ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的比較

ARM處理器是Acorn計(jì)算機(jī)有限公司面向低預(yù)算市場設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器。更早稱作Acorn RISC Machine。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集，一般來講比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá)35%，卻能保留32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。

ARM歷史發(fā)展：

1978年12月5日，物理學(xué)家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師Chris Curry，在英國劍橋創(chuàng)辦了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要業(yè)務(wù)是為當(dāng)?shù)厥袌龉?yīng)電子設(shè)備。1979年，CPU公司改名為Acorn計(jì)算機(jī)公司。

起初，Acorn公司打算使用摩托羅拉公司的16位芯片，但是發(fā)現(xiàn)這種芯片太慢也太貴。"一臺(tái)售價(jià)500英鎊的機(jī)器，不可能使用價(jià)格100英鎊的CPU！"他們轉(zhuǎn)而向Intel公司索要80286芯片的設(shè)計(jì)資料，但是遭到拒絕，于是被迫自行研發(fā)。

1985年，Roger Wilson和Steve Furber設(shè)計(jì)了他們自己的第一代32位、6M Hz的處理器，Roger Wilson和Steve Furber用它做出了一臺(tái)RISC指令集的計(jì)算機(jī)，簡稱ARM（Acorn RISC Machine）。這就是ARM這個(gè)名字的由來。

RISC的全稱是"精簡指令集計(jì)算機(jī)"（reduced instruction set computer），它支持的指令比較簡單，所以功耗小、價(jià)格便宜，特別合適移動(dòng)設(shè)備。早期使用ARM芯片的典型設(shè)備，就是蘋果公司的牛頓PDA。

20世紀(jì)80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺(tái)式機(jī)產(chǎn)品，形成英國的計(jì)算機(jī)教育基礎(chǔ)。

1990年11月27日，Acorn公司正式改組為ARM計(jì)算機(jī)公司。蘋果公司出資150萬英鎊，芯片廠商VLSI出資25萬英鎊，Acorn本身則以150萬英鎊的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和12名工程師入股。公司的辦公地點(diǎn)非常簡陋，就是一個(gè)谷倉。20世紀(jì)90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)處理器擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ARM公司既不生產(chǎn)芯片也不銷售芯片，它只出售芯片技術(shù)授權(quán)。

MCU

MCU本質(zhì)為一片單片機(jī)，指將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成的芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)。

MCU做得好的廠商 ：瑞薩(Renesas)、恩智浦(NXP)、新唐、微芯(Microchip)、意法半導(dǎo)體(ST)、愛特梅爾(Atmel)、英飛凌(Infineon)、德州儀器(TI)、東芝(Toshiba)、三星(Samsung)、賽普拉斯(Cypress)、亞德諾半導(dǎo)體(ADI)、高通(Qualcomm)、富士通(Fujitsu)、超威半導(dǎo)體(AMD)、盛群/合泰半導(dǎo)體(Holtek)、中穎電子、炬力、華潤微、沛城、義隆、宏晶、松翰、凌陽、華邦電子、愛思科微、十速科技、佑華微、應(yīng)廣、歐比特、貝嶺、東軟載波微、君正、中微、兆易、晟矽微、芯海、聯(lián)華、希格瑪、匯春、建榮科技、華芯微、神州龍芯、紫光微、時(shí)代民芯、國芯科技、中天微等等。

DSP

DSP(Digital SignalProcessing)，數(shù)字信號(hào)處理，簡稱DSP。DSP是用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工的理論和技術(shù)。另外DSP也是Digital Signal Processor的簡稱，即數(shù)字信號(hào)處理器，它是集成專用計(jì)算機(jī)的一種芯片，只有一枚硬幣那么大。

FPGA

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

FPGA做得好的廠商 ：Altera((阿爾特拉)被Intel收購)、Xilinx(賽靈思)、Actel、Lattice(萊迪思)、Atmel、京微雅格、QuickLogic、Microsemi、Cypress、TI、上海復(fù)旦微、廣東高云、同方國芯、西安智多晶、中國電子、成都華微、深圳國微、遨格芯等等。

