MCU、DSP、FPGA各自雄霸一方 并都呈現(xiàn)出高速的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)

MCU憑借其強(qiáng)大的控制功能，廣泛地用于消費(fèi)類電子、通信、汽車電子、工業(yè)等領(lǐng)域。有資料顯示，MCU產(chǎn)品需求量每年不斷增長(zhǎng)，2008年全球MCU市場(chǎng)將增長(zhǎng)到160億美元。DSP則以其卓越的數(shù)據(jù)處理能力以及優(yōu)秀的數(shù)據(jù)算法，成為數(shù)字信息時(shí)代的核心引擎。來自市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，2006年全球DSP市場(chǎng)將增長(zhǎng)9%，達(dá)到85億美元，2007年將以18%的速度增長(zhǎng)，2008年則達(dá)27%。

而FPGA更是以其極大的靈活性、豐富的接口和優(yōu)越的性能著稱，利用FPGA可以實(shí)現(xiàn)任何數(shù)字器件的功能。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Gartner Dataquest預(yù)測(cè)，2010年FPGA和其他可編程邏輯器件（PLD）市場(chǎng)將從2005年的32億美元增長(zhǎng)到67億美元。

MCU、DSP、FPGA各自雄霸一方，并都呈現(xiàn)出高速的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。但各種消費(fèi)類產(chǎn)品特別是便攜式產(chǎn)品的功能逐漸由單一走向多元化，傳統(tǒng)的單一半導(dǎo)體解決方案已經(jīng)不能適應(yīng)多媒體產(chǎn)品的需求，MCU、DSP、FPGA的發(fā)展受到了前所未有的挑戰(zhàn)，呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展勢(shì)頭。

趨勢(shì)一：DSP、MCU走向融合

DSP一般采用哈佛架構(gòu)，超長(zhǎng)指令字架構(gòu)等，數(shù)據(jù)存取和指令分開，內(nèi)部運(yùn)算單元多，有專門的硬件乘加結(jié)構(gòu)，因此運(yùn)算速度極高。其內(nèi)部存儲(chǔ)器（RAM和ROM）很大，并且可以擴(kuò)展，外部接口豐富，配合流水線操作，特別適合進(jìn)行大量數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。而MCU數(shù)據(jù)存取和指令沒有分開，運(yùn)算速度較低，運(yùn)算單元較少，且內(nèi)部存儲(chǔ)器不大。但MCU接口相當(dāng)靈活，并集成了FLASH 、ADC、 DAC 、OSC 、SRAM 、PWM、 溫度傳感器、看門狗、總線、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、I/O、串行口等功能單元，因此非常適合于各種控制應(yīng)用。

然而，隨著系統(tǒng)需求的增加，在某些應(yīng)用中，既要求系統(tǒng)具有良好的控制功能，又需要有高速的數(shù)據(jù)處理能力，因此，融合了DSP和MCU各自優(yōu)點(diǎn)的混合處理架構(gòu)無(wú)疑是一種良好的解決方案。DSP和MCU在實(shí)際應(yīng)用有一個(gè)共通的地方，即，它們都是面向嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，或者是基于需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，或者是需要實(shí)施許多控制功能的即時(shí)系統(tǒng)。這種實(shí)時(shí)性和多功能也為DSP與MCU的融合提供了很好的基礎(chǔ)。因此，DSP/MCU融合的架構(gòu)逐漸受到半導(dǎo)體廠商的青睞，TI、ADI、Microchip等紛紛推出了相關(guān)解決方案，力圖在這一市場(chǎng)中搶占先機(jī)。

