CPU、MCU、PLC、DSP、SOC、FPGA等之間的關系

它們之間的關系

CPU是最基本的存在，因為某些原因，在CPU的外部又包裹了部分附加功能，和CPU一起共同構成MCU、DSP、SOC等這些芯片，因此它們都是從CPU的基礎上擴展而來，基本關系我們可以理解為下圖。

至于說為什么MCU、DSP、SOC等芯片，會在CPU的基礎上內置功能擴展，其它的功能自然它們自己的目的和道理，后面會針對每個芯片做解釋。

9.2 CPU芯片

CPU的英文全稱為Central Processing Unit，直譯為“中央處理單元”或者中央處理器，不管什么類型的計算機都必須要包含CPU，因為CPU中的運算器和控制器是整個計算機工作的腦中樞。

9.2.1 在什么情況下，CPU為獨立芯片

當我們需要極高性能的CPU時，就必須把CPU單獨做成一個芯片，因為單位面積的門電路數量是有限的，因此如果像MCU、DSP、SOC一樣，將CPU和很多其它的內置擴展都集成在一起時，當芯片體積都差不多的情況下，單獨CPU芯片所含門電路數量一定高于MCU、DSP、SOC的內置CPU所含門電路數量，因此才會單獨的將CPU集成為一個獨立芯片。而且給獨立的CPU芯片做功能擴展時會更加的靈活。

9.2.2 哪些計算機使用單獨成片的CPU

現在像個人電腦和服務器這一類的計算機，其計算能力的要求是較高的，因此目前個人電腦和服務器的CPU都是獨立芯片，我們都知道個人電腦和服務器的的芯片使用Intel的X86(全稱80x86)系列的居多，所以intel的用于個人電腦和服務器的CPU基本都獨立芯片的。

9.2.3 使用CPU獨立芯片的會使得計算機體積較大，不適合便攜式設備

如果CPU是獨立心芯片的話，很多CPU的擴展功能需要通過外置擴展的方式實現，所以這就會導致個人電腦和服務器這一類的計算機體積較大。目前便攜式計算機設備越來越多，比如手機、數碼相機、平板等這一類的計算機設備，為了能夠方便的攜帶，對于體積要求較高，因此為了將體積減小，就將很多原本很占體積的CPU的外部擴展，直接和CPU集成為了一個很小的芯片，也就是我們前面提到的MCU、PLC、DSP、SOC等芯片，但是這樣做的代價就是芯片的中內置CPU的計算能力下降了，但是對于很多移動計算機設備來說，并不需要像個人電腦或者服務器一樣的計算能力，只要能夠打電話、看電視頻、聽音樂、玩手游（無法玩pc才能玩的大型游戲）等等即可。

9.3 MCU芯片

9.3.1 MCU名詞

MCU的英文全稱為Microcontroller Unit，直譯為“微控制單元”，又被稱為Single Chip Microcomputer ，直譯為“單片微型計算機”，簡稱單片機，最簡單的理解就是一個芯片就是一個微型計算機。

9.3.1 CPU芯片和MCU芯片的區別

從上圖就能大致的看出，CPU與MCU的區別，但如果說想詳細的了解MCU具體情況的話，這樣簡單的對比還不夠。

9.3.2 PC的結構

為了弄清楚MCU，需要先從PC機的內部結構開始講起，然后通過對比來引出MCU。

（1）對于PC等計算性能較高的計算機，它們各個組成部分是分離的，因為PC的計算能力要求很高，所以PC的CPU處理能力很強，而且是獨立芯 片，內存和外存的容量非常的大。

（2）不管是那種計算機，都必須包含CPU、三大總線（地址/數據/控制）、外設IO接口、內存和外存，其中內存和外存是必須包含的外部設備， 因為必須要有存儲設備用于存儲程序和數據。

（3）像什么聲卡和喇叭，顯卡和顯示器，網卡和網線等其它外部設備等，不同的計算機根據用途不同會有所不同。

9.3.3 MCU

（1）很多電子設備對于計算能力要求較低，但是體積要求很高

PC等大型計算機為了擁有較高的計算能力，各個組成部分是分離組建的，獲得了計算能力但是犧牲了體積。但是對于像電動玩具、家電控制器等這類小型電子設備而言，不需要什么計算能力而更在乎體積，所以才有了MCU（單片機）的出現，MCU是芯片級的計算機。

