單片機(jī)、DSP、PLD/EDA的介紹、比較和分析
[導(dǎo)讀]當(dāng)今,數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力便是單片機(jī),DSP ,PLD/ EDA ,以其各自的特點(diǎn)滿足了各種需要,推動(dòng)著信息技術(shù)的快速發(fā)展。這里將對(duì)這三類電子產(chǎn)品分別加以介紹,并作比較和分析。
摘 要:當(dāng)今,數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力便是單片機(jī),DSP ,PLD/ EDA ,以其各自的特點(diǎn)滿足了各種需要,推動(dòng)著信息技術(shù)的快速發(fā)展。這里將對(duì)這三類電子產(chǎn)品分別加以介紹,并作比較和分析。
關(guān)鍵詞:單片機(jī)(Single - chip Microcomputer) ;數(shù)字信號(hào)處理(DSP) ;可編程邏輯器件( PLD) / 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化( EDA)
引言
信息技術(shù)正在快速發(fā)展,其應(yīng)用已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)方面。如今越來越多的電子產(chǎn)品向著智能化、微型化、低功耗方向發(fā)展,其中有的產(chǎn)品還需要實(shí)時(shí)控制和信號(hào)處理。電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加,它迫切要求電子設(shè)計(jì)技術(shù)也有相應(yīng)的變革和飛躍。使用純SSI 數(shù)字電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作量大, 靈活性低, 而且系統(tǒng)可靠性差。廣泛使用單片機(jī)(MCU) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)克服了純SSI 數(shù)字電路系統(tǒng)許多不可逾越的困難,是一個(gè)具有里程碑意義的飛躍。而DSP 以其極強(qiáng)的信號(hào)處理功能贏得了廣闊的市場(chǎng),得到了廣泛地應(yīng)用。近年來,PLD 器件迅速發(fā)展,尤其是CPLD/ FPGA 向深亞微米領(lǐng)域進(jìn)軍,PLD 器件得到了廣泛應(yīng)用,以CPLD/ FPGA 為物質(zhì)基礎(chǔ)的EDA 技術(shù)誕生了。它具有電子技術(shù)高度智能化、自動(dòng)化的特點(diǎn),打破了軟硬件最后的屏障,使得硬件設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)一樣簡(jiǎn)單。它作為一種創(chuàng)新技術(shù)正在改變著數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)觀念。單片機(jī),DSP ,PLD/ EDA 以其各自的特點(diǎn)滿足了各種需要,正從各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)層面改變著世界,它們已經(jīng)成為數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力,推動(dòng)著信息技術(shù)的快速發(fā)展。
以下,我們將對(duì)單片機(jī),DSP ,PLD/ EDA 分別加以介紹,并作比較和分析。
單片機(jī)
單片機(jī)是集成了CPU ,ROM ,RAM 和I/ O 口的微型計(jì)算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能,非常適合于工業(yè)控制,因此又叫微控制器(MCU) 。它與通用處理器不同,它是以工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口等特點(diǎn)出發(fā),向著增強(qiáng)控制功能,提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便地構(gòu)成應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。所以,單片機(jī)有著自己的特點(diǎn)。
品種齊全,型號(hào)多樣
自從INTEL 推出51 系列單片機(jī),許多公司對(duì)它做出改進(jìn),發(fā)展成為增強(qiáng)型51 系列,而且新的單片機(jī)類型也不斷涌現(xiàn)。如MOTOROLA 和PHIL IPS 均有幾十個(gè)系列,幾百種產(chǎn)品。CPU 從8 ,16 ,32 到64 位,多采用RISC 技術(shù),片上I/O 非常豐富,有的單片機(jī)集成有A/ D , “看門狗”,PWM ,顯示驅(qū)動(dòng),函數(shù)發(fā)生器,鍵盤控制等,它們的價(jià)格也高低不等,這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。
低電壓和低功耗
隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,NMOS 工藝單片機(jī)被CMOS代替,并開始向HMOS 過渡。供電電壓由5V 降到3V ,2V 甚至到1V ,工作電流由mA 降至μA ,這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地。
DSP 芯片
DSP 又叫數(shù)字信號(hào)處理器。顧名思義,DSP 主要用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域,非常適合高密度,重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計(jì)算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域,常見的手機(jī)、數(shù)字電視和數(shù)碼相機(jī)都離不開DSP。DSP 用于手機(jī)和基站中為移動(dòng)通信的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn),將在2. 5G和3G中扮演重要角色?？梢哉f,DSP 已經(jīng)融入到生活的方方面面。
DSP 相對(duì)于一般微處理器作了很大的擴(kuò)充和增強(qiáng),主要是:
