淺談單片機(jī)、ARM和DSP的異同——非常透徹 - 全文

　猶記得當(dāng)年讀書的時(shí)候，老師說單片機(jī)、ARM、DSP有互通之處，都是CPU，但聽老師講都聽不懂。

　　我該如何理解他們，并找出他們的異同呢？我們來看看行內(nèi)人的看法：

　　ICer，從事ARM CPU的SOC設(shè)計(jì)

　　按我的理解說幾句吧，希望能說薄一點(diǎn)。

　　首先，說CPU，中央處理器，本質(zhì)就是一個(gè)集成電路，實(shí)現(xiàn)的功能就是從一個(gè)地方（如rom）讀出一個(gè)指令，從一個(gè)地方（如ram）讀出數(shù)據(jù)，然后根據(jù)指令的不同對(duì)數(shù)據(jù)做不同的處理（如相加），然后把結(jié)果存回某個(gè)地方（如ram）。不同架構(gòu)的cpu會(huì)有不同的指令，不同的存取方式，不同的速度，不同的效率，等等的差異。

　　然后，說單片機(jī)（通常意義所說的微控制器MCU），ARM（通常意義所說的高效能RISC），DSP（通常意義所說的通用數(shù)字信號(hào)處理器），這三個(gè)CPU分別是針對(duì)不同的應(yīng)用而產(chǎn)生的CPU。當(dāng)然這也不是絕對(duì)的，因?yàn)锳RM現(xiàn)在出的CPU囊括了MCU（如M0），RISC（如A8），DSP（如M4）。

　　微控制器的目的主要是用作控制，他不需要多快的速度，如電飯鍋的控制器，只需要控制發(fā)熱元件的通斷，信號(hào)等的開關(guān)等，但是對(duì)成本要求很嚴(yán)格，所以一般做得比較簡(jiǎn)單，4位，8位的很多。

　　高效能的RISC，常用于一些數(shù)據(jù)處理比較多的地方，最常見的莫過于現(xiàn)在的消費(fèi)性電子產(chǎn)品了，手機(jī)，pad，MP4等等，目前ARM的商業(yè)模式主要是賣內(nèi)核，集成到各家的SOC中間。他其實(shí)就是個(gè)通用的CPU，能干各種各樣的活，和Intel的CPU一樣。但是通用就有效能問題，在某些特殊場(chǎng)合，效能就顯得沒那么高了，如大量運(yùn)算（譬如做FFT）的時(shí)候。這樣就有DSP的用武之地了。

　　DSP，數(shù)字信號(hào)處理器，只要是做數(shù)字信號(hào)處理的模塊都可以叫做一個(gè)DSP，如視頻解碼的IP核。但你老師所說的應(yīng)該是指通用的數(shù)字信號(hào)處理器，如Ti的TMS320C55x DSP。該CPU的長(zhǎng)處就是在于運(yùn)算，大量循環(huán)的計(jì)算，如連續(xù)1024個(gè)乘加。他的指令針對(duì)這種應(yīng)用有特殊的處理，相比RISC可以更快速高效地完成這類運(yùn)算。

　　總的來說，學(xué)習(xí)CPU，首先就是要了解其指令集，然后了解去指令執(zhí)行的方式，然后針對(duì)具體的芯片了解其外圍電路，程序都是用C寫的，基本使用就沒啥問題了。

　　入門教材就不知道了，學(xué)好微機(jī)原理先吧。

　　qccc

　　一種設(shè)備能稱之為CPU，是因?yàn)樗軌蛉谌氲接?jì)算機(jī)的馮諾依曼體系中。馮諾依曼的計(jì)算機(jī)模型規(guī)定了計(jì)算機(jī)“運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、外存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備”，而CPU的重要地位在于解決了運(yùn)算問題，計(jì)算機(jī)的CPU能夠訪問存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行運(yùn)算，從實(shí)現(xiàn)運(yùn)算這一點(diǎn)的角度上看，無論是單片機(jī)、ARM、DSP都可以稱之為CPU。