SOC

SoC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準(zhǔn)確定義。一般說來， SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片，也有稱片上系統(tǒng),意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。

ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的比較

1、采用架構(gòu)

• ARM ：架構(gòu)采用32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，從ARM9開始ARM都采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)，這是一種將指令與數(shù)據(jù)分開存放在各自獨(dú)立的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使處理器的處理能力得到較大的提高。ARM多采用流水線技術(shù)，此技術(shù)通過多個(gè)功率部件并行工作來縮短程序執(zhí)行時(shí)間，使指令能在多條流水線上流動(dòng)，從而提高處理器的效率和吞吐率?，F(xiàn)今ARM7采用了典型的三級(jí)流水線，ARM9采用五級(jí)流水線技術(shù)，而ARM11使用了7級(jí)流水線，ARM Cortex-A9更是使用了可變流水線結(jié)構(gòu)（支持8-11級(jí)流水線）。在多核心的支持上ARM Cortex-A9最多可支持4個(gè)核心，這是ARM系列處理器中首次支持多核心技術(shù)。下圖表示了ARM Cortex-A9的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

• MCU ：大都在結(jié)構(gòu)上是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器）、一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，還有用來與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/輸出端口——所有這些都被集成在單個(gè)集成電路芯片上。指令集上早期的MCU是采用CISC的，后面被RISC取代。在總線位數(shù)上，MCU覆蓋了4位、8位、16位、32位，應(yīng)用十分廣泛。
• DSP ：又名數(shù)字信號(hào)處理器，它是一種專用于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理的微處理器。結(jié)構(gòu)上它采用哈佛結(jié)構(gòu)，同樣采用流水線技術(shù)。此外，DSP被用于宿主環(huán)境時(shí)可作為直接內(nèi)存存取設(shè)備運(yùn)作，還支持從模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）獲得數(shù)據(jù)，最終輸出的是由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)，支持一定的并行處理。

• FPGA : FPGA是英文Field Programmable Gate Array（現(xiàn)場可編程門陣列）的縮寫，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。FPGA有別于DSP、ARM、MCU的地方主要在于它的并行處理能力，它的強(qiáng)大并行性使復(fù)雜的運(yùn)算得到極大的速度比提升。
• SOC :系統(tǒng)芯片是一個(gè)將計(jì)算機(jī)或其他電子系統(tǒng)集成單一芯片的集成電路。系統(tǒng)芯片可以處理數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、混合信號(hào)甚至更高頻率的信號(hào)。系統(tǒng)芯片常常應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。系統(tǒng)芯片的集成規(guī)模很大，一般達(dá)到幾百萬門到幾千萬門。SOC相對(duì)比較靈活，它可以將ARM架構(gòu)的處理器與一些專用的外圍芯片集成到一起，組成一個(gè)系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)有的ARM處理器如Hisi-3507、hisi3516等處理器都是一個(gè)SOC系統(tǒng)，尤其是應(yīng)用處理器它集成了許多外圍的器件，為執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)、更復(fù)雜的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。

