嵌入式常见概念的介绍

一、MCU、MPU、ARM

（一）MCU（微控制器）

1、定义

MCU的英文全称是 Micro Controller Unit，即微处理器，又称单片微型计算机或者单片机。

它把中央处理器 (CPU) 的频率与规格做适当缩减，并将内存 (RAM、ROM)、定时器/计数器、USB、A/D 转换、UART、PLC、DMA 等周边接口，甚至 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

2、特点

其最大特点是单片化，体积小、功耗低、可靠性高，并且具备丰富的外设接口，适用于对成本和功耗要求较高、控制功能较为复杂的嵌入式应用场景。

在智能家居、工业控制、消费电子等领域广泛使用。例如，在智能家居系统中，MCU 可以控制家电设备的运行状态、接收传感器数据等。

（二）MPU（微处理器）

1、定义

MPU 的英文全称是 Micro Processor Unit，即微处理器，通常是由计算机中的CPU演变而来的，可以理解为加强版的CPU，是一种高性能的处理器，即不带外围功能的器件。

它通常具有强大的运算能力和复杂的指令集，可以进行复杂的运算和处理。

嵌入式微处理器系统需要在MPU 的基础上添加 RAM、ROM、Flash、电源等外围电路，以及USB、LCD、键盘等外部设备，来构成完整的计算机系统。

而MCU则是将 RAM、ROM、定时器等外设集成在一个芯片上，形成芯片级的系统，即MCU集成了外围功能器件。

2、特点

MPU 的优势在于其强大的运算能力和对复杂操作系统的支持，能够处理大量的数据和复杂的任务，主要应用于对计算能力要求较高的嵌入式系统，如智能手机、平板电脑、工业平板电脑、车载导航系统等。

以智能手机为例，MPU 需要运行复杂的操作系统和各种应用程序，处理图像、音频、视频等大量数据，这就需要 MPU 具备强大的运算能力和高速的处理速度。

（三）ARM（架构）

1、定义

ARM 的全称为 Advanced RISC Machines，是一个公司的名称，同时也是一种处理器架构的名称。

ARM 公司并不直接生产芯片，而是设计芯片架构和 IP 核，授权给其他半导体公司生产基于 ARM 架构的芯片。

2、特点

ARM 架构具有低功耗、低成本、高性能的特点，广泛应用于嵌入式系统领域。基于 ARM 架构的芯片在市场上占据了很大的份额，无论是 MCU 还是 MPU，很多都采用了 ARM 架构。

例如，Cortex - M 系列是面向微控制器应用的低功耗、低成本的 ARM 架构，常用于各类 MCU 中；而 Cortex - A 系列则是面向高性能应用的架构，常用于智能手机、平板电脑等设备中的 MPU。

二、DSP

DSP有两种含义：①数字信号处理(Digital Signal Processing)、②数字信号处理器(Digital Signal Processor)。以下是对它们的详细介绍：

（一）数字信号处理

1、定义

是一种通过计算机或专用处理设备，对数字信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以达到提取信息、便于应用的目的的技术。

2、处理过程

① 采样：将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，按照一定的采样频率对模拟信号进行抽样，得到一系列离散的样本点。

② 量化：将采样得到的离散信号的幅度值进行量化，将其映射到有限个离散的电平值上，以便于计算机进行处理。

③ 编码：对量化后的信号进行编码，将其转换为二进制代码表示，以便于存储和传输。

④ 数字信号处理算法：运用各种算法对编码后的数字信号进行处理，如快速傅里叶变换 (FFT) 用于频谱分析、数字滤波用于去除噪声、卷积运算用于信号的特征提取等。

⑤ 解码：将处理后的数字信号进行解码，还原为原始信号的表示形式。

⑥ 重构：将解码后的数字信号通过数模转换器(DAC)转换为模拟信号，以便于实际应用。

3、应用

广泛应用于通信、音频处理、图像处理、雷达、声纳、生物医学工程等众多领域。

例如在通信领域，数字信号处理用于调制解调、信道编码解码等，以提高通信系统的性能和可靠性；在音频处理中，用于音频编码解码、音效增强等，改善音频质量。

（二）数字信号处理器

1、定义

是一种专门为了进行数字信号处理而设计的微处理器，它具备独特的硬件架构和指令集，能够高效地执行各种数字信号处理算法。

2、特点

① 哈佛结构：采用哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的总线，可同时进行指令和数据的读取，提高了数据处理效率。

