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一文讀懂單片機、ARM、MCU、DSP、FPGA、嵌入式錯綜復雜的關系!

發表時間:2020-06-23 14:33

首先,“嵌入式”這是個概念,準確的定義沒有,各個書上都有各自的定義。但是主要思想是一樣的,就是相比較PC機這種通用系統來說,嵌入式系統是個專用系統,結構精簡,在硬件和軟件上都只保留需要的部分,而將不需要的部分裁去。所以嵌入式系統一般都具有便攜、低功耗、性能單一等特性。


然后,MCU、DSP、FPGA這些都屬于嵌入式系統的范疇,是為了實現某一目的而使用的工具。


MCU俗稱”單片機“經過這么多年的發展,早已不單單只有普林斯頓結構的51了,性能也已得到了很大的提升。因為MCU必須順序執行程序,所以適于做控制,較多地應用于工業。而ARM本是一家專門設計MCU的公司,由于技術先進加上策略得當,這兩年單片機市場份額占有率巨大。ARM的單片機有很多種類,從低端M0(小家電)到高端A8、A9(手機、平板電腦)都很吃香,所以也不是ARM的單片機一定要上系統,關鍵看應用場合。


DSP叫做數字信號處理器,它的結構與MCU不同,加快了運算速度,突出了運算能力。可以把它看成一個超級快的MCU。低端的DSP,如C2000系列,主要是用在電機控制上,不過TI公司好像稱其為DSC(數字信號控制器)一個介于MCU和DSP之間的東西。高端的DSP,如C5000/C6000系列,一般都是做視頻圖像處理和通信設備這些需要大量運算的地方。


FPGA叫做現場可編程邏輯陣列,本身沒有什么功能,就像一張白紙,想要它有什么功能完全靠編程人員設計(它的所有過程都是硬件,包括VHDL和Verilog HDL程序設計也是硬件范疇,一般稱之為編寫“邏輯”。)。如果你夠NB,你可以把它變成MCU,也可以變成DSP。由于MCU和DSP的內部結構都是設計好的,所以只能通過軟件編程來進行順序處理,而FPGA則可以并行處理和順序處理,所以比較而言速度最快。


那么為什么MCU、DSP和FPGA會同時存在呢?那是因為MCU、DSP的內部結構都是由IC設計人員精心設計的,在完成相同功能時功耗和價錢都比FPGA要低的多。而且FPGA的開發本身就比較復雜,完成相同功能耗費的人力財力也要多。所以三者之間各有各的長處,各有各的用武之地。但是目前三者之間已經有融合的態勢,ARM的M4系列里多加了一個精簡的DSP核,TI的達芬奇系列本身就是ARM+DSP結構,ALTERA和XINLIX新推出的FPGA都包含了ARM的核在里面。所以三者之間的關系是越來越像三基色的三個圓了。


一言以蔽之“你中有我,我中有你”。


硬件工程師學習從何開始?


單片機:通常無操作系統,用于簡單的控制,如電梯,空調等。


dsp:用于復雜的計算,像離散余弦變換、快速傅里葉變換,常用于圖像處理,在數碼相機等設備中使用。


arm:一個英國的芯片設計公司,但是不生產芯片。只賣知識產權。


fpga:現場可編程門陣列,以硬件描述語言(Verilog 或 VHDL)所完成的電路設計,可以經過簡單的綜合與布局,快速的燒錄至 FPGA 上進行測試,是現代 IC 設計驗證的技術主流。


嵌入式 是相對于臺式電腦而言,系統可裁剪,形態各異,可能體積、功耗、成本受限、實時性要求高,如示波器,手機,平板電腦,全自動洗衣機,路由器、數碼相機,這些設備中,雖然看不到臺式機的存在,但是都有一個或多個嵌入式系統在工作。


根據對象體系的功能復雜性和計算處理復雜性,提供的不同選擇。對于簡單的家電控制嵌入式系統,采用簡單的8位單片機就足夠了,價廉物美,對于手機和游戲機等,就必須采用32位的ARM和DSP等芯片了。FPGA是一種更偏向硬件的實現方式。


所以要通過學習成為硬件工程師,要從單片機開始,然后學習ARM和DSP之類。


市面上七大主流單片機的詳細介紹


單片機現在可謂是鋪天蓋地,種類繁多,讓開發者們應接不暇,發展也是相當的迅速,從上世紀80年代,由當時的4位8位發展到現在的各種高速單片機。


各個廠商們也在速度、內存、功能上此起彼伏,參差不齊~~同時涌現出一大批擁有代表性單片機的廠商:Atmel、TI、ST、MicroChip、ARM…國內的宏晶STC單片機也是可圈可點…