a) 修正的哈佛結(jié)構(gòu),多總線技術(shù)以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開,使用多總線,取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行,以及流水線技術(shù),這使得速度有了較大的提高。
b) 硬件乘法器以及特殊指令。這是區(qū)別于一般微處理器的重要標(biāo)志。一般微處理器用軟件實(shí)現(xiàn)乘法,逐條執(zhí)行指令,速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運(yùn)算,而且還具有專門的信號(hào)處理指令,如TM320 系列的FIRS ,LMS ,MACD 指令等。
EDA 技術(shù)
當(dāng)今電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加,而電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以適應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,ECAD 在某種程度上減輕了設(shè)計(jì)人員的工作壓力,但其智能化、自動(dòng)化水平仍不盡人意。于是EDA 技術(shù)作為一種全新的技術(shù)誕生了。它正改變著數(shù)字系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)觀念。
EDA(即Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化,它是以計(jì)算機(jī)為工具,在EDA 軟件平臺(tái)上,對(duì)用硬件描述語言HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真,直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計(jì)者只需用HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述,借助EDA 工具就可得到設(shè)計(jì)結(jié)果,將編譯后的代碼下載到目標(biāo)芯片就可在硬件上實(shí)現(xiàn)。這里的目標(biāo)芯片就是PLD 器件( FPGA/CPLD) 。FPGA/ CPLD 是EDA 技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ),這兩者是分不開的?？梢哉f沒有PLD 器件,EDA 技術(shù)就成為無源之水。
EDA 技術(shù)作為一種現(xiàn)代電子系統(tǒng)開發(fā)方式,具有兩方面特點(diǎn)。
修改軟件程序即可改變硬件
由于FPGA/ CPLD 可以通過軟件編程對(duì)該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu),修改軟件程序就相當(dāng)于改變了硬件,這是非常有用的。軟件可以使用自頂向下的設(shè)計(jì)方案,而且可以多個(gè)人分工并行工作,這些年來IP 核產(chǎn)業(yè)的崛起,將若干軟核結(jié)合起來就可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng),這一切極大地縮短了開發(fā)周期和上市時(shí)間,有利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。
速度快,可靠性高
MCU 和DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實(shí)現(xiàn)特定功能,不可避免低速,而FPGA/ CPLD 則可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作,在實(shí)時(shí)測(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊;另一方面,FPGA/CPLD 器件在功能開發(fā)上是軟件實(shí)現(xiàn)的,但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣,十分可靠。而MCU 和DSP 芯片在強(qiáng)干擾條件下,尤其是強(qiáng)電磁干擾下,很可能越出正常的工作流程,出現(xiàn)PC 跑飛現(xiàn)象。EDA 高可靠性正好克服了它們這一先天不足。
結(jié)束語
單片機(jī),DSP 和FPGA/ CPLD 各具特色,滿足了不同需要,已經(jīng)成為數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力。為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì),三者結(jié)合成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。
MCU 與DSP 的結(jié)合
MCU 價(jià)格底,能很好地完成通信和智能控制的任務(wù),但信號(hào)處理能力差。DSP 恰好相反。把兩者結(jié)合,能滿足同時(shí)需要智能控制和數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合,如蜂窩電話,無繩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等,這有利于減小體積,降低功耗和成本。
DSP 和FPGA/ CPLD 的結(jié)合
由于FPGA/ CPLD 兼有串/ 并行工作方式,高速度和寬口徑適用性等特點(diǎn),將DSP 與FPGA 集成在一個(gè)芯片上,可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理,極大地提高信號(hào)處理速度。另外,FPGA可以進(jìn)行硬件重構(gòu),功能擴(kuò)展或性能改善非常容易?？傊?單片機(jī),DSP , PLD/ EDA 極大地推動(dòng)了信息技術(shù)的發(fā)展。要作為一名工程師,必須掌握從系統(tǒng)設(shè)計(jì)級(jí)、電路設(shè)計(jì)級(jí)到物理實(shí)現(xiàn)級(jí)整個(gè)過程分析設(shè)計(jì)能力,能熟練使用新器件,新的開發(fā)工具,并不斷更新觀念,只有這樣,才能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展,才能把握現(xiàn)在,創(chuàng)造未來!
