简谈CPU、MCU、FPGA、SoC这些芯片异同之处

既然已经梳理了两大类（微处理器，专用集成电路）芯片的概念和原理，接下来就了解一下常见的芯片

MCU

日常生活中最常见得到的微处理器系统就是我们身边的微型计算机，也就是个人电脑（Personal Computer, PC），可以使台式机、笔记本，或是PC界的新秀——各种炫酷的二合一设备。这些看起来复杂无比的电子系统都是由最简单的微处理器系统发展起来的。但是生活中并不需要那么多的电脑，比如想要做一台能够自动控制加热保温的电饭煲，其CPU性能可能只需要电脑这样的大家伙的九牛一毛即可，也不需要复杂的输入输出设备，在设计上大可以大刀阔斧地将用不到的部分砍掉，灵活地将CPU、时钟发生器（Clock）、随机存储器（Random Access Memory, RAM）、只读存储器（Read-Only Memory, ROM）和需要的外部设备集成起来小型化，这种经过大改观的微处理器系统，其所有部分都集成在了一块芯片上，称为微控制器或单片机（Micro Controller Unit, MCU）。目前MCU是应用最广泛的一种电子控制芯片，其控制程序可以由特殊的烧录工具下载到ROM中，行使系统的功能。这些ROM可以使以是PROM、UVEPROM、EEPROM等，若MCU上没有集成ROM，也可以外接ROM。按照系统结构，微处理器系统可以分为冯·诺依曼结构（也称普雷斯顿结构）和哈佛结构，其区别是程序与数据的存放方式不同，同样地，MCU芯片也可以分为这两种结构，灵活地满足需要。

MPU

微处理器单元（Micro Processor Unit, MPU），就是把很多CPU集成在一起并行处理数据的芯片。通俗来说，MCU集成了RAM，ROM等设备；MPU则不集成这些设备，是高度集成的通用结构的中央处理器矩阵，也可以认为是去除了集成外设的MCU。

PLD（CPLD/FPGA）

因为目前广泛使用的PLD是CPLD和FPGA，因此把这两种芯片作为例子介绍。前面已经介绍过，CPLD/FPGA的内部结构和CPU完全不同，内部电路可以被多次修改，可以按照用户的编程形成不同的组合逻辑电路、时序逻辑电路结构，是一种“万能”的芯片，CPLD/FPGA看起来像一个CPU，其实不然，因为使用CPLD/FPGA实现控制是纯硬件实现，实质上和使用成千上万基本逻辑门搭建的数字逻辑电路没有区别。因此可以直接用HDL编程在CPLD/FPGA里搭建出一个“CPU”（有时还有硬盒和软核之分，限于篇幅，不再赘述），再做好相应的I/O、总线，就是一个简单的微处理器系统了。但是这样一来，又变成了软件控制，PLD的硬件控制优势荡然无存。故CPLD/FPGA经常和实际的CPU搭配使用，在CPLD/FPGA上编写一些较复杂算法的运算电路，当CPU处理到这些复杂任务时，就交由CPLD/FPGA进行处理，处理结束以后再将结果返回给CPU，提高控制系统的整体性能。

ADC、DAC

自然界的物理量分为模拟（Analog）量和数字（Digital）量两种。模拟量在一定范围内的取值是连续的，个数是无穷的；数字量在一定范围内的取值是离散的，个数是有限的。计算机只能处理离散的数字量，所以模拟信号必须经过变换才能交由计算机处理。将自然界的物理量转化为连续变化的电流或电压（故称“模拟”），在满足奈奎斯特采样定理（Nyquist Sampling Theory，也称香农采样定理，Shannon Sampling Theory）的条件下采样，得到时域离散信号，再经量化器（可以是线性量化和非线性量化）量化后数字信号，最后经过一道编码得到二进制的0、1数字信息，才能交由计算机处理。以上的这一道变换称为模数转换（A/D），可以将这部分电路集成到一块芯片上，这就是模数转换电路（Analog Digital Circuit, ADC）,相应的也有数模转换（D/A）和数模转换电路（Digital Analog Circuit, DAC）芯片，进行D/A的时候同样要在数学和信息论上满足相关定理。