2、功耗

• ARM : 可以說ARM之所以在移動(dòng)市場上得到極大的成功，其中最主要的原因便是它的低功耗。眾所周知的是在移動(dòng)市場上的電子產(chǎn)品對(duì)處理器的功耗是十分敏感的，在過去PC平臺(tái)上處理器的功耗在幾十W到上百W不等，這樣的功耗放在移動(dòng)平臺(tái)上是不可想像的，ARM在主頻1G的情況下功耗才幾百mW,強(qiáng)勁的低功耗使它能適應(yīng)移動(dòng)電子產(chǎn)品。
• DSP ：在與非網(wǎng)的一組數(shù)據(jù)上顯示，在數(shù)字信號(hào)處理方面的市場占有率DSP與FPGA各得半壁江山。DSP相對(duì)于FPGA的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它的功耗相對(duì)較低，DSP生產(chǎn)廠商通過提高處理器的主頻、努力降低功耗來保證它的市場占有率，因?yàn)樵诟咝阅艿臄?shù)字處理市場上FPGA似乎更占有優(yōu)勢(shì)。如果單純從DSP領(lǐng)域上來看，DSP在功耗上、性能上做得最好的要數(shù)TI公司，TI公司的DSP處理器相對(duì)其它的DSP廠商生產(chǎn)的處理器成本更低、功耗更低，所以TI的DSP芯片更在競爭力。
• MCU ：MCU面世時(shí)間最長，各種廠商都有它們自己的架構(gòu)與指令集，如果從低功耗方面來看，TI的MSP430型MCU做得相對(duì)較好。
• FPGA ：FPGA由于它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因造成它的功耗相對(duì)較高、芯片發(fā)熱量大，這也是它的一個(gè)缺點(diǎn)。但這也是不可避免的，在支持高性能的并發(fā)計(jì)算數(shù)字電路，且內(nèi)部的邏輯門大都采用標(biāo)準(zhǔn)的寬長比，最終生成的數(shù)字電路必然會(huì)在功耗上無法與ASIC等專用處理器比較。
• SOC ：由于SOC自身的靈活性，它將多個(gè)器件集成到一個(gè)極小的芯片上從而組成一個(gè)系統(tǒng)，SOC系統(tǒng)相對(duì)于MCU等處理器組成的系統(tǒng)來說，它在功耗上具有優(yōu)勢(shì)。并且，SOC芯片可在版圖層面上結(jié)合工藝、電路設(shè)計(jì)等因素對(duì)系統(tǒng)的功耗進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，這樣比由現(xiàn)今外圍的PCB版搭建出來的系統(tǒng)功耗更低，占用面積更小。

3、速度

• ARM隨著市場應(yīng)用的需求提高，ARM廠商紛紛通過優(yōu)化來提高它的主頻，提升它的性能。從開始的100Mhz到驚人的2.3Ghz，ARM主頻以驚人的速度向前發(fā)展。
• DSP現(xiàn)今最快的主頻能達(dá)到1.2Ghz。當(dāng)然不能單純從主頻判斷它的性能會(huì)比ARM差，DSP具有單時(shí)鐘周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法的能力，一般的ARM不具備這樣的能力，DSP在計(jì)算領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)尤其明顯，所以TI結(jié)合了ARM和DSP兩者的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)出達(dá)芬奇異構(gòu)芯片，當(dāng)然這是屬于SOC的范疇了。
• MCU作為低端的應(yīng)用處理器，它的主頻從數(shù)M到幾十Mhz不等。
• FPGA主頻時(shí)鐘最高可達(dá)幾Ghz甚至上10Ghz，當(dāng)然它的成本也不菲。如果將FPGA與ARM、DSP等作為比較，從主頻上進(jìn)行比較是沒有多大意義的，畢竟并行計(jì)算的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般通用的處理器采用的串行計(jì)算幾十倍。如同樣的一個(gè)濾波算法在主頻為100Mhz的FPGA上實(shí)現(xiàn)要比在主頻為1Ghz的ARM上實(shí)現(xiàn)仍要快。

4、應(yīng)用與市場

• ARM處理器現(xiàn)在主要是三個(gè)系列分別為A系列、R系列、M系列，其中A系列主攻消費(fèi)電子應(yīng)用，應(yīng)用十分廣泛。

計(jì)算：上網(wǎng)本、智能本、輸入板、電子書閱讀器、瘦客戶端

手機(jī)：智能手機(jī)、特色手機(jī)

數(shù)字家電：機(jī)頂盒、數(shù)字電視、藍(lán)光播放器、游戲控制臺(tái)