（2）MCU與PC的異同

1）相同點：都必須包含的CPU、三大總線（地址/數據/控制）、IO接口、內存和外存這些核心的東西。

1）不同點

（a）單片機會將CPU、三大總線（地址/數據/控制）、IO接口、內存和外存集成到一起，PC是分離的

（b）單片機為了自己特有目的，內部還會集成比如串口、定時器、AD/DA等外部設備。

串口、SPI、12C這三種外設是MCU常見的三種串行通信方式，如果你對串口、SPI、I2C感興趣，情感后續的單片機課程。

（3）MCU特點

1）單片機芯片不能直接工作，必須為其設計外部電路（最起碼供電電路），并且燒錄程序，才能工作。

2）MCU的優缺點

（a）優點：體積小，價格便宜，單個芯片就是一個微小的計算機，使用方便

（b）缺點：因為體積小，所以MCU的CPU、內存和外存相對于PC的來說，肯定差了很多，犧牲計算能力換來了體積優勢。

3）應用

對于很多簡單應用，比如玩具、家電(電飯煲)等對于計算能力要求很低的小型計算機設備來說，MCU的計算功能已經足夠，關鍵是便宜，對于成本控制很敏感的產品來說，價格這一點顯得突出。

（4）MCU總結

所以MCU就是將CPU、三大總線（地址/數據/控制）、IO、內存、外存、以及某些專用外不是被集成為一體的芯片，這就是MCU，一片一機。

（5）為什么現在MCU使用的這么多

因為你拿到cpu后，盡管單獨CPU的計算能力很強，但是你還要為CPU設計大量的外部設備，開發難度直接上了一個等級，對于很多不需要太強計算能力的場合不合適，使用計算能力很強的獨立芯片的CPU，簡直就是殺雞用牛刀，關鍵是你拿到后還需要為其設計復雜的電路，以便為擴展很多需要的最起碼的外設(內存等)，設計成本很高。

但是MCU芯片一次性就把就算計需要基本東西全部集成到一起，你拿到后開發難度直線下降，因此對于功能要求不高，成本控制嚴格的場合，顯然使用單片機開發是必然的選擇。

（6）MCU的分類

1）低中段

低端單片機比如8051，中端單片機比如stm32，低中端主要用于家電、玩具等成本低，計算能力要求不高電子設備。

2）高端

ARM中A系列(Cortex-A8，Cortex-A89等)的芯片典型的就是高端MCU，主要用于消費類電子，比如手機、平板、數碼相機。

（7）現在常說的單片機，默認指低中端單片機

一般來說，我們說單片機時，默認指的是低中端的MCU，一般不會稱呼高端MCU為單片機，而是直接使用它們的型號名稱來稱呼，比如ARM的Cortex-A7, Cortex-A8, Cortex-A9，Cortex-A15等。

（8）嵌入式開發與MCU

嵌入式開發所涉及的就MCU這類的計算機芯片，低端到高端都有，MCU的種類很多，這里不在贅述，因為在后面的單片機課程中，會詳細講。

對于真正嵌入式開發者，必須具備低中高端MCU的使用能力，希望學習嵌入式的同學，請看后面的技術課程。

9.4 PLC

PLC，英文全程為Programmable Logic Controller，直譯為“可編程邏輯控制器”，直白理解就是可以編程控制的控制設備，是專門用在工業環境下電子控制設備，從“電子控制設備”這個詞就能看出，事實上PLC并不是一個芯片，而是一個設備。

那么PLC到底是怎么出現的呢？需要先從使用MCU設計工控設備的缺點開始說起。

9.4.1 直接使用MCU設計工業控制設備的缺點

前面講MCU時就說過，是可以使用MCU來設計工業控制用的設備的，購買到MCU芯片后，可以從頭到尾設計出某功能的工控設備，但是這樣做的問題很難多，這些問題導致成本高、風險大，問題有，

