单片机、DSP、PLD/EDA的介绍、比较和分析

摘　要:当今,数字时代的核心动力便是单片机,DSP ,PLD/ EDA ,以其各自的特点满足了各种需要,推动着信息技术的快速发展。这里将对这三类电子产品分别加以介绍,并作比较和分析。 
关键词:单片机(Single - chip Microcomputer) ;数字信号处理(DSP) ;可编程逻辑器件( PLD) / 电子设计自动化( EDA) 

引言 

信息技术正在快速发展,其应用已经深入到各个领域各个方面。如今越来越多的电子产品向着智能化、微型化、低功耗方向发展,其中有的产品还需要实时控制和信号处理。电子系统的复杂性在不断增加,它迫切要求电子设计技术也有相应的变革和飞跃。使用纯SSI 数字电路设计系统工作量大, 灵活性低, 而且系统可靠性差。广泛使用单片机(MCU) 设计系统克服了纯SSI 数字电路系统许多不可逾越的困难,是一个具有里程碑意义的飞跃。而DSP 以其极强的信号处理功能赢得了广阔的市场,得到了广泛地应用。近年来,PLD 器件迅速发展,尤其是CPLD/ FPGA 向深亚微米领域进军,PLD 器件得到了广泛应用,以CPLD/ FPGA 为物质基础的EDA 技术诞生了。它具有电子技术高度智能化、自动化的特点,打破了软硬件最后的屏障,使得硬件设计如同软件设计一样简单。它作为一种创新技术正在改变着数字系统的设计方法、设计过程和设计观念。单片机,DSP ,PLD/ EDA 以其各自的特点满足了各种需要,正从各个领域各个层面改变着世界,它们已经成为数字时代的核心动力,推动着信息技术的快速发展。 

以下,我们将对单片机,DSP ,PLD/ EDA 分别加以介绍,并作比较和分析。 

单片机 

单片机是集成了CPU ,ROM ,RAM 和I/ O 口的微型计算机。它有很强的接口性能,非常适合于工业控制,因此又叫微控制器(MCU) 。它与通用处理器不同,它是以工业测控对象、环境、接口等特点出发,向着增强控制功能,提高工业环境下的可靠性、灵活方便地构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。所以,单片机有着自己的特点。 

品种齐全,型号多样

自从INTEL 推出51 系列单片机,许多公司对它做出改进,发展成为增强型51 系列,而且新的单片机类型也不断涌现。如MOTOROLA 和PHIL IPS 均有几十个系列,几百种产品。CPU 从8 ,16 ,32 到64 位,多采用RISC 技术,片上I/O 非常丰富,有的单片机集成有A/ D , “看门狗”,PWM ,显示驱动,函数发生器,键盘控制等,它们的价格也高低不等,这样极大地满足了开发者的选择自由。 

低电压和低功耗

随着超大规模集成电路的发展,NMOS 工艺单片机被CMOS代替,并开始向HMOS 过渡。供电电压由5V 降到3V ,2V 甚至到1V ,工作电流由mA 降至μA ,这在便携式产品中大有用武之地。 

DSP 芯片 

DSP 又叫数字信号处理器。顾名思义,DSP 主要用于数字信号处理领域,非常适合高密度,重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域,常见的手机、数字电视和数码相机都离不开DSP。DSP 用于手机和基站中为移动通信的发展做出重要贡献,将在2. 5G和3G中扮演重要角色。可以说,DSP 已经融入到生活的方方面面。 

DSP 相对于一般微处理器作了很大的扩充和增强,主要是: 

a) 修正的哈佛结构,多总线技术以及流水线结构。将程序与数据存储器分开,使用多总线,取指令和取数据同时进行,以及流水线技术,这使得速度有了较大的提高。 

b) 硬件乘法器以及特殊指令。这是区别于一般微处理器的重要标志。一般微处理器用软件实现乘法,逐条执行指令,速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算,而且还具有专门的信号处理指令,如TM320 系列的FIRS ,LMS ,MACD 指令等。 

EDA 技术 

当今电子系统的复杂性在不断增加,而电子产品的更新换代越来越快,传统的设计方法难以适应。随着计算机技术的发展,ECAD 在某种程度上减轻了设计人员的工作压力,但其智能化、自动化水平仍不尽人意。于是EDA 技术作为一种全新的技术诞生了。它正改变着数字系统和设计方法,设计过程和设计观念。 

EDA(即Electronic Design Automation) 即电子设计自动化,它是以计算机为工具,在EDA 软件平台上,对用硬件描述语言HDL 完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。设计者只需用HDL 语言完成系统功能的描述,借助EDA 工具就可得到设计结果,将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。这里的目标芯片就是PLD 器件( FPGA/CPLD) 。FPGA/ CPLD 是EDA 技术的物质基础,这两者是分不开的。可以说没有PLD 器件,EDA 技术就成为无源之水。 

EDA 技术作为一种现代电子系统开发方式,具有两方面特点。 

修改软件程序即可改变硬件

由于FPGA/ CPLD 可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构,修改软件程序就相当于改变了硬件,这是非常有用的。软件可以使用自顶向下的设计方案,而且可以多个人分工并行工作,这些年来IP 核产业的崛起,将若干软核结合起来就可以构成一个完整的系统,这一切极大地缩短了开发周期和上市时间,有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。 

速度快,可靠性高

MCU 和DSP 都是通过串行执行指令来实现特定功能,不可避免低速,而FPGA/ CPLD 则可实现硬件上的并行工作,在实时测控和高速应用领域前景广阔;另一方面,FPGA/CPLD 器件在功能开发上是软件实现的,但物理机制却和纯硬件电路一样,十分可靠。而MCU 和DSP 芯片在强干扰条件下,尤其是强电磁干扰下,很可能越出正常的工作流程,出现PC 跑飞现象。EDA 高可靠性正好克服了它们这一先天不足。 

结束语 

单片机,DSP 和FPGA/ CPLD 各具特色,满足了不同需要,已经成为数字时代的核心动力。为了充分发挥它们的优势,三者结合成为一个新的发展趋势。 

MCU 与DSP 的结合

MCU 价格底,能很好地完成通信和智能控制的任务,但信号处理能力差。DSP 恰好相反。把两者结合,能满足同时需要智能控制和数字信号处理的场合,如蜂窝电话,无绳网络产品等,这有利于减小体积,降低功耗和成本。 

DSP 和FPGA/ CPLD 的结合

由于FPGA/ CPLD 兼有串/ 并行工作方式,高速度和宽口径适用性等特点,将DSP 与FPGA 集成在一个芯片上,可实现宽带信号处理,极大地提高信号处理速度。另外,FPGA可以进行硬件重构,功能扩展或性能改善非常容易。总之,单片机,DSP , PLD/ EDA 极大地推动了信息技术的发展。要作为一名工程师,必须掌握从系统设计级、电路设计级到物理实现级整个过程分析设计能力,能熟练使用新器件,新的开发工具,并不断更新观念,只有这样,才能适应时代发展,才能把握现在,创造未来!