② 高速运算能力：集成了专门的硬件乘法器、累加器等，能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作，适合数字信号处理中的滤波、FFT 等运算密集型任务。

③ 丰富的指令集：具有针对数字信号处理的指令集，如 FFT 指令、卷积指令等，可高效实现各种数字信号处理算法。

④ 低功耗设计：随着技术发展，不断优化低功耗设计，适用于电池供电的便携式设备。

3、应用

在需要对数字信号进行实时处理的设备和系统中广泛应用。

如在手机中，用于处理音频、视频信号以及通信信号；在数字音频播放器中，负责音频解码和音效处理；在雷达系统中，用于对回波信号进行处理，提取目标信息等。

三、FPGA

（一）基本概念

FPGA 的全称是 Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列；是一种基于查找表 (LUT) 结构的可编程逻辑器件。

由大量的逻辑单元、存储单元、输入输出单元以及可编程的布线资源组成。

用户可通过硬件描述语言(如Verilog HDL、VHDL)对其进行编程，实现各种数字逻辑功能，如组合逻辑、时序逻辑、计数器、编码器、译码器等，还能实现复杂的系统级功能，如数字信号处理、图像处理、通信协议处理等。

通俗地讲，FPGA犹是一张白纸，可以任意实现所需功能，无论是复杂的CPU，还是简单的数字逻辑电路，都可以用 FPGA 实现。

而单片机、ARM 以及DSP则是已成型的机器，单片机和ARM能现的功能，FPGA一定可以实现，反过来不一定可行。

（二）特点

1、灵活性高

用户可以根据自己的需求对 FPGA 进行编程，实现不同的功能。

在产品开发过程中，如果需要对功能进行修改或升级，只需重新编写程序并下载到 FPGA 中，而无需对硬件电路进行大规模改动。

2、并行处理能力强

FPGA 内部有大量可并行工作的逻辑单元，能够同时处理多个任务，实现数据的并行处理和运算。这使得它在处理一些对实时性要求较高的任务，如图像处理、视频解码等具有很大优势。