汽車：信息娛樂、導(dǎo)航

企業(yè)：激光打印機(jī)、路由器、無線基站、VOIP 電話和設(shè)備

無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：Web 2.0、無線基站、交換機(jī)、服務(wù)器

R系列處理器主要針對(duì)一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，如航空航天、汽車電子等場合，它具備高可靠性、高可用性、高容錯(cuò)能力、實(shí)時(shí)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

M系列處理器主要針對(duì)較低端的應(yīng)用，它的最初目標(biāo)是替換現(xiàn)有的市面上的MCU。

ARM Cortex-M0

ARM Cortex-M0+

ARM Cortex-M3

ARM Cortex-M4

“8/16 位”應(yīng)用

“8/16 位”應(yīng)用

“16/32 位”應(yīng)用

“32 位/DSC”應(yīng)用

低成本和簡單性

低成本，最佳能效

高性能，通用

有效的數(shù)字信號(hào)控制

• DSP主要針對(duì)一些計(jì)算能力要求較高的應(yīng)用，如視頻圖像處理、智能機(jī)器人、數(shù)字無線、寬帶訪問、數(shù)字音頻、高分辨率成像和數(shù)字電機(jī)控制等。
• MCU應(yīng)用最為廣泛，主要利益于它的成本控制上，使它能在許多對(duì)計(jì)算能力要求不那么高的應(yīng)用立足。相信在未來幾年里，MCU市場關(guān)鍵增長驅(qū)動(dòng)力將來自于綠色能源，智能電子設(shè)備，智能電網(wǎng)以及電子產(chǎn)品的升級(jí)換代比如汽車電子。
• SOC應(yīng)用也十分廣泛，主要是因?yàn)楝F(xiàn)有主流ARM芯片采用的架構(gòu)便是SOC架構(gòu)的一種，SOC是一個(gè)比較廣泛的概念，現(xiàn)階段許多ARM、DSP都開始采用SOC的方式來將多個(gè)器件加到處理器上組成復(fù)雜的系統(tǒng)。

5、開發(fā)成本

• ARM主要是搭載LINUX、ANDROID、WINCE等操作系統(tǒng)，在開發(fā)難度上看，相對(duì)MCU、DSP較難入門，它需要開發(fā)人員對(duì)操作系統(tǒng)有較深的了解；從成本來看，ARM的單芯片成本較MCU要高，主要還是應(yīng)用于一些較為復(fù)雜的系統(tǒng)上。
• MCU入門最容易，上手也快，開發(fā)難度較小，并且它的成本低，在低端市場應(yīng)用最為廣泛。
• DSP入門較容易，但單芯片成本較高，主要還是應(yīng)用于對(duì)計(jì)算能力要求高的應(yīng)用。當(dāng)然DSP也可以搭載操作系統(tǒng)，搭載操作系統(tǒng)后可適用于多任務(wù)的應(yīng)用上。
• FPGA的開發(fā)難度較大并且開發(fā)周期也相對(duì)較長，此外它的單芯片成本很高。

例子：SOBEL算子（水平邊沿）

正常來說要進(jìn)行一次這樣的算子需要9次乘法8次加法，這樣的計(jì)算在FPGA、DSP上顯得十分輕松，但對(duì)于ARM、MCU來說，它們的并行能力不強(qiáng)，當(dāng)要處理的圖像較大時(shí)，如1280P時(shí)，它們便會(huì)顯得比較吃力了。

然而，這樣的算子是十分容易對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的。如1與-1這兩個(gè)位置的像素點(diǎn)可以直接進(jìn)行一次加法完成，同理最后一行也是如此，中間一行的2與-2對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)也可進(jìn)行一次加法后再進(jìn)行一次移位操作便完成這樣的一次算子運(yùn)算。計(jì)算從原來的9次乘法8次加法轉(zhuǎn)換成三次加法與一次移位（移位操作在大多處理器上都可以在單個(gè)周期時(shí)鐘內(nèi)完成）。