TI作 為全球DSP的領(lǐng)導(dǎo)廠商，推出了針對(duì)2.5G、3G無(wú)線應(yīng)用的雙核處理開架構(gòu)OMAP平臺(tái)，它集成了適合于加速應(yīng)用的超低功耗DSP與適于控制的ARM925以及高級(jí)操作系統(tǒng)（OS）功能。OMAP平臺(tái)的主處理器為OMAP1510，其雙核結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于，由兩個(gè)獨(dú)立的器件來完 成應(yīng)用處理任務(wù)。即，使用ARM925來處理控制代碼，如用戶界面、OS和高級(jí)應(yīng)用，而DSP則用來實(shí)現(xiàn)多媒體、語(yǔ)音、安全性或其他功能，這兩個(gè)內(nèi)核之間采用專用的處理器內(nèi)部通信機(jī)制相連接。 OMAP 平臺(tái)為在便攜式設(shè)備中 開發(fā)語(yǔ)音應(yīng)用提供了解決方案。在用于便攜式設(shè)備時(shí)，這種 DSP 和 MCU 結(jié)合的架構(gòu)可以提供優(yōu)異的性能和功耗優(yōu)勢(shì)。憑借優(yōu)化的底層軟件，DSP 能以低功耗方式執(zhí)行信號(hào)處理任務(wù)，從而延長(zhǎng)電池使用壽命，并可實(shí)現(xiàn)更小的產(chǎn)品體積，大大提高了產(chǎn)品應(yīng)用性能。

TI（上海）有限公司DSP業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理鄭小龍指出，DSP具有實(shí)時(shí)高速運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)，其核心處理單元中具有適合于數(shù)字乘加處理的特殊結(jié)構(gòu)，而“修正式哈佛結(jié)構(gòu)”又提高了內(nèi)存管理效率，而且還支持許多高速外圍接口。MCU具有靈活高效控制的特色，特別是沿用“馮-紐曼結(jié)構(gòu)”的16位機(jī)，全部存儲(chǔ)器和外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間，處理能力可以遠(yuǎn)超出智能化傳感系統(tǒng)要求。TI的OMPA平臺(tái)正是結(jié)合了二者的優(yōu)勢(shì)，目前，TI 已經(jīng)與多家正在開發(fā) ASR、TTS、DSR 和語(yǔ)者驗(yàn)證等在內(nèi)的語(yǔ)音技術(shù)的主要第三方開發(fā)商展開合作，并且已經(jīng)有多家公司采用了TI 的OMPA平臺(tái)解決方案。

與TI不同的是，ADI推出的DSP/MCU混合解決方案——嵌入式處理器Blackfin系列，采用單核結(jié)構(gòu)。Blackfin處理器基于ADI和Intel聯(lián)合開發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)（MSA），將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加（MAC）信號(hào)處理功能，與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。Blackfin處理器包含一個(gè)10 級(jí) RISC MCU/DSP 流水線和一個(gè)專為實(shí)現(xiàn)最佳代碼密度而設(shè)計(jì)的混合 16/32 位指令集架構(gòu)。這種處理特征的組合使Blackfin 處理器能在信號(hào)處理和控制處理應(yīng)用中均能發(fā)揮出色作用。在許多場(chǎng)合中，它還免除了增設(shè)單獨(dú)的MCU的需要，簡(jiǎn)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度。對(duì)于一些需要同時(shí)采用高性能信號(hào)處理器和高效控制處理器的應(yīng)用中，采用一個(gè)Blackfin 處理器就可以滿足系統(tǒng)要求，縮減了開發(fā)時(shí)間并降低了成本。

Blackfin 處理器架構(gòu)還具備RISC控制處理器的一些特點(diǎn)，包括功能強(qiáng)大且靈活的分層存儲(chǔ)器架構(gòu)、良好的代碼密度以及各種的微控制器型外設(shè)（包括10/100以太網(wǎng) MAC、UARTS、SPI、CAN 控制器、支持 PWM 的定時(shí)器、看門 狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一個(gè)無(wú)縫同步和異步存儲(chǔ)器控制器）。這些特性為設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)計(jì)靈活性，并最大限度地降低了終端系統(tǒng)成本。目前，Blackfin處理器已經(jīng)廣泛的用于嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用等領(lǐng)域（圖1）。