下面為大家帶來51、MSP430、TMS、STM32、PIC、AVR、STC單片機之間的優缺點比較及功能體現……


51單片機


應用最廣泛的8位單片機當然也是初學者們最容易上手學習的單片機,最早由Intel推出,由于其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理,眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統,堪稱為一代“經典”,為以后的其它單片機的發展奠定了基礎。


51單片機之所以成為經典,成為易上手的單片機主要有以下特點:


特性:

1.從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統,稱作位處理器,處理對象不是字或字節而是位。不但能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理,如傳送、置位、清零、測試等,還能進行位的邏輯運算,其功能十分完備,使用起來得心應手。


2. 同時在片內RAM區間還特別開辟了一個雙重功能的地址區間,使用極為靈活,這一功能無疑給使用者提供了極大的方便,


3. 乘法和除法指令,這給編程也帶來了便利。很多的八位單片機都不具備乘法功能,作乘法時還得編上一段子程序調用,十分不便。


缺點:(雖然是經典但是缺點還是很明顯的)


1.AD、EEPROM等功能需要靠擴展,增加了硬件和軟件負擔


2. 雖然I/O腳使用簡單,但高電平時無輸出能力,這也是51系列單片機的最大軟肋


3. 運行速度過慢,特別是雙數據指針,如能改進能給編程帶來很大的便利


4. 51保護能力很差,很容易燒壞芯片


應用范圍:

目前在教學場合和對性能要求不高的場合大量被采用

使用最多的器件:8051、80C51


MSP430單片機


MSP430系列單片機是德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器,給人們留下的最大的亮點是低功耗而且速度快,匯編語言用起來很靈活,尋址方式很多,指令很少,容易上手。主要是由于其針對實際應用需求,把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在一個芯片上,以提供“單片”解決方案。其迅速發展和應用范圍的不斷擴大,主要取決于以下的特點…


特性:


1.強大的處理能力,采用了精簡指令集(RISC)結構,具有豐富的尋址方式( 7 種源操作數尋址、 4 種目的操作數尋址)、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算;還有高效的查表處理指令;有較高的處理速度,在 8MHz 晶體驅動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序


2.在運算速度方面,能在 8MHz 晶體的驅動下,實現 125ns 的指令周期。16 位的數據寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實現乘加)相配合,能實現數字信號處理的某些算法(如 FFT 等)


3.超低功耗方面,MSP430 單片機之所以有超低的功耗,是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時, 芯片的電流會在 200~400uA 左右,時鐘關斷模式的最低功耗只有 0.1uA


缺點:


1.個人感覺不容易上手,不適合初學者入門,資料也比較少,只能跑官網去找

2.占的指令空間較大,因為是16位單片機,程序以字為單位,有的指令竟然占6個字節。雖然程序表面上簡潔, 但與pic單片機比較空間占用很大


應用范圍:

在低功耗及超低功耗的工業場合應用的比較多

使用最多的器件:MSP430F系列、MSP430G2系列、MSP430L09系列


TMS單片機


這里也提一下TMS系列單片機,雖不算主流。由TI推出的8位CMOS單片機,具有多種存儲模式、多種外圍接口模式,適用于復雜的實時控制場合。雖然沒STM32那么優秀,也沒MSP430那么張揚,但是TMS370C系列單片機提供了通過整合先進的外圍功能模塊及各種芯片的內存配置,具有高性價比的實時系統控制。同時采用高性能硅柵CMOS EPROM和EEPROM技術實現。低工作功耗CMOS技術,寬工作溫度范圍,噪聲抑制,再加上高性能和豐富的片上外設功能,使TMS370C系列單片機在汽車電子,工業電機控制,電腦,通信和消費類具有一定的應用。


STM32單片機


由ST廠商推出的STM32系列單片機,行業的朋友都知道,這是一款性價比超高的系列單片機,應該沒有之一,功能及其強大。其基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M內核,同時具有一流的外設:1μs的雙12位ADC,4兆位/秒的UART,18兆位/秒的SPI等等,在功耗和集成度方面也有不俗的表現,當然和MSP430的功耗比起來是稍微遜色的一些,但這并不影響工程師們對它的熱捧程度,由于其簡單的結構和易用的工具再配合其強大的功能在行業中赫赫有名…其強大的功能主要表現在:


特性:

1.內核:ARM32位Cortex-M3CPU,最高工作頻率72MHz,1.25DMIPS/MHz,單周期乘法和硬件除法


2.存儲器:片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器


3.時鐘、復位和電源管理:2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器(PVD)。4-16MHz的晶振。內嵌出廠前調校的8MHz RC振蕩電路。內部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振


