科普丨CPU、MCU、MPU、DSP、FPGA各是什么？有什么區(qū)別？

1、CPU

中央處理器，簡(jiǎn)稱 CPU（Central Processing Unit），中央處理器主要包括兩個(gè)部分，即控制器、運(yùn)算器，其中還包括高速緩沖存儲(chǔ)器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制的總線。電子計(jì)算機(jī)三大核心部件就是CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備。中央處理器的功效主要為處理指令、執(zhí)行操作、控制時(shí)間、處理數(shù)據(jù)。[1]

CPU歷史發(fā)展：

Intel于1971年發(fā)售了自己的第一款4位微處理器，設(shè)計(jì)與ROM 4001，RAM 4002和移位寄存器4003配合工作。其中4004自身負(fù)責(zé)運(yùn)算，其它部分則是使CPU正常工作的重要組成。大部分4004被用于計(jì)算器和其它類似的設(shè)備，而不是用在計(jì)算機(jī)中。它的最大頻率只有740KHz。

4004使得Intel成為了一家微處理器公司，為了適應(yīng)潮流，Intel發(fā)布了新的8位處理器系列。8008，8080和8085分別于1972年，1974年和1975年發(fā)布。

8086：X86的起點(diǎn)（1978）

Intel的第一款16微處理器，相比于8080大有提升。不僅頻率更高，而且16位總線和其它附加硬件允許8086同時(shí)執(zhí)行兩條8位指令。它也能執(zhí)行更高效的16位任務(wù)，但此時(shí)大多數(shù)軟件是8位軟件，所以支持16位在多任務(wù)能力面前顯得不那么重要。地址總線則擴(kuò)展到了20位，使得8086可以存取1MB的內(nèi)存，因而提高了性能。

80386：X86的32位開(kāi)端（1986）

Intel的第一款32位X86處理器是80386，于1985年發(fā)布。其中最關(guān)鍵的特性就是采用了32位地址總線最大支持4GB內(nèi)存，盡管這個(gè)數(shù)字比當(dāng)時(shí)大多數(shù)人用的要大得多，但RAM的限制損害了早先X86處理器和它的競(jìng)品的性能。與現(xiàn)代CPU不同的是，在80386時(shí)代，更多的RAM能夠直接轉(zhuǎn)化為性能的提升。Intel同時(shí)采用了一些架構(gòu)改進(jìn)來(lái)提升相同RAM大小的性能表現(xiàn)。

最初的Pentium（奔騰）（1993）

最初的Pentium CPU在1993年發(fā)布，但沒(méi)有沿用80X86的命名方式。Pentium采用了P5架構(gòu)，這是Intel在X86 CPU首次采用超標(biāo)量技術(shù)（注：這與我們現(xiàn)在常提到的超線程技術(shù)不同），盡管全面超越了80486，但最突出的進(jìn)步是改進(jìn)了FPU。

Westmere：核顯的開(kāi)端（2010）

Intel使用32nm工藝重做了Nehalem并命名為Westmere，它的底層架構(gòu)沒(méi)有太多變化，但是通過(guò)制程帶來(lái)的進(jìn)步，Intel可以在CPU中塞下更多的東西，Westere堆至10核心以及多達(dá)30MB的三級(jí)緩存。

Broadwell（2014）

Intel的下一代架構(gòu)的核心代號(hào)為Broadwell，采用14nm制程，為移動(dòng)端而設(shè)計(jì)，于2014年發(fā)布。首個(gè)Broadwell產(chǎn)品是Core M，雙核超線程CPU，TDP僅有3-6W

但是在桌面市場(chǎng)，幾乎難見(jiàn)Broadwell的身影，僅在2015年中期發(fā)布寥寥幾款產(chǎn)品，但集成了Intel史上最強(qiáng)核顯，包括48組EU單元，128MB L4 eDRAM緩存，解決了核顯的帶寬問(wèn)題，在游戲性能的測(cè)試中，表現(xiàn)優(yōu)于AMD最快的APU