　　單片機(jī)集成完整的馮諾依曼體系所規(guī)定的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)體系。實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)算功能，應(yīng)用領(lǐng)域集中在工業(yè)自動(dòng)化控制等專門化需求的運(yùn)算領(lǐng)域。

　　ARM出品的芯片精髓在“R”，是RISC精簡(jiǎn)指令集的意思，和傳統(tǒng)大型機(jī)以及PC微處理器采用的指令系統(tǒng)相比，RISC指令集根據(jù)80%的時(shí)候只用到了20%的處理器指令的狀況，使用了經(jīng)過精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)，使得整個(gè)處理器的設(shè)計(jì)可以更加簡(jiǎn)潔，功耗、體積大大縮小，所以ARM在目前的手機(jī)、平板等職能移動(dòng)設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。隨著ARM處理能力的不斷增強(qiáng)，加上其功耗小的特點(diǎn)，也不斷在擴(kuò)展其企業(yè)級(jí)服務(wù)器集群應(yīng)用的可能性，為企業(yè)降低能耗成本。

　　DSP是數(shù)字信號(hào)處理器，相較于普通計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的特點(diǎn)，DSP只負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)（視頻、音頻或者其他傳感器獲得數(shù)字信號(hào)）處理。在日常生活中，常見的DVD、藍(lán)光播放機(jī)、數(shù)字電視機(jī)頂盒、MP3、MP4等都廣泛使用了DSP，由于設(shè)計(jì)的專門化，所以可以在較低的成本下，使DSP執(zhí)行異常復(fù)雜的編碼、解碼等信號(hào)處理工作，而無需使用價(jià)格昂貴的通用處理器。

　　所以從廣義上講，單片機(jī)、ARM和DSP都可以算做CPU，但是這種說法并不嚴(yán)格，因?yàn)槿缃馛PU往往指代的是兼容x86架構(gòu)的通用處理器，例如你電腦里的intel和amd出品的cpu。如果把單片機(jī)、ARM和DSP都稱作CPU，會(huì)在理解上產(chǎn)生偏差。

　　謝文洋，嵌入式愛好者

　　這些的確都能算CPU，前面大家已經(jīng)說過共同點(diǎn)了，我主要說說區(qū)別吧。主要區(qū)別在于用途不同造成了功能側(cè)重的區(qū)別。

　　比如單片機(jī)和低端ARM（如M3），更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法應(yīng)該稱作Microcontroller 或 MCU（Micro Control Unit），中文一般叫“微控制器”。而CPU叫做“中央處理器”。一個(gè)Control 和 Process 還是有很大區(qū)別的。 微控制器不需要一般也不具備強(qiáng)大的計(jì)算能力，重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和非邏輯控制。

　　而DSP的（Digital Signal Processor）， PROCESS表明它相比于通用單片機(jī)具有更為強(qiáng)大的處理，運(yùn)算能力。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的各種算法的處理。

　　舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。一個(gè)MP3可能由一塊普通MCU+一塊專用DSP 芯片組成。 其中普通MCU叫主控芯片，負(fù)責(zé)全局控制。諸如通過處理按鍵來響應(yīng)用戶的操作，控制屏幕輸出相關(guān)播放信息給用戶等等。而DSP只負(fù)責(zé)音頻文件的解碼?？梢姡值目刂乒ぷ?，邏輯比較繁瑣，比如顯示中各級(jí)菜單的實(shí)現(xiàn)，這是MCU適合的工作。而音頻解碼需要強(qiáng)大的運(yùn)算能力，普通MCU難以勝任，就需要DSP來進(jìn)行。

　　而ARM和單片機(jī)，我個(gè)人認(rèn)為沒有特別嚴(yán)格意義的界限，主要看功能和需求的劃分。ARM本身已經(jīng)給我們劃分的很好了：”ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：‘A’系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；‘R’系列針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；‘M’系列對(duì)微控制器。“ 所以諸如STM32之類的Cortex-M3芯片其實(shí)也可以理解做高端單片機(jī)的范疇。側(cè)重于控制，片內(nèi)集成，低功耗等指標(biāo)。相比傳統(tǒng)51，AVR。 Contrex-M系列的微控制器集成了更多的資源（如更高位的AD，更多的串口，以及I2C，SPI之類的外設(shè)總線）。而且32位相比傳統(tǒng)8位和16位的單片機(jī)也更有優(yōu)勢(shì)。