4、調試模式:串行調試(SWD)和JTAG接口。最多高達112個的快速I/O端口、最多多達11個定時器、最多多達13個通信接口


使用最多的器件:STM32F103系列、STM32 L1系列、STM32W系列


PIC單片機


PIC單片機系列是美國微芯公司(Microship)的產品,共分三個級別,即基本級、中級、高級,是當前市場份額增長最快的單片機之一,CPU采用RISC結構,分別有33、35、58條指令,屬精簡指令集,同時采用Harvard雙總線結構,運行速度快,它能使程序存儲器的訪問和數據存儲器的訪問并行處理,這種指令流水線結構,在一個周期內完成兩部分工作,一是執行指令,二是從程序存儲器取出下一條指令,這樣總的看來每條指令只需一個周期,這也是高效率運行的原因之一,此外PIC單片機之所以成為一時非常熱的單片機不外乎以下特點:


特點:

1.具有低工作電壓、低功耗、驅動能力強等特點。PIC系列單片機的I/O口是雙向的,其輸出電路為CMOS互補推挽輸出電路。I/O腳增加了用于設置輸入或輸出狀態的方向寄存器,從而解決了51系列I/O腳為高電平時同為輸入和輸出的狀態。


2.當置位1時為輸入狀態,且不管該腳呈高電平或低電平,對外均呈高阻狀態;置位0時為輸出狀態,不管該腳為何種電平,均呈低阻狀態,有相當的驅動能力,低電平吸入電流達25mA,高電平輸出電流可達20mA。相對于51系列而言,這是一個很大的優點


3.它可以直接驅動數碼管顯示且外電路簡單。它的A/D為10位,能滿足精度要求。具有在線調試及編程(ISP)功能。


不足之處:

其專用寄存器(SFR)并不像51系列那樣都集中在一個固定的地址區間內(80~FFH),而是分散在四個地址區間內。只有5個專用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4個存儲體內同時出現,但是在編程過程中,少不了要與專用寄存器打交道,得反復地選擇對應的存儲體,也即對狀態寄存器STATUS的第6位(RP1)和第5位(RP0)置位或清零。數據的傳送和邏輯運算基本上都得通過工作寄存器W(相當于51系列的累加器A)來進行,而51系列的還可以通過寄存器相互之間直接傳送,因而PIC單片機的瓶頸現象比51系列還要嚴重,這在編程中的朋友應該深有體會


使用最多的器件:PIC16F873、PIC16F877


AVR單片機


AVR單片機是Atmel公司推出的較為新穎的單片機,其顯著的特點為高性能、高速度、低功耗。它取消機器周期,以時鐘周期為指令周期,實行流水作業。AVR單片機指令以字為單位,且大部分指令都為單周期指令。而單周期既可執行本指令功能,同時完成下一條指令的讀取。通常時鐘頻率用4~8MHz,故最短指令執行時間為250~125ns。AVR單片機能成為最近仍是比較火熱的單片機,主要的特點:


特點:

1.AVR系列沒有類似累加器A的結構,它主要是通過R16~R31寄存器來實現A的功能。在AVR中,沒有像51系列的數據指針DPTR,而是由X(由R26、R27組成)、Y(由R28、R29組成)、Z(由R30、R31組成)三個16位的寄存器來完成數據指針的功能(相當于有三組DPTR),而且還能作后增量或先減量等的運行,而在51系列中,所有的邏輯運算都必須在A中進行;而AVR卻可以在任兩個寄存器之間進行,省去了在A中的來回折騰,這些都比51系列出色些


2.AVR的專用寄存器集中在00~3F地址區間,無需像PIC那樣得先進行選存儲體的過程,使用起來比PIC方便。AVR的片內RAM的地址區間為0~00DF(AT90S2313) 和0060~025F(AT90S8515、AT90S8535),它們占用的是數據空間的地址,這些片內RAM僅僅是用來存儲數據的,通常不具備通用寄存器的功能。當程序復雜時,通用寄存器R0~R31就顯得不夠用;而51系列的通用寄存器多達128個(為AVR的4倍),編程時就不會有這種感覺。


3.AVR的I/O腳類似PIC,它也有用來控制輸入或輸出的方向寄存器,在輸出狀態下,高電平輸出的電流在10mA左右,低電平吸入電流20mA。這點雖不如PIC,但比51系列還是要優秀的…


缺點:

1.是沒有位操作,都是以字節形式來控制和判斷相關寄存器位的


2.C語言與51的C語言在寫法上存在很大的差異,這讓從開始學習51單片機的朋友很不習慣


3.通用寄存器一共32個(R0~R31),前16個寄存器(R0~R15)都不能直接與立即數打交道,因而通用性有所下降。而在51系列中,它所有的通用寄存器(地址00~7FH)均可以直接與立即數打交道,顯然要優于前者。