關(guān)鍵詞:單片機(jī)(Single - chip Microcomputer) ;數(shù)字信號(hào)處理(DSP) ;可編程邏輯器件( PLD) / 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化( EDA)
引言
信息技術(shù)正在快速發(fā)展,其應(yīng)用已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)方面。如今越來越多的電子產(chǎn)品向著智能化、微型化、低功耗方向發(fā)展,其中有的產(chǎn)品還需要實(shí)時(shí)控制和信號(hào)處理。電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加,它迫切要求電子設(shè)計(jì)技術(shù)也有相應(yīng)的變革和飛躍。使用純SSI 數(shù)字電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作量大, 靈活性低, 而且系統(tǒng)可靠性差。廣泛使用單片機(jī)(MCU) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)克服了純SSI 數(shù)字電路系統(tǒng)許多不可逾越的困難,是一個(gè)具有里程碑意義的飛躍。而DSP 以其極強(qiáng)的信號(hào)處理功能贏得了廣闊的市場(chǎng),得到了廣泛地應(yīng)用。近年來,PLD 器件迅速發(fā)展,尤其是CPLD/ FPGA 向深亞微米領(lǐng)域進(jìn)軍,PLD 器件得到了廣泛應(yīng)用,以CPLD/ FPGA 為物質(zhì)基礎(chǔ)的EDA 技術(shù)誕生了。它具有電子技術(shù)高度智能化、自動(dòng)化的特點(diǎn),打破了軟硬件最后的屏障,使得硬件設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)一樣簡(jiǎn)單。它作為一種創(chuàng)新技術(shù)正在改變著數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)觀念。單片機(jī),DSP ,PLD/ EDA 以其各自的特點(diǎn)滿足了各種需要,正從各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)層面改變著世界,它們已經(jīng)成為數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力,推動(dòng)著信息技術(shù)的快速發(fā)展。
以下,我們將對(duì)單片機(jī),DSP ,PLD/ EDA 分別加以介紹,并作比較和分析。
單片機(jī)
單片機(jī)是集成了CPU ,ROM ,RAM 和I/ O 口的微型計(jì)算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能,非常適合于工業(yè)控制,因此又叫微控制器(MCU) 。它與通用處理器不同,它是以工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口等特點(diǎn)出發(fā),向著增強(qiáng)控制功能,提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便地構(gòu)成應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。所以,單片機(jī)有著自己的特點(diǎn)。
品種齊全,型號(hào)多樣
自從INTEL 推出51 系列單片機(jī),許多公司對(duì)它做出改進(jìn),發(fā)展成為增強(qiáng)型51 系列,而且新的單片機(jī)類型也不斷涌現(xiàn)。如MOTOROLA 和PHIL IPS 均有幾十個(gè)系列,幾百種產(chǎn)品。CPU 從8 ,16 ,32 到64 位,多采用RISC 技術(shù),片上I/O 非常豐富,有的單片機(jī)集成有A/ D , “看門狗”,PWM ,顯示驅(qū)動(dòng),函數(shù)發(fā)生器,鍵盤控制等,它們的價(jià)格也高低不等,這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。
低電壓和低功耗
隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,NMOS 工藝單片機(jī)被CMOS代替,并開始向HMOS 過渡。供電電壓由5V 降到3V ,2V 甚至到1V ,工作電流由mA 降至μA ,這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地。
DSP 芯片
DSP 又叫數(shù)字信號(hào)處理器。顧名思義,DSP 主要用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域,非常適合高密度,重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計(jì)算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域,常見的手機(jī)、數(shù)字電視和數(shù)碼相機(jī)都離不開DSP。DSP 用于手機(jī)和基站中為移動(dòng)通信的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn),將在2. 5G和3G中扮演重要角色?？梢哉f,DSP 已經(jīng)融入到生活的方方面面。
DSP 相對(duì)于一般微處理器作了很大的擴(kuò)充和增強(qiáng),主要是:
a) 修正的哈佛結(jié)構(gòu),多總線技術(shù)以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開,使用多總線,取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行,以及流水線技術(shù),這使得速度有了較大的提高。