3、可重构性

部分 FPGA 支持在线重构，即在系统运行过程中可以动态地改变其逻辑功能。

这一特性使得 FPGA 能够根据不同的应用场景或任务需求，实时地调整自身的功能，提高了系统的适应性和灵活性。

4、开发周期短

与专用集成电路（ASIC）相比，FPGA 的开发不需要复杂的制造流程和较长的开发周期。开发人员可以快速地进行设计、仿真和验证，缩短产品的上市时间。

（三）工作原理

FPGA 的工作原理基于可编程逻辑单元的配置和互连。其内部的逻辑单元通过可编程的布线资源连接在一起，形成各种逻辑电路。

用户通过编写硬件描述语言代码来描述所需的逻辑功能，然后使用 FPGA 开发工具对代码进行编译、综合、布局布线等处理，生成配置文件。

将配置文件下载到 FPGA 中后，FPGA 会根据配置文件中的信息对内部的逻辑单元和布线资源进行配置，使其实现用户所期望的功能。

（四）应用领域

1、通信领域

用于实现各种通信协议的处理，如以太网、USB、PCI - E 等接口协议，以及无线通信中的调制解调、信道编码解码等功能。

在 5G 通信基站中，FPGA 可用于处理高速的信号传输和复杂的数字信号处理算法。

2、数字信号处理领域

可实现快速傅里叶变换 (FFT)、数字滤波、卷积运算等数字信号处理算法，常用于音频处理、图像处理、雷达信号处理等方面。

例如，在音频处理中，利用 FPGA 实现音频特效处理和音频编解码。

3、工业控制领域

用于实现逻辑控制、运动控制、数据采集等功能。在自动化生产线中，FPGA 可以作为核心控制器，对各种传感器和执行机构进行实时控制和数据处理。

4、航空航天与国防领域

由于其高可靠性和灵活性，FPGA 在航空航天和国防领域得到了广泛应用。

如卫星通信、雷达系统、武器装备的控制等。在恶劣的环境条件下，FPGA 能够稳定地工作，并根据任务需求进行功能重构。

四、MCU开发与ARX-Linux开发的区别

MCU 开发和 ARM - Linux 开发是嵌入式开发中两种不同的开发方向，它们在多个方面存在明显区别：

（一）硬件层面

1、硬件平台

（1）MCU：通常是集成度高的单芯片解决方案，内部集成了 CPU、内存、外设接口等，硬件资源相对有限。比如常见的 STM32 系列 MCU，内部 Flash 可能从几十 KB 到几 MB 不等，RAM 也一般在几 KB 到几百 KB。

（2）ARM - Linux：基于 ARM 架构的处理器，硬件资源丰富。除了处理器，还需要搭配外部存储设备（如 SD 卡、eMMC）、内存芯片（如 DDR）等。像基于 ARM Cortex - A 系列的开发板，内存可达 1GB 甚至更高，存储容量也能轻松扩展到几 GB。

2、功耗

（1）MCU：功耗较低，适合对功耗敏感的应用场景，如物联网设备、可穿戴设备等。一些低功耗 MCU 在待机模式下功耗仅为微安级别。

（2）ARM - Linux：由于硬件资源丰富，运行的系统和应用程序复杂，功耗相对较高。不过，现在也有一些低功耗优化的 ARM - Linux 平台，但总体上仍高于 MCU。

3、启动方式

（1）MCU：通常芯片厂商将上电启动代码固化在芯片中，上电后直接跳转到程序入口处，实现系统的启动。

（2）ARM - Linux：与PC启动方式类似，启动一般包括BIOS、Bootloader、内核启动、应用程序启动等几个阶段。

（二）软件层面

1、操作系统（开发方式）

（1）MCU：很多情况下不使用操作系统，直接进行裸机开发，通过编写代码直接控制硬件资源。也可使用一些轻量级的实时操作系统（RTOS），如 FreeRTOS、uC/OS 等，以实现多任务调度和资源管理。

（2）ARM - Linux：以 Linux 操作系统为基础，Linux 具有丰富的驱动程序和软件库，能支持复杂的应用程序运行。可以利用 Linux 的多用户、多任务特性，实现各种功能。

2、开发语言和工具链

（1）MCU：主要使用 C 语言进行开发，部分情况下也会使用汇编语言进行底层优化。开发工具链通常包括编译器（如 GCC）、调试器（如 JTAG、SWD）和集成开发环境（IDE），如 Keil、IAR 等。

（2）ARM - Linux：除了 C 语言，还广泛使用 C++、Python 等语言。开发工具链包括交叉编译器（如 arm - linux - gcc）、调试工具（如 gdb），以及 Linux 开发环境，如 Ubuntu 等。开发过程中还需要使用一些脚本语言（如 Shell 脚本）进行系统配置和自动化构建。

3、软件复杂度

（1）MCU：软件功能相对简单，主要实现对硬件的控制和基本的数据处理。代码量通常较小，开发周期相对较短。

（2）ARM - Linux：软件复杂度高，需要处理操作系统的移植、驱动程序的开发、文件系统的配置等。同时，应用程序也更加复杂，可能涉及图形界面、网络通信、数据库等功能。