單片機、DSP、PLD/EDA的介紹、比較和分析

引言
　　
信息技術(shù)正在快速發(fā)展，其應用已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)方面。如今越來(lái)越多的電子產(chǎn)品向著(zhù)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)控制和信號處理。電子系統的復雜性在不斷增加，它迫切要求電子設計技術(shù)也有相應的變革和飛躍。使用純SSI 數字電路設計系統工作量大， 靈活性低， 而且系統可靠性差。廣泛使用單片機(MCU) 設計系統克服了純SSI 數字電路系統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 以其極強的信號處理功能贏(yíng)得了廣闊的市場(chǎng)，得到了廣泛地應用。近年來(lái)，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 器件得到了廣泛應用，以CPLD/ FPGA 為物質(zhì)基礎的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，使得硬件設計如同軟件設計一樣簡(jiǎn)單。它作為一種創(chuàng )新技術(shù)正在改變著(zhù)數字系統的設計方法、設計過(guò)程和設計觀(guān)念。單片機，DSP ，PLD/ EDA 以其各自的特點(diǎn)滿(mǎn)足了各種需要，正從各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)層面改變著(zhù)世界，它們已經(jīng)成為數字時(shí)代的核心動(dòng)力，推動(dòng)著(zhù)信息技術(shù)的快速發(fā)展。
　　
以下，我們將對單片機，DSP ，PLD/ EDA 分別加以介紹，并作比較和分析。
　　
單片機
　　
單片機是集成了CPU ，ROM ，RAM 和I/ O 口的微型計算機。它有很強的接口性能，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)測控對象、環(huán)境、接口等特點(diǎn)出發(fā)，向著(zhù)增強控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便地構成應用計算機系統的界面接口的方向發(fā)展。所以，單片機有著(zhù)自己的特點(diǎn)。
　　
品種齊全，型號多樣
　　
自從INTEL 推出51 系列單片機，許多公司對它做出改進(jìn)，發(fā)展成為增強型51 系列，而且新的單片機類(lèi)型也不斷涌現。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，有的單片機集成有A/ D ， “看門(mén)狗”，PWM ，顯示驅動(dòng)，函數發(fā)生器，鍵盤(pán)控制等，它們的價(jià)格也高低不等，這樣極大地滿(mǎn)足了開(kāi)發(fā)者的選擇自由。
　　
低電壓和低功耗
　　
隨著(zhù)超大規模集成電路的發(fā)展，NMOS 工藝單片機被CMOS代替，并開(kāi)始向HMOS 過(guò)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 又叫數字信號處理器。顧名思義，DSP 主要用于數字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復運算及大數據容量的信號處理?，F在已經(jīng)廣泛應用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫療設備等領(lǐng)域，常見(jiàn)的手機、數字電視和數碼相機都離不開(kāi)DSP。DSP 用于手機和基站中為移動(dòng)通信的發(fā)展做出重要貢獻，將在2. 5G和3G中扮演重要角色?？梢哉f(shuō)，DSP 已經(jīng)融入到生活的方方面面。
　　
DSP 相對于一般微處理器作了很大的擴充和增強，主要是:
　　
a) 修正的哈佛結構，多總線(xiàn)技術(shù)以及流水線(xiàn)結構。將程序與數據存儲器分開(kāi)，使用多總線(xiàn)，取指令和取數據同時(shí)進(jìn)行，以及流水線(xiàn)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。這是區別于一般微處理器的重要標志。一般微處理器用軟件實(shí)現乘法，逐條執行指令，速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運算，而且還具有專(zhuān)門(mén)的信號處理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS ，MACD 指令等。
　　
EDA 技術(shù)

當今電子系統的復雜性在不斷增加，而電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來(lái)越快，傳統的設計方法難以適應。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，ECAD 在某種程度上減輕了設計人員的工作壓力，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(zhù)數字系統和設計方法，設計過(guò)程和設計觀(guān)念。
　　
EDA(即Electronic Design Automation) 即電子設計自動(dòng)化，它是以計算機為工具，在EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語(yǔ)言HDL 完成的設計文件自動(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(xiàn)、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設計者只需用HDL 語(yǔ)言完成系統功能的描述，借助EDA 工具就可得到設計結果，將編譯后的代碼下載到目標芯片就可在硬件上實(shí)現。這里的目標芯片就是PLD 器件( FPGA/CPLD) 。FPGA/ CPLD 是EDA 技術(shù)的物質(zhì)基礎，這兩者是分不開(kāi)的?？梢哉f(shuō)沒(méi)有PLD 器件，EDA 技術(shù)就成為無(wú)源之水。
　　
EDA 技術(shù)作為一種現代電子系統開(kāi)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(guò)軟件編程對該硬件的結構和工作方式進(jìn)行重構，修改軟件程序就相當于改變了硬件，這是非常有用的。軟件可以使用自頂向下的設計方案，而且可以多個(gè)人分工并行工作，這些年來(lái)IP 核產(chǎn)業(yè)的崛起，將若干軟核結合起來(lái)就可以構成一個(gè)完整的系統，這一切極大地縮短了開(kāi)發(fā)周期和上市時(shí)間，有利于在激烈的市場(chǎng)競爭中搶占先機。
速度快，可靠性高
　　
MCU 和DSP 都是通過(guò)串行執行指令來(lái)實(shí)現特定功能，不可避免低速，而FPGA/ CPLD 則可實(shí)現硬件上的并行工作，在實(shí)時(shí)測控和高速應用領(lǐng)域前景廣闊;另一方面，FPGA/CPLD 器件在功能開(kāi)發(fā)上是軟件實(shí)現的，但物理機制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。而MCU 和DSP 芯片在強干擾條件下，尤其是強電磁干擾下，很可能越出正常的工作流程，出現PC 跑飛現象。EDA 高可靠性正好克服了它們這一先天不足。
　　
結束語(yǔ)
　　
單片機，DSP 和FPGA/ CPLD 各具特色，滿(mǎn)足了不同需要，已經(jīng)成為數字時(shí)代的核心動(dòng)力。為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，三者結合成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢。
　　
MCU 與DSP 的結合
　　
MCU 價(jià)格底，能很好地完成通信和智能控制的任務(wù)，但信號處理能力差。DSP 恰好相反。把兩者結合，能滿(mǎn)足同時(shí)需要智能控制和數字信號處理的場(chǎng)合，如蜂窩電話(huà)，無(wú)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)現寬帶信號處理，極大地提高信號處理速度。另外，FPGA可以進(jìn)行硬件重構，功能擴展或性能改善非常容易?？傊?，單片機，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，必須掌握從系統設計級、電路設計級到物理實(shí)現級整個(gè)過(guò)程分析設計能力，能熟練使用新器件，新的開(kāi)發(fā)工具，并不斷更新觀(guān)念，只有這樣，才能適應時(shí)代發(fā)展，才能把握現在，創(chuàng )造未來(lái)!