（1）問題1：周期長

從頭到尾設計，你就必須設計電路原理圖，繪制pcb板，元器件焊接，編寫和調試程序，產品發布后還有測試周期，所以做工控設備的公司直接使用MCU從頭開始設計的，開發周期實在是太久。

（2）問題2：設計難度大，穩定性不高

很多工控研發公司不是專業的MCU開發公司，所以MCU開發技術不成熟，加之工業設備運行環境復雜，比如高電壓，高粉塵，高振動，高輻射等，對于設備的穩定程度需求很高，MCU開發經驗不足的公司，很難開發出穩定性高工控設備。

（3）問題3：成本高

由于第一個和第二個原因，如果直接使用MCU從零開發的話，成本非常高，關鍵是還開發不出好的設備。

9.4.2 PLC的出現

（1）PLC是如何解決上述問題的

經驗豐富的專業的、對工業控制設備非常熟悉的MCU設計者站了出來，設計了一款穩定性極高的、功能可圖形化編程的、具備基礎功能的半成品的MCU工控設備，其他人拿到這個穩定成熟的半成品設備后，非常容易的就能擴展出自己特有的工控設備。

（2）PLC這種半成品工控設備的優點

前面就說過，PLC并不是一個芯片，PLC只是使用MCU芯片設計的半成品的電子工控設備，關鍵是可以使用這個設備進行功能擴展，擴展的方式就是插接各種的電路線，PLC的實物圖如下

日本三菱的PLC設備

使用PLC設計工控具有如下優點：

1）無需從零開發：也就是說別人已經將所有最核心的設備硬件做好了，幫你把最難最復雜的部分實現好

2）硬件上擴展簡單易行：硬件的擴展很容易，直接通過“功能擴展接線螺絲”連接外部控制設備，就可以進行擴展了。

3）編程容易：PLC在設計時，已將底層的各種功能的程序代碼，轉成了各種直觀的圖形符號(梯形圖)，直接通過這些梯形圖的繪制就可以編程了， 會有相應的軟件將梯形圖轉變為最終需要執行的MCU計算機指令。

梯形圖

4）穩定程度高：由于是由專門為工控量身設計，具有很強的穩定性，足以應對工業上的各種復雜情況。

9.5 Soc芯片

其實很多人對于SOC芯片的理解都是錯誤的，那么也是通過這一小節的講解，希望大家能夠搞清楚什么是SOC。

SoC的英文全稱System-on-a-chip，直譯為“片上系統”，直接從名字理解什么是SoC有些困難，但是如果直接講什么是SOC芯片的話，也很難闡述清楚。

事實上，SOC與MCU是有著很大的關系，所以如果不能說清楚二者的關系的話，也就無法搞清楚SOC的，需要先從從MCU說起。

9.5.1 先說說MCU

（1）其實MCU芯片是通用計算機芯片

所謂“通用”就是滿足很多方向的應用，既能用于家電，也能工業、交通等很多方向。

（2）MCU如何滿足通用開發需求

為了滿足不同公司，不同應用方向開發需求，MCU必須滿足哪兩個兩點：

1）程序由開發公司自主編寫

因為公司有自己特有的需求，因此希望能夠開發自己的特有程序，所以MCU的程序由開發公司自主編寫。

2）MCU芯片中會集成各種常見的外設

為主要是了滿足各個公司在不同方向上的開發需求，比如有些公司需要使用定時器，有些公司需要使用串口，有些需要使用網卡，需求各不相同，MCU為了都滿足大家的需求，MCU會將各種常見外設（定時器、串口、SPI、I2C、網卡）都集成在了芯片中，用戶拿去后選擇性使用自己需要的外設，不需要的你不用就是。

