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(yīng)用已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域各個方面。如今越來越多的電子產(chǎn)品向著智能化、微型化、低功耗方向發(fā)展，其中有的產(chǎn)品還需要實時控制和信號處理。電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加，它迫切要求電子設(shè)計技術(shù)也有相應(yīng)的變革和飛躍。使用純SSI 數(shù)字電路設(shè)計系統(tǒng)工作量大， 靈活性低， 而且系統(tǒng)可靠性差。廣泛使用單片機(MCU) 設(shè)計系統(tǒng)克服了純SSI 數(shù)字電路系統(tǒng)許多不可逾越的困難，是一個具有里程碑意義的飛躍。而DSP 以其極強的信號處理功能贏得了廣闊的市場，得到了廣泛地應(yīng)用。近年來，PLD 器件迅速發(fā)展，尤其是CPLD/ FPGA 向深亞微米領(lǐng)域進軍，PLD 器件得到了廣泛應(yīng)用，以CPLD/ FPGA 為物質(zhì)基礎(chǔ)的EDA 技術(shù)誕生了。它具有電子技術(shù)高度智能化、自動化的特點，打破了軟硬件最后的屏障，使得硬件設(shè)計如同軟件設(shè)計一樣簡單。它作為一種創(chuàng)新技術(shù)正在改變著數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法、設(shè)計過程和設(shè)計觀念。單片機，DSP ，PLD/ EDA 以其各自的特點滿足了各種需要，正從各個領(lǐng)域各個層面改變著世界，它們已經(jīng)成為數(shù)字時代的核心動力，推動著信息技術(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、接口等特點出發(fā)，向著增強控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便地構(gòu)成應(yīng)用計算機系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。所以，單片機有著自己的特點。
　　
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，發(fā)展成為增強型51 系列，而且新的單片機類型也不斷涌現(xiàn)。如MOTOROLA 和PHIL IPS 均有幾十個系列，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 ， “看門狗”，PWM ，顯示驅(qū)動，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等，它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。
　　
低電壓和低功耗
　　
隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，NMOS 工藝單片機被CMOS代替，并開始向HMOS 過渡。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(shù)字信號處理器。顧名思義，DSP 主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)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(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，常見的手機、數(shù)字電視和數(shù)碼相機都離不開DSP。DSP 用于手機和基站中為移動通信的發(fā)展做出重要貢獻，將在2. 5G和3G中扮演重要角色。可以說，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(jié)構(gòu)，多總線技術(shù)以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲器分開，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時進行，以及流水線技術(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(qū)別于一般微處理器的重要標志。一般微處理器用軟件實現(xiàn)乘法，逐條執(zhí)行指令，速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運算，而且還具有專門的信號處理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS ，MACD 指令等。
　　
EDA 技術(shù)

當(dāng)今電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加，而電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，傳統(tǒng)的設(shè)計方法難以適應(yīng)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，ECAD 在某種程度上減輕了設(shè)計人員的工作壓力，但其智能化、自動化水平仍不盡人意。于是EDA 技術(shù)作為一種全新的技術(shù)誕生了。它正改變著數(shù)字系統(tǒng)和設(shè)計方法，設(shè)計過程和設(shè)計觀念。
　　
EDA(即Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計自動化，它是以計算機為工具，在EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言HDL 完成的設(shè)計文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計者只需用HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述，借助EDA 工具就可得到設(shè)計結(jié)果，將編譯后的代碼下載到目標芯片就可在硬件上實現(xiàn)。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(chǔ)，這兩者是分不開的。可以說沒有PLD 器件，EDA 技術(shù)就成為無源之水。
　　
EDA 技術(shù)作為一種現(xiàn)代電子系統(tǒng)開發(fā)方式，具有兩方面特點。
　　
修改軟件程序即可改變硬件　

由于FPGA/ CPLD 可以通過軟件編程對該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，修改軟件程序就相當(dāng)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(shè)計方案，而且可以多個人分工并行工作，這些年來IP 核產(chǎn)業(yè)的崛起，將若干軟核結(jié)合起來就可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，這一切極大地縮短了開發(fā)周期和上市時間，有利于在激烈的市場競爭中搶占先機。
速度快，可靠性高
　　
MCU 和DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而FPGA/ CPLD 則可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊;另一方面，F(xiàn)PGA/CPLD 器件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)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(xiàn)PC 跑飛現(xiàn)象。EDA 高可靠性正好克服了它們這一先天不足。
　　
結(jié)束語
　　
單片機，DSP 和FPGA/ CPLD 各具特色，滿足了不同需要，已經(jīng)成為數(shù)字時代的核心動力。為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，三者結(jié)合成為一個新的發(fā)展趨勢。
　　
MCU 與DSP 的結(jié)合
　　
MCU 價格底，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(jié)合，能滿足同時需要智能控制和數(shù)字信號處理的場合，如蜂窩電話，無繩網(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(jié)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，將DSP 與FPGA 集成在一個芯片上，可實現(xiàn)寬帶信號處理，極大地提高信號處理速度。另外，F(xiàn)PGA可以進行硬件重構(gòu)，功能擴展或性能改善非常容易?？傊瑔纹瑱C，DSP ， PLD/ EDA 極大地推動了信息技術(shù)的發(fā)展。要作為一名工程師，必須掌握從系統(tǒng)設(shè)計級、電路設(shè)計級到物理實現(xiàn)級整個過程分析設(shè)計能力，能熟練使用新器件，新的開發(fā)工具，并不斷更新觀念，只有這樣，才能適應(yīng)時代發(fā)展，才能把握現(xiàn)在，創(chuàng)造未來!