù)字邏輯器件。這使得FPGA能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，并隨著時(shí)間的推移進(jìn)行更新。FPGA內(nèi)部有一個(gè)配置內(nèi)存，用于存儲(chǔ)邏輯器件的配置信息，這些配置可以通過(guò)軟件或硬件設(shè)計(jì)工具產(chǎn)生，然后加載到FPGA中，使其執(zhí)行特定的功能。由于FPGA內(nèi)部有多個(gè)可編程邏輯器件，因此它具有并行處理的能力，可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，這使得FPGA適用于需要高度并行處理的應(yīng)用。FPGA廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)、高性能計(jì)算、通信、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)加速和原型設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。由于其可重構(gòu)性和高度定制化的特點(diǎn)，F(xiàn)PGA常被用于開(kāi)發(fā)和測(cè)試新的硬件設(shè)計(jì)。雖然大多數(shù)FPGA由于采用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM），而可以多次重新編程，但也有一次性可編程（OTP）的選項(xiàng)，與其他嵌入式選項(xiàng)相比，F(xiàn)PGA的單價(jià)通常較高。
具有緊湊外型與高度集成的單片機(jī)
單片機(jī)（Single Board Computer，SBC）是一種完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所有的主要器件都集成在一個(gè)單一的電路板上，具有緊湊的外形并提供計(jì)算能力和處理速度。SBC包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存、輸入／輸出（I/O）接口、存儲(chǔ)裝置和其他必要的器件，如USB、HDMI、網(wǎng)絡(luò)接口等。大多數(shù)SBC被設(shè)計(jì)為低功耗設(shè)備，使其適用于需要節(jié)能的應(yīng)用，如嵌入式系統(tǒng)、便攜式設(shè)備等。SBC廣泛應(yīng)用于如工業(yè)控制、自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備等嵌入式系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以執(zhí)行特定的任務(wù)。由于SBC簡(jiǎn)單的架構(gòu)和相對(duì)低價(jià)，SBC也被廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域，用于學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)學(xué)科、編程和硬件設(shè)計(jì)。SBC也是開(kāi)發(fā)和原型設(shè)計(jì)的理想平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者可以使用它們來(lái)快速驗(yàn)證概念、測(cè)試軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行產(chǎn)品原型開(kāi)發(fā)。許多SBC擁有龐大的群體支持，這包括開(kāi)發(fā)者、制造商和愛(ài)好者。這些群體可以提供技術(shù)支持、開(kāi)發(fā)工具、教程和第三方擴(kuò)展模塊，使得使用者能夠更好地利用這些SBC。一些常見(jiàn)的SBC包括樹(shù)莓派（Raspberry Pi）、Arduino、BeagleBone、Odroid等，每種SBC都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和用途，可以根據(jù)具體的需求選擇合適的型號(hào)。
選擇合適的微處理器是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要關(guān)鍵，可以依據(jù)應(yīng)用需求、成本、生態(tài)系統(tǒng)等因素，來(lái)選擇合適的微處理器。
文章來(lái)源：DigiKey得捷
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