圖1 8F62系列在便攜式媒體播放器中的應(yīng)用（略）

而一向在MCU領(lǐng)域見長(zhǎng)的Microchip公司，推出了其16位dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器 （DSC），并首次提出了DSC概念，即將高性能16位微控制器的控制優(yōu)勢(shì)與DSP的高速計(jì)算相結(jié)合，形成適合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的緊密結(jié)合的單芯片單指令流解決方案。

dsPIC DSC架構(gòu)支持84條指令和10種尋址模式。dsPIC指令集由用于嵌入式應(yīng)用的各種靈活的MCU指令和從單指令流執(zhí)行的DSP操作專用指令集組成，兩種指令可以共享很多CPU資源。dsPIC DSC內(nèi)核支持MCU和DSP功能需要的各種位操作。位操作在MCU中很常見，但在DSP中的應(yīng)用卻很少見。而dsPIC DSC增加了強(qiáng)大的位操作功能，如位測(cè)試、位設(shè)置和位移動(dòng)指令以及能識(shí)別出數(shù)據(jù)字中第一個(gè)有效位的位尋找操作。

Microchip數(shù)字信號(hào)控制器部門產(chǎn)品推廣工程師Steve Marsh先生指出，dsPIC系列產(chǎn)品具備一些非數(shù)字信號(hào)處理器的特性（如桶式移位器或更多的隨機(jī)存取內(nèi)存空間），而這正是工程師們所想要的，所以在非數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用方面，工程師更傾向于選擇數(shù)字信號(hào)控制器而不是單片機(jī)。dsPIC系列產(chǎn)品目前已經(jīng)用于AC/DC轉(zhuǎn)換器、隔離式DC/DC電源轉(zhuǎn)換器以及其他電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，如嵌入式電源控制器、逆變電源和不間斷電源（UPS）等領(lǐng)域。

MIPS 科技也推出了內(nèi)置 DSP 擴(kuò)展的高性能、低功耗內(nèi)核系列——MIPS3224KE，它集成了高效DSP能力，同時(shí)能夠顯著減少整體 SoC面積、成本及功耗，并可改善信號(hào)處理性能。MIPS產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Pete Del Vecchio表示，DSP/MCU混合處理架構(gòu)性能等于或高于低端DSP內(nèi)核的性能。利用單芯片或單內(nèi)核可以獲得明顯的成本優(yōu)勢(shì)，還可以大大加快產(chǎn)品上市時(shí)間 。

兼具DSP與MCU功能的平臺(tái)最早應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制，之后拓展到語(yǔ)音處理、傳感器處理等應(yīng)用，并用來代替帶有數(shù)字濾波器的合成模擬濾波器。如今，這一平臺(tái)越來越廣泛的應(yīng)用到計(jì)算機(jī)、電話線或以太網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域。此外，在醫(yī)療、電器、空調(diào)、不間斷電源、切換式電源、半導(dǎo)體照明和其他方面都隨處可見它們的身影（圖2）。

圖2 DSP和MCU融合的應(yīng)用領(lǐng)域（略）

一 方面，融合架構(gòu)在許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，而另一方面，融合平臺(tái)也面臨著許多問題亟待解決：（1）功耗，融合了DSP和MCU的平臺(tái)在擁有更高的性能的同時(shí)，也比傳統(tǒng)的單一DSP或MCU有更高的功耗。對(duì)于功耗非常敏感的便攜式設(shè)備來說，如何進(jìn)一步降低功耗，是其面臨的首要問題。（2）應(yīng)用環(huán)境開發(fā)，為用戶提供簡(jiǎn)便易用的開發(fā)、調(diào)試環(huán)境。鄭小龍指出，在硬件方面，表貼QFP和球面BGA封裝開始廣泛應(yīng)用，電路仿真調(diào)試手段逐步過渡到邊界掃描接口（JTAG）技術(shù)。而在軟件方面，隨著軟件規(guī)模不斷擴(kuò)大，采用嵌入式操作系統(tǒng)來管理軟、硬件資源勢(shì)在必行，傳統(tǒng)的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的模式也在引入，特別是面向?qū)ο笏枷氲?a href="http://wenjunhu.com/tags/C++/" target="_blank">C++和Java語(yǔ)言更是對(duì)傳統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境帶來了很大的改變。因此，為 用戶提供一個(gè)易于使用的編譯、產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境變得非常重要。（3）成本及設(shè)計(jì)復(fù)雜性。嵌入式系統(tǒng)日益復(fù)雜化，因此盡可能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性價(jià)比，變得越來越重要。

