车规级芯片之 MCU、MPU、DSP、FPGA、SOC-Toy模板网

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1.概述

随着处理器技术的不断发展，CPU(Central Processing Unit)的发展逐渐出现三种分支，分别是MCU(Micro Controller Unit，微控制器单元) 和MPU（Micro Processor Unit，微处理器单元）和DSP(Digital Signal Processing/Processor)数字信号处理器。

MCU在应用中比较常见的就是ST的芯片，比如STM32，就是通常所说的单片机（注意：单片机和MCU之间的区别是非常细微的，单片机是MCU中最具有代表性，是MCU的实现，二者不可等同）。而MPU可以认为是MCU的升级版，它的处理性能会比MCU更强，典型如ARM 公司Cortex-A系列的片子。

MPU的全称是Micro Processor Unit，MCU的全称是Mirco Controller Unit。这两个词都以Micro开头，表明了这是计算/控制单元小型化后出现的技术。事实上，这是由于集成电路技术进步带来的计算机系统集成程度提高的结果。原来有多片分立的元件组成的计算机系统向高度集成化发展，多个芯片/元件的功能在向一颗芯片集中，这是一个大的技术演进的背景。

DSP目前常用的就是TI（德州仪器）的芯片，TI生产的C2000系列的DSP目前应用是比较广泛的，它的优势就是有浮点运算内核，特别是在进行大量浮点运算的时候会比MCU展现出巨大的优势。

目前在汽车朝智能化和电动化演进的过程中，车规级芯片常涉及到 MCU、MPU与DSP，下面从各个方面对上述车规级芯片进行对比。

2.MCU

MCU顾名思义就是控制单元，由于主要完成“控制”相关的任务，所以被称为Controller。也就是根据外界的信号（刺激），产生一些响应，做一些简单的人机交互。对于这种需求，通常不需要芯片主频太高。

早期8051系列主频约10MHz~20MHz，以12个周期执行一条指令。经过多年迭代最终达到100MHz。其次就是处理能力不用太强，8位的MCU长期是微控制器的主流。后来16位的MCU逐步开始占领市场。而随着ARM的32位MCU的出现，主要是Cortex-M系列，相应的MCU也开始逐步扩大市场。目前的MCU以ARM、ST、NXP公司的产品为主要代表。这些MCU的主频一般也是在几十MHz到100多MHz的量级。其次由于执行的“控制相关”任务，通常不需要支持复杂的图形界面和处理能力。在MCU上完成的任务大多是一些简单的刺激-响应式的任务，且任务类型单一，执行过程简单。

在这种情况下，一般不需要MCU去执行功能复杂、运算量大的程序，而通常不需要运行大型操作系统来支持复杂的多任务管理。这就造成了MCU一般对于存储器的容量要求比较低。

以ST系列STM32F103为例，开发平台一般就是MDK，由于MDK用户比较多，每一个版本基本都在做改善，提供更好的用户体验。ST在开发的时候提供各种库进行开发比如HAL库以及LL库等。

3.MPU

MPU带有Processor，顾名思义是处理器。处理器就是能够执行“处理”功能的器件。具备Processor这个词的器件很多。比如CPU就被称为“中央处理器”，那既然有“中央”就应该有“外围”。GPU在经典的桌面计算机中就是一个典型的“外围”处理器，主要负责图形图像处理和图形图像显示。当然，今天由于AI的崛起，GPU变身成为了人工智能的训练神器。 带“P”的还有DSP，数字信号处理器， 一种专门为了数字信号处理而生的“领域专用处理器”。所以这些带P的处理器，都是要具备“处理”能力的。所需要处理的自然是数据或信息。也就是说处理器本身都需要较为强大的数据处理/计算能力。以GPU为例，正是由于它强大的并行浮点运算能力才能支持高速的图像处理，使音视频播放、多媒体技术成为可能。同样由于这样的处理能力使之在AI时代基于它的多个微核心组成的强大并行处理能力，发挥出了巨大的作用。

处理器的核心作用就是一定要处理/运算能力强，能够执行比较复杂的任务。而微处理器，其实就是微型化或集成化了的处理器。MPU就是把传统的CPU之外原属于“芯片组”的各类接口和部分“外设”集成到一起而形成的“外围处理器”。