Skylake（2015）

在Broadwell桌面端發(fā)布后不久，Intel發(fā)布了下一代產(chǎn)品Skylake架構(gòu)，盡管這是Intel至今最強(qiáng)的CPU，不過(guò)平臺(tái)的變化可以說(shuō)比CPU本身更重要。[2]

2、MCU

MCU(MicroControllerUnit)中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計(jì)算機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。

MCU按其存儲(chǔ)器類型可分為MASK(掩模)ROM、OTP(一次性可編程)ROM、FLASHROM等類型。MASKROM的MCU價(jià)格便宜，但程序在出廠時(shí)已經(jīng)固化，適合程序固定不變的應(yīng)用場(chǎng)合；FALSHROM的MCU程序可以反復(fù)擦寫(xiě)，靈活性很強(qiáng)，但價(jià)格較高，適合對(duì)價(jià)格不敏感的應(yīng)用場(chǎng)合或做開(kāi)發(fā)用途；OTPROM的MCU價(jià)格介于前兩者之間，同時(shí)又擁有一次性可編程能力，適合既要求一定靈活性，又要求低成本的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。[3]

3. MPU

微處理器單元(Micro Processor Unit， MPU)，就是把很多 CPU 集成在一起并行處理數(shù)據(jù)的芯片。通俗來(lái)說(shuō)，MCU 集成了 RAM，ROM 等設(shè)備;MPU 則不集成這些設(shè)備，是高度集成的通用結(jié)構(gòu)的中央處理器矩陣，也可以認(rèn)為是去除了集成外設(shè)的 MCU。

4、DSP

DSP(DigitalSignalProcessing)，數(shù)字信號(hào)處理，簡(jiǎn)稱DSP。DSP是用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工的理論和技術(shù)。另外DSP也是DigitalSignalProcessor的簡(jiǎn)稱，即數(shù)字信號(hào)處理器，它是集成專用計(jì)算機(jī)的一種芯片，只有一枚硬幣那么大。

5、FPGA

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

FPGA做得好的廠商：Altera((阿爾特拉)被Intel收購(gòu))、Xilinx(賽靈思)、Actel、Lattice(萊迪思)、Atmel、京微雅格、QuickLogic、Microsemi、Cypress、TI、上海復(fù)旦微、廣東高云、同方國(guó)芯、西安智多晶、中國(guó)電子、成都華微、深圳國(guó)微、遨格芯等等。

CPU、MCU、MPU、DSP、FPGA的比較

CPU(Central Processing Unit，中央處理器)發(fā)展出來(lái)三個(gè)分枝，一個(gè)是DSP(Digital Signal Processing/Processor，數(shù)字信號(hào)處理)，另外兩個(gè)是MCU(Micro Control Unit，微控制器單元)和MPU(Micro Processor Unit，微處理器單元)。

MCU：大都在結(jié)構(gòu)上是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器）、一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，還有用來(lái)與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/輸出端口——所有這些都被集成在單個(gè)集成電路芯片上。指令集上早期的MCU是采用CISC的，后面被RISC取代。在總線位數(shù)上，MCU覆蓋了4位、8位、16位、32位，應(yīng)用十分廣泛。

DSP：結(jié)構(gòu)上它采用哈佛結(jié)構(gòu)，同樣采用流水線技術(shù)。此外，DSP被用于宿主環(huán)境時(shí)可作為直接內(nèi)存存取設(shè)備運(yùn)作，還支持從模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）獲得數(shù)據(jù)，最終輸出的是由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)，支持一定的并行處理。

FPGA：FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（LogicCellArray）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（ConfigurableLogicBlock）、輸出輸入模塊IOB（InputOutputBlock）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改。FPGA有別于DSP、ARM、MCU的地方主要在于它的并行處理能力，它的強(qiáng)大并行性使復(fù)雜的運(yùn)算得到極大的速度比提升。[4]

參考

• CPU是什么 https://product.pconline.com.cn/itbk/diy/cpu/1111/2578852.html
• 張凌 電腦CPU的發(fā)展史 https://www.cnblogs.com/zhugeanran/p/8653454.html
• http://www.eepw.com.cn/article/201809/391547.htm
• https://www.bilibili.com/read/cv8314720