嵌入式系统中常用的五种微处理器类型

文章概述

本文介绍了嵌入式系统中常用的五种微处理器类型：微处理器单元（MPU）、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）和单片机（SBC）。文章详细阐述了每种处理器的功能、优点、缺点以及选择建议，并列出了一些精选的微处理器产品，供读者参考。

任何一个电子系统都需要一个微处理器（MPU）内核，当然也有些系统会选择微控制器（MCU），或是数字信号处理器（DSP）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA），甚至是单片机（SBC）来负责系统的计算与控制工作。接下来，将为您简要介绍这些微处理器等相关产品。

微处理器是计算机的核心器件

微处理器单元（MPU）是一种集成电路（IC），主要功能是执行计算机系统中的指令集，是计算机的核心器件，通常被认为是系统的大脑，负责处理和执行各种计算、控制和操作，包含程序代码执行、数据检索／发送到内存，以及对数据应用数学计算的逻辑。微处理器又被称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU），是计算机最重要的部分之一。

微处理器的主要功能包括计算能力，用来执行各种数学和逻辑计算，它能够处理大量的数据并执行复杂的计算，这使得计算机能够执行各种应用程序。此外，微处理器包含一个控制单元，负责解释和执行存储在内存中的指令。

微处理器的运行速度通常由频率来衡量，表示每秒执行的时钟周期数，频率越高，处理器的运行速度越快，代表能够在同一时间内处理更多的指令。目前现代微处理器通常采用多核技术，意味着它们包含多个处理内核，这使得处理器能够同时处理多个任务，提高总体性能和多任务处理效能。

另一方面，微处理器还包含高速缓存，用于暂存常用的指令和数据，以提高访问速度。高速缓存有助于减少从主存储器中读取数据的需求，提高系统性能。使用微处理器进行设计时，通常必须先依据想使用的指令集架构（RISC-V、x86和ARM），来选择合适的微处理器。微处理器主要用在服务器、工作站、计算机、移动设备、电玩机台等产品。

微控制器更容易被系统集成

微控制器（MCU）是一种嵌入式系统中的集成电路，虽然微控制器的性能低于微处理器，但它更容易被系统集成，而且价格也更低。微控制器的功能主要包含一个或多个处理内核，负责执行嵌入在其内部的程序代码，这些处理器通常具有较低的频率速度，但足以处理特定的应用。此外，微控制器通常包含内部闪存，用于存储程序代码，以及随机存取存储器（RAM），用于暂存运行时的数据。

微控制器还具有输入／输出接口，可连接外部设备，例如传感器、显示器、通信接口等，这些接口允许微控制器与外界进行数据交换。微控制器通常还包含内建的定时器和计数器，用于执行定时任务、计数脉冲或产生时序信号。

微控制器能够透过不同的通信协议，如UART、SPI、I²C等，与其他设备进行数据交换，并包含电源管理电路，能够有效地管理能耗，以延长电池寿命或节省电能。此外，部分微控制器可能内建特定应用的专用硬件，例如模拟-数字转换器（ADC）、数字-模拟转换器（DAC）、PWM控制（脉冲宽度调变）等，以支持各种应用需求。

微控制器的特点在于它们的集成度高，并且针对特定的应用进行了优化 。 这使得它们成为许多嵌入式系统的理想选择，因为它们在体积小、功耗低、成本效益高的同时，提供了足够的计算和控制能力。微控制器通常运行实时操作系统（RTOS），主要用在自动售货机、医疗设备、家用电器与机器人等领域。

数字信号处理器满足实时处理的需求

顾名思义，数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是一种专门设计用于处理数字信号的微处理器，它的主要功能是高效地执行如音频处理、图像处理、通信处理等任务，通常DSP芯片具有高分辨率模拟数字转换器（ADC）和数字模拟转换器（DAC），以及数字滤波功能，DSP被优化和设计，可用于快速执行复杂的数字信号计算，以满足实时处理的需求。

DSP专注于处理数字信号，具有优化的硬件和指令集，以实现高效的数学和信号处理计算，这使得它们能够在实时应用中处理高密度的数据流，例如音频或图像数据。DSP通常拥有多个并行处理单元或通道，这使得DSP同时处理多路信号变得更加容易，这对于同步处理多路数据流的应用非常有用，如多通道音频处理或多天线通信系统。

DSP的指令集通常包括针对数字信号处理任务优化的指令，例如快速傅里叶变换（FFT）和卷积计算等，这使得在DSP上实现数字信号处理算法变得更加高效。许多DSP被设计为可应用于低功耗设备，这使得它们适合于电池供电或要求功耗效能的应用，如便携式音频设备或无线通信设备。

此外，还有一种数字信号控制器（DSC），可以被视为DSP和MCU之间的专门组合。DSC通常包含微控制器中的功能，例如看门狗定时器、脉宽调变通道以及使用低级语言（例如C程序语言或汇编语言）进行编程的能力。