　　而消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的ARM顯然需要更為強(qiáng)大的運(yùn)算功能。 這一塊我不太熟悉，就不多說了。

　　額，發(fā)現(xiàn)樓主還問了如何學(xué)習(xí)。其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是實(shí)踐。買一塊開發(fā)板實(shí)際動(dòng)手做比什么都強(qiáng)，有機(jī)會(huì)參與一些項(xiàng)目更好，自學(xué)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)資源也非常豐富，不用擔(dān)心?？梢詮?位單片機(jī)學(xué)起，作為入門。雖然近些年大家都說51落伍了，但是作為單片機(jī)入門還是很好的，相對(duì)簡(jiǎn)單，網(wǎng)上資源到處都是。你去買任何一個(gè)模塊幾乎都會(huì)給你提供51的例程。。。我現(xiàn)在就經(jīng)常拿51測(cè)試模塊，測(cè)試好了再改一下代碼用到stm32上。

　　總之，只看書是沒有用的。還是要多動(dòng)手。寫寫代碼，燒燒程序，焊焊簡(jiǎn)單的電路。你會(huì)收獲很多。

　　anning865

　　我也來說一下自己的理解。

　　首先，“嵌入式”這是個(gè)概念，準(zhǔn)確的定義沒有，各個(gè)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(jī)這種通用系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)是個(gè)專用系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，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(tǒng)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(tǒng)的范疇，是為了實(shí)現(xiàn)某一目的而使用的工具。

　　MCU經(jīng)過這么多年的發(fā)展，早已不單單只有普林斯頓結(jié)構(gòu)的51了，性能也已得到了很大的提升。因?yàn)镸CU必須順序執(zhí)行程序，所以適于做控制，較多地應(yīng)用于工業(yè)。而ARM本是一家專門設(shè)計(jì)MCU的公司，由于技術(shù)先進(jìn)加上策略得當(dāng)，這兩年獨(dú)霸單片機(jī)市場(chǎng)。ARM的單片機(jī)有很多種類，從低端M0（小家電）到高端A8、A9（手機(jī)、平板電腦）都很吃香，所以也不是ARM的單片機(jī)一定要上系統(tǒng)，關(guān)鍵看應(yīng)用場(chǎng)合。

　　DSP叫做數(shù)字信號(hào)處理器，它的結(jié)構(gòu)與MCU不同，加快了運(yùn)算速度，突出了運(yùn)算能力。可以把它看成一個(gè)超級(jí)快的MCU。低端的DSP，如C2000系列，主要是用在電機(jī)控制上，不過TI公司好像稱其為DSC（數(shù)字信號(hào)控制器）一個(gè)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(shè)備這些需要大量運(yùn)算的地方。

　　FPGA叫做現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)。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(nèi)部結(jié)構(gòu)都是設(shè)計(jì)好的，所以只能通過軟件編程來進(jìn)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(huì)同時(shí)存在呢？那是因?yàn)镸CU、DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是由IC設(shè)計(jì)人員精心設(shè)計(jì)的，在完成相同功能時(shí)功耗和價(jià)錢都比FPGA要低的多。而且FPGA的開發(fā)本身就比較復(fù)雜，完成相同功能耗費(fèi)的人力財(cái)力也要多。所以三者之間各有各的長(zhǎng)處，各有各的用武之地。但是目前三者之間已經(jīng)有融合的態(tài)勢(shì)，ARM的M4系列里多加了一個(gè)精簡(jiǎn)的DSP核，TI的達(dá)芬奇系列本身就是ARM+DSP結(jié)構(gòu)，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(guān)系是越來越像三基色的三個(gè)圓了。

　　一句話以蔽之“你中有我，我中有你”。