使用最多的器件:ATUC64L3U、ATxmega64A1U、AT90S8515


STC單片機


說到STC單片機有人會說到,STC也能算主流,估計要被噴了~~我們基于它是國內還算是比較不錯的單片機來說。STC單片機是宏晶生產的單時鐘/機器周期的單片機,說白了STC單片機是51與AVR的結合體,有人說AVR是51的替代單片機,但是AVR單片機在位控制和C語言寫法上存在很大的差異。而STC單片機洽洽結合了51和AVR的優點,雖然功能不及AVR那么強大,但是在AVR能找到的功能,在STC上基本都有,同時STC單片機是51內核,這給以51單片機為基礎的工程師們提供了極大的方便,省去了學習AVR的時間,同時也不失AVR的各種功能…


STC單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機51單片機,指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8~12倍,內部集成MAX810專用復位電路。4路PWM 8路高速10位A、D轉換,針對電機電機 的供應商控制,強干擾場合,成為繼51單片機后一個全新系列單片機…


特性:

1.下載燒錄程序用串口方便好用,容易上手,擁有大量的學習資料及視頻,最著名的要屬于杜老師的那個視頻了,好多對單片機有興趣的朋友都是通過這個視頻入門的,同時具有寬電壓:5.5~3.8V,2.4~3.8V, 低功耗設計:空閑模式,掉電模式(可由外部中斷喚醒)


2.STC單片機具有在應用編程,調試起來比較方便;帶有10位AD、內部EEPROM、可在1T/機器周期下工作,速度是傳統51單片機的8~12倍,價格也較便宜


3.4 通道捕獲/比較單元,STC12C2052AD系列為2通道,也可用來再實現4個定時器或4個外部中斷,2個硬件16位定時器,兼容普通8051的定時器。4路PCA還可再實現4個定時器,具有硬件看門狗、高速SPI通信端口、全雙工異步串行口,兼容普通8051的串口,同時還具有先進的指令集結構,兼容普通8051指令集


PS:STC單片機功能雖不及AVR、STM32強大,價格也不及51和ST32便宜,但是這些并并不重要,重要的是這屬于國產單片機比較出色的單片機,但愿國產單片機能一路長虹…


使用最多的器件:STC12C2052AD


Freescale單片機


主要針對S08,S12這類單片機,當然Freescale單片機遠非于此。Freescale系列單片機采用哈佛結構和流水線指令結構,在許多領域內都表現出低成本,高性能的的特點,它的體系結構為產品的開發節省了大量時間。此外Freescale提供了多種集成模塊和總線接口,可以在不同的系統中更靈活的發揮作用!Freescale單片機的特有的特點如下:


1.全系列:從低端到高端,從8位到32位全系列應有盡有,其推出的8位/32位管腳兼容的QE128,可以從8位直接移植到32位,彌補單片機業界8/32 位兼容架構中缺失的一環


2.多種系統時鐘模塊:三種模塊,七種工作模式。多種時鐘源輸入選項,不同的mcu具有不同的時鐘產生機制,可以是RC振蕩器,外部時鐘或晶振,也可以是內部時鐘,多數CPU同時具有上述三種模塊!可以運行在FEI,FEE,FBI,FBILP,FBE,FBELP,STOP這七種工作模式


3.多種通訊模塊接口:Freescale單片機幾乎在內部集成各種通信接口模塊:包括串行通信接口模塊SCI,多主I2C總線模塊,串行外圍接口模塊 SPI,MSCAN08控制器模塊,通用串行總線模塊(USB/PS2)


4.具有更多的可選模塊:具有LCD驅動模塊,帶有溫度傳感器,具有超高頻發送模塊,含有同步處理器模塊,含有同步處理器的MCU還具有屏幕顯示模塊OSD,還有少數的MCU具有響鈴檢測模塊RING和雙音多頻/音調發生器DMG模塊


5.可靠性高,抗干擾性強,多種引腳數和封裝選擇


6.低功耗、也許Freescale系列的單片機的功耗沒有MSP430的低,但是他具有全靜態的“等待”和“停止”兩種模式,從總體上降低您的功耗!新近推出的幾款超低功耗已經與MSP430的不相上下!


使用最多的器件:MC9S12G系列


如果真要在這些單片機中分個一二三等,那么如果你想跟隨大眾,無可厚非51單片機還是首選;如果你追求超高性價比,STM32將是你理想選擇;如果你渴望超低功耗,MSP430肯定不會讓你失望;如果你想支持國產,STC會讓你興奮…


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