MPU从一开始就定位了具有相当的处理和运算能力，一般需要运行较大型的操作系统来实现复杂的任务处理。因此这就决定了MPU应具备较高的主频，和较为强大的运算能力。MPU很早就演进到了32位处理器，现在更是开始大力普及64位。现在MPU领域，具有绝对影响力的Arm公司一开始就目标就是要做32位，典型如Cortex-A 系列。同时MPU也一直追求实现较高的主频。早期经典的Arm 9系列MPU频率就在200MHz-400MHz。现在手机上使用的高端MPU更是到达了3GHz，和主流的桌面处理器已经达到一个级别。和通用的桌面处理器一样，MPU现在也普遍朝“多核化”发展。

为了支撑MPU相比MCU强大的算力，使得“物尽其用”。必然要求在MPU上运行比较复杂的、运算量大的程序和任务，通常需要有大容量的存储器来配合支撑。

而大容量的存储器难以被集成到以逻辑功能为主的MPU内部，因此MPU现在要运行起来通常需要“外挂”大容量的存储器。主要是大容量的DDR存储器和FLASH。在手机领域前者被称为“运存”而后者被称为“闪存”。为了支撑运行复杂操作系统和大型程序，往往还需要MPU中集成高性能的存储控制器、存储管理单元（MMU）等一整套复杂的存储机制和硬件。

所以从形态上看，MPU由于需要运行对处理能力要求复杂大程序，一般都需要外挂存储器才能运行起来。而MCU往往只是执行刺激-响应式的过程控制和辅助，功能比较单一，仅仅需要使用片上集成的小存储器即可。这是区别MPU和MCU的重要表象，但不是核心原因。

4.DSP

DSP（Digital Signal Processing）即数字信号处理技术，DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。相比于通用CPU公司Intel、AMD的复杂指令集CSIC的X86架构， DSP通常使用冯·诺依曼和哈佛架构等。这些更简单的硬件架构通常用于DSP，因为它们在与精简的指令集架构（ISA）典型如ARM公司RISC架构配对时足以进行数字音频处理。

DSP具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。典型的主要是TI生产的28系列芯片，常用的有32位定点DSP处理器TMS320F2812和32位浮点DSP处理器TMS320F28335。以28335为例，28335比MCU多了互补的PWM输出外设以及编码器正交单元QEP外设。像常用的ADC，SPI以及串口等外设两片都会有，这也正是DSP用来做电机控制的原因。TI系列开发的平台，常用的就是CCS(Code Composer Studio)工具。

具体而言，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：

（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。

（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。

（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

（7）可以并行执行多个操作。

（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

实际在车载应用中，DSP主要是为音频信号处理而设计的微处理器。DSP基本上是一个为解决音频处理问题而优化的CPU。就像CPU一样，DSP芯片是音频硬件的重要组成部分，使数字音频操作成为可能。DSP已经变得如此重要，以至于音频设备可能会在其电路中集成一个或几个DSP。在车上听音乐涉及到的 DSP 应用程序主要有以下几类：

音频均衡器（EQ）：DSP用于均衡各种音乐。使用均衡来控制不同声音频率的音量。如果没有均衡，你会发现很难听音乐，因为人声可能听起来很弱，乐器听起来会分散，低音会压倒所有频率，使音频不清楚或浑浊。
有源音频分频器：这些音频分频器用于分离不同的音频频率，并将其分配给为特定音频范围设计的不同扬声器。音频分频器通常用于汽车立体声系统、环绕声系统和使用不同尺寸扬声器驱动器的扬声器。
头戴式耳机/入耳式 3D 音频：可以使用扬声器分频器以及各种环绕声系统实现 3D 音频。借助隐蔽的 DSP，用户的头戴式耳机和入耳式耳机可以处理音频，从而在没有扬声器的情况下提供 3D 声音聆听体验。DSP 可以通过模拟空间声场来做到这一点，该空间声场只需使用耳机即可模拟声音在 3D 空间中的移动方式。
主动降噪（ANC）：主动降噪技术使用麦克风记录低频噪声，然后产生与记录的噪声频率相反的声音。然后，这种产生的声音用于在环境噪音到达耳膜之前消除环境噪音。ANC只有在DSP的瞬时处理速度下才能实现。
远场语音和语音识别：这项技术使您的谷歌主页，Alexa和亚马逊Echo能够可靠地识别用户的声音。语音助手利用 CPU、DSP 和 AI 来处理数据，并智能地回答用户的查询和命令。