（3）使用MCU所面臨的問題

1）MCU的價格相對較貴的

說的是相對較貴，如果跟使用獨立CPU芯片進行開發相比的話，MCU無疑非常便宜的，就人來說的話，欲望是無止盡，便宜了還希望更便宜。

人們認為MCU在某些特殊的情況下，成本還有很大下降空間，事實確實如此，才從通用MCU中脫胎出了更便宜的SoC芯片。

2）為什們說MCU的還有進行成本下降的空間呢？

發現很多產品是專門針對某個用途，專門針對某個用途時，有如下兩個特點，

（a）該用途只用其中某兩個外設

比如只用到網卡，或者串口，其它外設都是多余的，但是既然買的是通用MCU，就算有些外設你不用，但是你同樣要買單，事實上這些不用的外設就可以拆掉以節省成本。

（b）開發的程序多是雷同的

很多公司都生產該用途的產品，購買MCU開發時，每家公司都要各自開發實際上大致相同的程序，各家公司都在花相同的錢開發相同功能的程序，反正程序都是雷同的，只要有一個人把程序開發好，其它公司不是就不用在為開發程序花簽了嗎。

9.5.2 SOC解決上述面臨的問題

（1）SoC的是怎么節省成本的

MCU芯片生產廠家發現了以上描述的情況后，就想到了為MCU芯片使用者節省成本的方法，

（a）將MCU中不需要用到外部設備裁剪掉，比如我只需要網卡，那么我就只留下網卡，為購買MCU的公司節省了成本

（b）MCU生產廠家直接將程序固化在芯片內，購買到MCU的公司就不用自己寫程序了，也節省了成本。

通過以上兩步做出的專門針對某用途的特有MCU芯片，這個特有的MCU就是SOC芯片。

（2）芯片廠家出SOC芯片的條件

1）芯片廠家設計出SOC芯片替被人省了錢，芯片廠家自己不久虧了嗎？

芯片廠家自然是不會干虧本的買賣，生產SOC的前提是，專門針對某用途的SOC的使用量非常巨大，在量非常巨大的情況下，做

出SOC，既能給使用者省成本，SOC芯片廠家自己也不虧，不虧的原因有兩點，

（a）SoC能省成本，自然非常受用戶的歡迎，用戶也就更加依賴上了SOC，有助于建立更深的合作關系。

（b）使用SoC的一定都是大批量的，薄利多銷，對于芯片廠家來說，不僅沒有因為降低SoC的成本而虧錢，反而掙了錢。

2）芯片廠家出SOC芯片的先決條件就是，要求使用量大

只有當專門針對某用途的產品量非常巨大時，芯片廠家才會為其出SOC芯片，在巨大的量的支持下，芯片廠家和芯片使用公司才有可能雙贏，如果沒有量的支持，是不可能為其出SOC芯片的。

對于量小的產品，各家公司只能老老實實的購買MCU芯片開發，因為廠家不可能虧本做出讓別人節省成本的SOC芯片。

（3）總結：什么是SoC

1）一句話理解SOC

soc相當于是擁有特定用途的，為了節省成本而在出廠時固化了代碼、且只集成專用外設、而且使用量非常巨大的特殊MCU。

2）如何理解SoC這個名字

System-on-a-chip，直譯“片上系統”，往往具有一定完備性的事物才稱為系統。

SoC芯片的硬件是根據需求專門設計的，而且還給它固化了代碼，因此相對來說，SOC可以算得上是一個硬軟都不缺的完備系統，因此才被稱片上系統，即一個芯片可算作是一個相對完整的系統。

當然，拿到SOC芯片后，肯定是要為其設計外部電路的。

（4）Soc芯片舉例1）例子1：WIFI芯片

   樂鑫公司的ESP8266 串口WIFI芯片 

ESP8266是專門用于WIFI無線通信的SoC芯片，使用這個芯片可以設計出很多無線WIFI通信模塊，比如很多單片機是不能WIFI無線上網，

但是通過連接擁有SOC芯片的無線WFIF通信模塊后，就可以無線WIFI上網了，因為這個芯片的需求量非常大，因此樂鑫公司把它做成了SOC。

2）例子2：顯卡、聲卡芯片

其實電腦中的顯卡芯片、聲卡芯片就是典型soc芯片，顯卡芯片專門用于視頻的編解碼，聲卡專門用于音頻編解碼，用途很專一，由于這類芯片的使用量很大，因此為了節省成本，也被做成了SoC，編解碼程序被直接固化在了芯片中。

9.6 DSP芯片

DSP的英文全稱為Digital Signal Process，即數字信號處理，DSP芯片即指能夠實現數字信號處理的芯片，直接看名字的話不好理解，要弄清楚為什么需要DSP芯片，需要先從CPU處理大批量浮點數的乘法、除法運算說起。