DSP

数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）是用来高速处理数字信号的专用芯片。

经过ADC转化好的数字信号，数据量往往很庞大，直接交由CPU处理的效率是不高的，并且CPU还要进行更多的通用计算的任务。因此，常常采用专用的电路来处理数字信号，如数字滤波、快速傅里叶变换、时频分析、语音信号和图像信号的处理加工等。这些运算往往很复杂，很多涉及复数的累加、累乘运算，举个例子：离散傅里叶变换的计算就十分复杂，但是运用时域抽取或频域抽取的快速傅里叶变换算法后就可以大大减少运算量，但是电路较为复杂。将能完成这些复杂运算的电路集成在一块芯片上，能在一个时钟周期完成一次乘加运算，使其能完成如基2-FFT蝶形运算、音频滤波、图像处理等复杂运算，这样的芯片叫做DSP。DSP也是一种特殊的CPU，特别适合信号的处理，如3G中的Node B就大量使用了DSP进行信号处理。DSP对于流媒体的处理能力远远的优于CPU，现在手机上的语音信号都是由DSP处理的。现阶段DSP的概念正在变得模糊，如ARM9的架构就不像是一颗CPU，更像是一颗DSP。现在有很多芯片，其上都集成了DSP，GPU，基带处理器等，越来越多的传统上分立的芯片被集成到一起，协同工作以提高效率，降低能耗，这也是未来的一个趋势。

SoC

随着半导体技术、移动互联网和智能终端的迅猛发展，传统的微处理器系统的发展已经跟不上时代的潮流，现代信息技术迫切地需要一种功能多，性能强，功耗低的芯片来满足越来越多的智能设备的需求。SoC便应运而生。

SoC的全称是System on a Chip，顾名思义，就是在一块芯片上集成一整个信息处理系统，称为片上系统或系统级芯片。这个定义现在也不尽明确，因为不同用途的SoC上集成的部件是不一样的，一般说来，SoC是一个完整的整体，已经拥有了整个数字系统的完整功能它也是一种ASIC，其中包含完整的控制系统并有嵌入式的软件。

SoC也代表着一种技术，是一种以确定系统功能为目标，各个模块的软硬件协同开发，最后把开发成果集成为一块芯片的技术。由于功能丰富，又要求有不俗的性能发挥，SoC已然是功能最为丰富的硬件，其上集成了CPU、GPU、RAM、ADC/DAC、Modem、高速DSP等各种芯片，有的SoC上还必须集成电源管理模块，各种外部设备的控制模块，充分考虑各总线的分布利用……现如今，智能手机里的SoC上就集成了以上的部件和基带处理器等很多相关的通信模块。

SoC的电路相比于传统的微处理器系统更加复杂，其对设计和制造工艺的要求自然更上一层楼，对软硬件协同开发的依赖性相当高。迄今为止，在半导体行业首屈一指的企业才有自主设计制造SoC的能力，目前在性能和功耗敏感的终端芯片领域，SoC已占据主导地位，人们每天使用的手机里面，就有一颗颗性能强劲，永远在线的SoC在为我们服务。就连传统的软件大厂微软也推出了基于高通公司的骁龙835平台的Windows操作系统；而且SoC的应用正在扩展到更广的领域，SoC在无人机技术、自动驾驶，深度学习等行业也有越来越多的应用，用一块单芯片就能实现完整的电子系统，是半导体行业、IC产业未来的发展方向。

目前世界上有两种文明，一种是人类社会组成的的碳基文明，一种是各种芯片组成的硅基文明——因为几乎所有的芯片都是以单晶硅为原料制作的，芯片系统的总数比人类的数量还多出数十上百倍。芯片大家族里面也分各种不同类型的芯片，从古老的用电子管堆出来的成吨的逻辑门到现在的超级数据中心，电子技术的发展走过了