具有可重构性的现场可编程逻辑门阵列

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可现场编程门阵列，是可让用户可编程配置逻辑区块（CLB）互连连接的半导体器件，在出厂后重新编程这些CLB以及它们之间的连接，使它们能够适应应用的需求，并添加更多功能，是一种灵活且可重构的数字逻辑器件。

FPGA的最大特点之一是其可重构性，允许用户在不更换硬件的情况下重新配置其内部数字逻辑器件。这使得FPGA能够适应不同的应用需求，并随着时间的推移进行更新。FPGA内部有一个配置内存，用于存储逻辑器件的配置信息，这些配置可以通过软件或硬件设计工具产生，然后加载到FPGA中，使其执行特定的功能。

由于FPGA内部有多个可编程逻辑器件，因此它具有并行处理的能力，可以同时执行多个任务，这使得FPGA适用于需要高度并行处理的应用。FPGA广泛应用于数字信号处理、嵌入式系统、高性能计算、通信、图像处理、网络加速和原型设计等领域。由于其可重构性和高度定制化的特点，FPGA常被用于开发和测试新的硬件设计。

虽然大多数FPGA由于采用静态随机存取存储器（SRAM），而可以多次重新编程，但也有一次性可编程（OTP）的选项，与其他嵌入式选项相比，FPGA的单价通常较高。

具有紧凑外型与高度集成的单片机

单片机（Single Board Computer，SBC）是一种完整的计算机系统，所有的主要器件都集成在一个单一的电路板上，具有紧凑的外形并提供计算能力和处理速度。SBC包括中央处理器（CPU）、内存、输入／输出（I/O）接口、存储装置和其他必要的器件，如USB、HDMI、网络接口等。

大多数SBC被设计为低功耗设备，使其适用于需要节能的应用，如嵌入式系统、便携式设备等。SBC广泛应用于如工业控制、自动化、医疗设备等嵌入式系统，这些系统需要一个完整的计算机系统以执行特定的任务。由于SBC简单的架构和相对低价，SBC也被广泛应用于教育领域，用于学生学习计算机学科、编程和硬件设计。SBC也是开发和原型设计的理想平台，开发者可以使用它们来快速验证概念、测试软硬件设计，并进行产品原型开发。

许多SBC拥有庞大的群体支持，这包括开发者、制造商和爱好者。这些群体可以提供技术支持、开发工具、教程和第三方扩展模块，使得使用者能够更好地利用这些SBC。一些常见的SBC包括树莓派（Raspberry Pi）、Arduino、BeagleBone、Odroid等，每种SBC都有其独特的特点和用途，可以根据具体的需求选择合适的型号。

处理器	优点	缺点	选择建议
MPU	具备高处理能力、拥有设计弹性、通用性佳与多用途，适用于通用计算应用。	具有较高功耗、尺寸较大，且成本较高。	需要高计算性能和通用性的应用。
MCU	低成本，集成外设功能，具有低功耗与快速的启动时间，采用小型封装，适合嵌入式系统。	具备有限的计算和存储资源，通常使用较低的时钟速率，对于实时应用的支持与硬件的连接性可能较为受限。	适用于嵌入式系统，特别是资源有限的应用。
DSP	具有专业与高效率的数字信号处理能力，以及高度优化的浮点计算与并行计算能力。	对于通用计算较不灵活，需要专业知识，适用于非常特定的应用领域，而不适用于所有应用。	适用于需要专业数字信号处理能力的应用。
FPGA	具有灵活的硬件可编程能力，以及高度并行处理和硬件加速能力，设计非常灵活，支持定制逻辑。	学习曲线陡峭，开发难度较大，可能有限的资源且成本较高，需要深入的硬件知识，以及较为复杂的开发过程。	适用于需要高度可编程和并行处理的应用。
SBC	拥有完整的计算和通信能力，简单易用，易于开发，具有广泛的应用领域，易于集成，采用单板构建，减少连接的复杂性。	适用于复杂应用，成本可能较高，在非嵌入式系统需求时，效能可能有限，可能具有较大尺寸，功耗较高，以及具有较低的计算性能。	适用于需要集成计算和通信能力的应用，但不需要进行复杂的硬件设计。

 总结

选择合适的微处理器是嵌入式系统开发过程中的重要关键，可以依据应用需求、成本、生态系统等因素，来选择合适的微处理器。DigiKey提供了多种MPU、MCU、DSP、FPGA、SBC等解决方案供客户选择。

小编的话

选择合适的微处理器对于嵌入式系统开发具有至关重要的意义，它关系到系统的性能、功耗、成本、开发效率、稳定性与可靠性以及可扩展性与升级性等多个方面。如文章所提示的，工程师需要根据应用需求、成本、生态系统等因素，选择最合适的微处理器。您对嵌入式系统中的微处理有哪些独到的见解？在选用上有哪些特别的经验？