9.6.1 CPU處理大批量浮點數的乘法和除法時，面臨問題

（1）非常耗費CPU的運算資源

耗費cpu運算資源有三方面的原因，

1）數據量大：數據來那個大，自然就需要花費更多的時間處理

2）浮點數：相比整數，浮點數(小數)的數據結構復雜，處理更費勁

3）乘法、除法：相比加法和減法來說，加法器在做乘法和除法運算時會花費更久的時間。

（2）因為耗費CPU預算資源，CPU會被纏著不放

像音視頻數據的編解碼，又或者大型游戲的3D渲染這一類，典型就涉及大批量浮點數的乘法和除法運算，因此

1）數據量大

2）乘法、除法運算多

3）浮點數非常多

如果非要讓CPU處理的話，cpu會一直耗在這些數據的處理上，CPU沒空去處理電腦的其它事情，比如發現你的電腦非常的卡，當鍵盤敲入數據沒反映，那是因為CPu還沒有忙過來呢，暫時沒空處理鍵盤輸入的事情。

（3）CPU是有處理大批量浮點數乘法、除法運算的能力，但是CPU有更加重要的工作

因為cpu作為整個計算機的主控中心，需要負責整個計算機大局上各部件、各種程序的正常運轉，不是只有進行大量數據運算這一項工作要做，因此如果cpu一直被大量數據的運算纏著不放肯定是不行的。

9.6.2 DSP，以CPU的協作者的身份出現

（1）DSP職能：專門進行大量數據運算的芯片

DSP作為cpu的助手芯片，DSP專門用于應對涉及乘法、除法的大量浮點數的運算，一旦當cpu檢測需要進行大量數據的乘法和除法運算時，就會將這些煩人的工作交給DSP，DSP會負責處理后，cpu脫身后會投入到指揮整個計算機的工作中。

（2）CPU和DSP

1）通過比喻理解CPU和DSP的關系

好比一個領導，領導能做的事情很多，自然包括文案處理，文案工作少的話都無所謂，領導兼職完成就行了，當然領導如果專門從事文案工作的話，也是文案的行家里手，但問題是，對于領導最重要的工作不是文案處理，而是指揮全局，當文案工作堆積如山的時候，如果領導還把大量的精力花在文案處理上的話，就沒人指揮大局了，這個時候就需要為領導安排一位專門處理文案秘書，由秘書接替領導繁雜的文案工作，讓領導能夠全身心地進入到大局的統籌安排中。

這個例子中，CPU就是領導，DSP就是秘書。

2）CPU和DSP芯片所處理的數據，各自的特點

（a）CPU處理的數據

cpu處理的數據基本都是控制類數據，所謂控制類數據，就是告訴這里開、那里關等的發號施令的數據，這些數據的特點就是，

· 數據的量較小

· 除法和乘法運算少

· 處理的浮點數少

（b）DSP處理的數據

· 處理的數據量非常大

· 而且除法和乘法運算多

· 處理的基本都是浮點數

所以DSP專門用于處理大量浮點數的乘法和除法運算，主要就是為了解放CPU。

3）DSP和CPU相互配合的方式

（a）主從關系

CPU芯片、或者集成有CPU的芯片是主芯片，DSP是從芯片，也就是說DSP聽命于CPU的指揮，CPU給DSP劃分任務，讓其進行大量 數據的運算。

（b）CPU和DSP可以集成在一起，也可以是獨立的兩個芯片

目前很多情況是，DSP和CPU被集成在了一起，網絡攝像頭所使用的就是這樣的處理芯片，在專門提供這類芯片的公司中，華為海 思、安霸、TI是最好的三家。

9.7 FPGA芯片

通過前面學習的這張圖片知道，各類芯片（CPU、MCU、DSP、SOC）都是由各種門電路的組合而成，FPGA芯片也不例外。

9.7.1 一般的計算機芯片（CPU、MCU、DSP）

可以將一般的計算機芯片（比如CPU）表示成為下面這樣，

傳統的計算機芯片，或者說一般的計算機芯片，比如前面提到的CPU、MCU、SOC、DSP等，這些芯片在出廠時，內部門電路之間的連接關系是早已經固定死了，這一類芯片尤其自身的優點和缺點。