趨勢(shì)二：發(fā)展高性能MCU

雖然，DSP與MCU 融合的平臺(tái)已經(jīng)顯示出種種優(yōu)勢(shì)以及廣闊的市場(chǎng)前景，但Silicon Labs微控制器產(chǎn)品亞太營(yíng)銷經(jīng)理暨產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Len Staller卻給出了自己觀點(diǎn)。他認(rèn)為，對(duì)于需要強(qiáng)大效能和控制功能的應(yīng)用來說，DSP/MCU集成器件并非最佳解決方案。他指出，DSP/MCU集成器件不僅會(huì)替制造商帶來新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，還需要發(fā)展和測(cè)試新程序。真正理想的解決方案應(yīng)該是高效能微控制器。

Len Staller認(rèn)為，要滿足市場(chǎng)對(duì)高效能和控制功能的需求，最好的方法就是開發(fā)效能強(qiáng)大的微控制器。這是因?yàn)楦咝芪⒖刂破鞑粌H針對(duì)控制功能最佳化，還擁有設(shè)計(jì)人員期望于DSP/MCU混合器件的強(qiáng)大效能，以及微控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因此是超越DSP/MCU混合器件的更佳解決方案。

Silicon Labs推出的C8051F36x小型微控制器系列，為設(shè)計(jì)人員提供了一套高效能、易于使用和高度集成的解決方案，它支持傳統(tǒng)上必須使用高成本16位微控制器和DSP的應(yīng)用，包括需要精準(zhǔn)移動(dòng)控制和信號(hào)處理的消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用，例如工廠自動(dòng)化、馬達(dá)控制、觸控面板、衛(wèi)星接收機(jī)通訊和顯示器。

C8051F360時(shí)鐘速度達(dá)100MHz ，包含1組雙周期16 x 16乘加器 （MAC） 、1個(gè)精準(zhǔn)度2%的內(nèi)部振蕩器和32kB可在線燒錄閃存，并擁有可配置I/O引腳和各種 通訊外設(shè)，包括無(wú)石英晶體的UART、SPI和SMBus。這款微控制器易于使用，其高集成度可以減少外部元器件數(shù)目，同時(shí)簡(jiǎn)化及加快設(shè)計(jì)程序。

趨勢(shì)三：FPGA替代部分DSP和MCU功能

FPGA自從問世以來，就以強(qiáng)大的靈活性著稱。FPGA最大的特點(diǎn)就是可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不變的情況下用不同硬件電路實(shí)現(xiàn)各異的功能，并且，隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的功耗不斷降低，速度逐漸提高，同時(shí)成本也越來越低。因此，在某些領(lǐng)域，或者代替DSP，或作為DSP的協(xié)處理器，為許多需要DSP功能的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合提供了快速、低成本的解決方案。

雖然FPGA相較DSP同樣具有可編程的特點(diǎn)，但FPGA更適合高性能運(yùn)算密集型應(yīng)用。FPGA可以以更大的并行度實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所需功能，在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合FPGA可以代替DSP的功能，例如，進(jìn)行視頻編碼的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，為了搜索到最好的運(yùn)動(dòng)矢量，編碼出最好的視頻質(zhì)量，需要大量的運(yùn)算單元進(jìn)行搜索，由于DSP不具備大量的并行處理能力，如果采用DSP將無(wú)法很好的完成 這些工作。而采用FPGA，則利用其硬件邏輯的可并行工作性，給視頻質(zhì)量帶來更高的保障。目前，F(xiàn)PGA已經(jīng)在很多場(chǎng)合替代DSP。

總線接口

FPGA支持眾多接口標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于總線橋接應(yīng)用非常理想。無(wú)論是連接Serial RapidIO、VLYNQ和PCI Express等串行接口，還是PCI和PCI-X等并行接口，F(xiàn)PGA都可以滿足接口和橋接需要。