DSP 相对于通用处理器的优势主要体现在：像CPU这样的通用处理器可以执行数百条指令，并封装比DSP更多的晶体管。这些事实可能会引发一个问题，即为什么DSP是音频的首选微处理器，而不是更大，更复杂的CPU。 DSP与其他微处理器相比使用的最大原因是实时音频处理。DSP架构的简单性和有限的ISA使DSP能够可靠地处理输入的数字信号。借助此功能，实时音频表演可以实时应用均衡和滤波器，而无需缓冲。

DSP的成本效益是它们比通用处理器使用的另一个重要原因。与其他需要复杂硬件和具有数百条指令的ISA的处理器不同，DSP使用更简单的硬件和具有几十条指令的ISA。这使得DSP更容易，更便宜，更快速地制造。

最后，DSP更容易与电子设备集成。由于晶体管数量较少，与CPU相比，DSP需要的功率要少得多，并且物理上更小，更轻。这使得DSP可以安装在蓝牙耳机等小型设备中，而不必担心电源以及增加设备过多的重量和体积。

DSP是音频相关电子产品的重要组成部分。其小巧、轻便、经济、节能的特性使即使是最小的音频设备也能提供主动降噪功能。如果没有DSP，车载音频设备将不得不依赖通用处理器，甚至是笨重的电子元件，这些元件需要更多的资金，空间和功率，同时提供较慢的处理能力。

5.FPGA

FPGA叫场可编程门阵列（Field-programmable gate array），还有一种CPLD叫复杂可编程逻辑器件。FPGA有很多零散的与，或，非门电路块，可以通过编程（或画电路图）把它们连接起来，从而连接组成很复杂的组合逻辑或时序逻辑，甚至可以内置一个CPU，MCU或DSP芯片。

给DSP写程序和给多核CPU写程序以及给GPU写程序，都没有太大区别，DSP有完善的C语言编译器。目前高端的FPGA中都集成了硬核DSP，FPGA主要采用硬件描述语言HDL，常用的主要有VHDL、Verilog HDL、System Verilog 和 System C等编写程序。

FPGA一般可以视为是DSP的集成和进阶，它最大的特点是一种可以通过编程改变内部硬件结构，实现特定功能的芯片。FPGA具有的高速并行处理能力，其性能远超过通用 DSP 处理器的串行执行架构，而且它接口的电压和驱动能力都是可编程配置的，不像传统的 DSP 要受指令集控制。

但FPGA最大的问题在于，DSP相比于FPGA具有明显的成本优势，对于一个性能较高的DSP大概也就百元（RMB）左右，但是一般大容量的FPGA售价都在千元以上。

其次，一般的应用DSP通常处理几十M带宽的数据绰绰有余，在车载音频图像领域用的很多，这也是需求量很大甚至是最大的市场，而FPGA通常处理百M以上瞬时带宽的数据，通常用在军工如宇航、卫星，天文等或其它一些特定场景、特定领域。

再次，从开发难度上看，DSP开发采用C/C++或类C，而FPGA采用专业的HDL编写，开发人员少很多，一定程度上也限制了它的开发应用与普及推广。

6.SOC

SOC指的是片上系统(System on Chip)，MCU只是芯片级的芯片，而SOC是系统级的芯片，它既像MCU那样有内置RAM、ROM同时又像MPU那样功能强大，不单运行简单的控制或运算程序，结合了MCU集成化与MPU强处理能力的优势，还可以存放系统级的代码，比如车机操作系统就运行在SOC芯片上。

高通的8155芯片就是一款目前最为强大的智能座舱SOC芯片，全称是SA8155P，它采用7纳米工艺制造，具有八个核心，算力为8TOPS（也就是每秒运算8万亿次），可以最多支持6个摄像头，可以连接4块2K屏幕或者3块4K屏幕，支持Wi-Fi6，支持5G，支持蓝牙5.0。目前在车载SOC芯片领域，高通是绝对的领先者，国产新能源汽车威马W6、小鹏P5、吉利星越L、蔚来ET7、集度汽车据称都采用了8155芯片作为车载的SOC主力。SA8155P车规级芯片的原型就是高通骁龙8155，目前国内还看不到有同一层次的竞争对手。车载SOC芯片等价于手机上的CPU。