（a）優點

所有設備的計算機芯片都是一樣的，功能靈活性很高，因為只要執行不同的程序實現的，計算機芯片就可以體現不同的功能（工作邏輯），因此基本所有的計算機都采用這種傳統的，出廠時內部門電路連接就已經設計好的方式實現。

（b）缺點

使用該芯片做成產品后，必須要有相應的程序指令指揮其工作，工作的步驟必須一條指令一條指令的來，比如有5條指令，這5條指令只能由硬件一步一步的執行，不能一次被硬件全部同時執行。這里不少同學就要說了，不是還有多核CPU，就算是多核CPU，并發也是有限的，給你30條指令全部有硬件一次執行完，多核也很難做到一次將30條指令全部運行完畢，因為你總不至于30個核吧。

9.7.2 FPGA的出現

（1）FPGA名字理解

由于上面的傳統計算機芯片并發運行存在缺陷，后來人們就搞出了一個叫做FPGA的東西，FPGA的英文全稱為Field－Programmable Gate Array，直譯為“現場可編程邏輯門陣列”，如何理解這個詞呢，這個詞包含如下幾層含義，只要理解了這幾層含義，也就理解了什么叫“現場可編程邏輯門陣列”。

1）門陣列

這個芯片內部包含大量的邏輯門（與門、非門等等），這些邏輯門在一起組成一個一個的陣列，所以叫門陣列。

2）可編程

這些“邏輯門”在出廠時沒有固定死的連接在一起，芯片是半成品，可以按照自己的需求通過硬件編程語言，把這些門電路按照自己的獨特需求進行連接，像搭積木似的進行按需組合。

由于編程修改的是芯片內的門電路組合關系，也就是硬件組合關系，因此FPGA的編程也稱為硬件編程。

3）現場

芯片內部門電路結構可以隨時根據需求重新組合。

（2）FPGA的優點

1）優點1

可以根據自己的需求，設計芯片的功能，完全做到硬件上同時執行很多功能，執行時間縮短了，所以效率很高

比如采用傳統的是計算機芯片需要執行5條指令，也就是說需要5個順序步驟才能完成。但是在FPGA這邊，根據需求重新組合門電路后，分別同時的執行這5條指令時，在FPGA里面不稱為指令而是功能，這5個功能可以由5個功能區同時執行，所以真正的做到了硬件上的并發。

2）優點2

門電路組合被硬件語言程序安排好后，硬件功能就固定好了，上電即可運行，不再需要什么匯編、c語言來再寫指揮工作的程序。

（3）FPGA的缺點

1）FPGA很貴

2）相對來說，開發難度大

（4）FPGA的硬件編程與我們常說的普通編程的區別

1）FPGA

FPGA的硬件編程使用的語言叫做HDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language），簡稱硬件描述語言，該語言編寫的程序可以直接修改FPGA芯片內部的門電路組成結構，也就是修改內部的硬件結構，所以該語言才稱為硬件編程語言。

2）普通的編程：比如匯編、c、c++、java等等，這一類語言寫的程序只是告訴硬件按照某個步驟工作，但是硬件內部的組成機構是固定的。

（5）FPGA應用場合

對于效率要求非常高，特別是在高頻信號處理方面（信號發生器），高到了普通的計算機芯片無法滿足的程度，需要硬件上完全并發執行各種功能才能到達時，就必須使用FPGA。

9.8 為什么弄清CPU、MCU、PLC、DSP、SOC、FPGA的區別

（1）知道方案選擇

如果說這些芯片之間的區別搞不清楚的話，會在項目方案的選擇上不知所措，因為不同的項目要求，對于產品開發周期，難易度，成本要求，穩定程度都有不同的，因此需要選擇不同特性的芯片實現項目的開發，那么你就需要對這些芯片要有所了解。

（2）通過對比加深理解

希望通過對這些芯片內部結構的對比介紹，可以加深大家對于每個芯片的認識。

作者：佳嵌工作室

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