b) 硬件乘法器以及特殊指令。這是區(qū)別于一般微處理器的重要標(biāo)志。一般微處理器用軟件實(shí)現(xiàn)乘法,逐條執(zhí)行指令,速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運(yùn)算,而且還具有專門的信號(hào)處理指令,如TM320 系列的FIRS ,LMS ,MACD 指令等。
EDA 技術(shù)
當(dāng)今電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加,而電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以適應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,ECAD 在某種程度上減輕了設(shè)計(jì)人員的工作壓力,但其智能化、自動(dòng)化水平仍不盡人意。于是EDA 技術(shù)作為一種全新的技術(shù)誕生了。它正改變著數(shù)字系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)觀念。
EDA(即Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化,它是以計(jì)算機(jī)為工具,在EDA 軟件平臺(tái)上,對(duì)用硬件描述語言HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真,直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計(jì)者只需用HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述,借助EDA 工具就可得到設(shè)計(jì)結(jié)果,將編譯后的代碼下載到目標(biāo)芯片就可在硬件上實(shí)現(xiàn)。這里的目標(biāo)芯片就是PLD 器件( FPGA/CPLD) 。FPGA/ CPLD 是EDA 技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ),這兩者是分不開的?？梢哉f沒有PLD 器件,EDA 技術(shù)就成為無源之水。
EDA 技術(shù)作為一種現(xiàn)代電子系統(tǒng)開發(fā)方式,具有兩方面特點(diǎn)。
修改軟件程序即可改變硬件
由于FPGA/ CPLD 可以通過軟件編程對(duì)該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu),修改軟件程序就相當(dāng)于改變了硬件,這是非常有用的。軟件可以使用自頂向下的設(shè)計(jì)方案,而且可以多個(gè)人分工并行工作,這些年來IP 核產(chǎn)業(yè)的崛起,將若干軟核結(jié)合起來就可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng),這一切極大地縮短了開發(fā)周期和上市時(shí)間,有利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。
速度快,可靠性高
MCU 和DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實(shí)現(xiàn)特定功能,不可避免低速,而FPGA/ CPLD 則可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作,在實(shí)時(shí)測(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊;另一方面,FPGA/CPLD 器件在功能開發(fā)上是軟件實(shí)現(xiàn)的,但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣,十分可靠。而MCU 和DSP 芯片在強(qiáng)干擾條件下,尤其是強(qiáng)電磁干擾下,很可能越出正常的工作流程,出現(xiàn)PC 跑飛現(xiàn)象。EDA 高可靠性正好克服了它們這一先天不足。
結(jié)束語
單片機(jī),DSP 和FPGA/ CPLD 各具特色,滿足了不同需要,已經(jīng)成為數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力。為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì),三者結(jié)合成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。
MCU 與DSP 的結(jié)合
MCU 價(jià)格底,能很好地完成通信和智能控制的任務(wù),但信號(hào)處理能力差。DSP 恰好相反。把兩者結(jié)合,能滿足同時(shí)需要智能控制和數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合,如蜂窩電話,無繩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等,這有利于減小體積,降低功耗和成本。
DSP 和FPGA/ CPLD 的結(jié)合
由于FPGA/ CPLD 兼有串/ 并行工作方式,高速度和寬口徑適用性等特點(diǎn),將DSP 與FPGA 集成在一個(gè)芯片上,可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理,極大地提高信號(hào)處理速度。另外,FPGA可以進(jìn)行硬件重構(gòu),功能擴(kuò)展或性能改善非常容易?？傊?單片機(jī),DSP , PLD/ EDA 極大地推動(dòng)了信息技術(shù)的發(fā)展。要作為一名工程師,必須掌握從系統(tǒng)設(shè)計(jì)級(jí)、電路設(shè)計(jì)級(jí)到物理實(shí)現(xiàn)級(jí)整個(gè)過程分析設(shè)計(jì)能力,能熟練使用新器件,新的開發(fā)工具,并不斷更新觀念,只有這樣,才能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展,才能把握現(xiàn)在,創(chuàng)造未來!
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