存儲(chǔ)器接口

FPGA可以用來橋接采用DDR和DDR2等不同標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)器。

整合系統(tǒng)邏輯

降低系統(tǒng)成本通常是延長(zhǎng)產(chǎn)品市場(chǎng)壽命的重要因素。將系統(tǒng)膠合邏輯整合到FPGA中可以減少材料清單數(shù)量、縮小尺寸并節(jié)約成本。

？實(shí)施新外設(shè)

盡管DSP處理器已經(jīng)可以在器件中提供了適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)組合，但在設(shè)計(jì)中還是經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)定制外設(shè)，因此，與DSP處理器相配合的FPGA可以提供實(shí)現(xiàn)新外設(shè)以及外設(shè)升級(jí)所需要的靈活性。

此外，隨著可編程芯片系統(tǒng)SOPC（System On a Programmable Chip）的出現(xiàn)，相當(dāng)多的FPGA里面都集成了DSP或者CPU，目前Xilinx和Altera的FPGA都可以完成這樣的工作，它們不但可以集成自己的軟核，而且可以集成目前流行的PowerPC、ARM等硬核。這樣，F(xiàn)PGA就可以完全實(shí)現(xiàn)DSP和MCU的功能。而且FPGA在內(nèi)置的嵌入式處理器中還可以添加一些自定義指令，從而可以快速完成一些特定算法，并且可以根據(jù)需要定義芯片管腳。

Xilinx非常著名的XtremeDSP技術(shù)就是在FPGA中引入了DSP模塊。XtremeDSP技術(shù)是針對(duì)航天和軍用產(chǎn)品、數(shù)字通信、多媒體、視頻和成像行業(yè)的高性能定制 DSP 解決方案。XtremeDSP 平臺(tái)產(chǎn)品包含 2 大系列 - Virtex DSP 和 Spartan DSP， 提供各種價(jià)格、性能、功效、帶寬和 I/O 選項(xiàng)，可以滿足通信、MVI（多媒體、視頻和成像）和軍用產(chǎn)品行業(yè)中各種應(yīng)用的要求 。

Xilinx中國(guó)區(qū)運(yùn)營(yíng)總經(jīng)理和亞太區(qū)處理解決方案部總監(jiān)吳曉東指出，F(xiàn)PGA和DSP處理器相結(jié)合非常適于處理高度復(fù)雜的信號(hào)處理算法。傳統(tǒng)DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）和GPP（通用處理器）性能可達(dá)5 GMACS左右，而賽靈思 DSP優(yōu)化的FPGA可以彌補(bǔ)算法要求和性能之間的差距，Spartan DSP性能高達(dá)30 GMACS，Virtex 5 DSP的性能則超過350 GMACS。

同樣以提供高性能FPGA產(chǎn)品著稱的另一廠商市場(chǎng)Altera，推出了Nios嵌入式處理器。

可 配置的Nios CPU（16位或32位數(shù)據(jù)寬度）基于Nios處理器系統(tǒng)的核心，它可以被配置成各種廣泛的應(yīng)用。例如，一個(gè)16位數(shù)據(jù)位寬度的Nios CPU，配合一個(gè)很小的片內(nèi)ROM（芯片內(nèi)的存儲(chǔ)器塊可以被配置成ROM）而實(shí)現(xiàn)的序列發(fā)生器或控制器，可以替代一個(gè)硬核的狀態(tài)機(jī)。而采用一個(gè)32位數(shù)據(jù)寬度的Nios CPU配合流外設(shè)、硬件加速單元，還有定制指令，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)大的32位的嵌入式處理器系統(tǒng)。

展望

技術(shù)的飛速發(fā)展，促使各種新的解決方案層出不窮，為我們提供了越來越多的選擇性，但是，無(wú)論哪種解決方案，高性能、低成本都是廠商始終追求的目標(biāo)，而確保這些方案都能很好的滿足市場(chǎng)需求也變得相當(dāng)關(guān)鍵。MCU 、DSP、FPGA的單打獨(dú)斗已經(jīng)不能滿足市 場(chǎng)需求，三者的融合與互補(bǔ)恰恰提供了一種更好的解決方案。未來，三者的交錯(cuò)融合的趨勢(shì)將愈演愈烈。