ARM

ARM處理器是Acorn計算機有限公司面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器。更早稱作Acorn RISC Machine。ARM處理器本身是32位設(shè)計，但也配備16位指令集，一般來講比等價32位代碼節(jié)省達35%，卻能保留32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢。

ARM歷史發(fā)展：

1978年12月5日，物理學家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師Chris Curry，在英國劍橋創(chuàng)辦了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要業(yè)務(wù)是為當?shù)厥袌龉?yīng)電子設(shè)備。1979年，CPU公司改名為Acorn計算機公司。

起初，Acorn公司打算使用摩托羅拉公司的16位芯片，但是發(fā)現(xiàn)這種芯片太慢也太貴。"一臺售價500英鎊的機器，不可能使用價格100英鎊的CPU！"他們轉(zhuǎn)而向Intel公司索要80286芯片的設(shè)計資料，但是遭到拒絕，于是被迫自行研發(fā)。

1985年，Roger Wilson和Steve Furber設(shè)計了他們自己的第一代32位、6M Hz的處理器，Roger Wilson和Steve Furber用它做出了一臺RISC指令集的計算機，簡稱ARM（Acorn RISC Machine）。這就是ARM這個名字的由來。

RISC的全稱是"精簡指令集計算機"（reduced instruction set computer），它支持的指令比較簡單，所以功耗小、價格便宜，特別合適移動設(shè)備。早期使用ARM芯片的典型設(shè)備，就是蘋果公司的牛頓PDA。

20世紀80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺式機產(chǎn)品，形成英國的計算機教育基礎(chǔ)。

1990年11月27日，Acorn公司正式改組為ARM計算機公司。蘋果公司出資150萬英鎊，芯片廠商VLSI出資25萬英鎊，Acorn本身則以150萬英鎊的知識產(chǎn)權(quán)和12名工程師入股。公司的辦公地點非常簡陋，就是一個谷倉。20世紀90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)處理器擴展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ARM公司既不生產(chǎn)芯片也不銷售芯片，它只出售芯片技術(shù)授權(quán)。

MCU

MCU本質(zhì)為一片單片機，指將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成的芯片級的計算機。

MCU做得好的廠商：瑞薩(Renesas)、恩智浦(NXP)、新唐、微芯(Microchip)、意法半導(dǎo)體(ST)、愛特梅爾(Atmel)、英飛凌(Infineon)、德州儀器(TI)、東芝(Toshiba)、三星(Samsung)、賽普拉斯(Cypress)、亞德諾半導(dǎo)體(ADI)、高通(Qualcomm)、富士通(Fujitsu)、超威半導(dǎo)體(AMD)、盛群/合泰半導(dǎo)體(Holtek)、中穎電子、炬力、華潤微、沛城、義隆、宏晶、松翰、凌陽、華邦電子、愛思科微、十速科技、佑華微、應(yīng)廣、歐比特、貝嶺、東軟載波微、君正、中微、兆易、晟矽微、芯海、聯(lián)華、希格瑪、匯春、建榮科技、華芯微、神州龍芯、紫光微、時代民芯、國芯科技、中天微等等。

DSP

DSP(Digital SignalProcessing)，數(shù)字信號處理，簡稱DSP。DSP是用數(shù)值計算的方式對信號進行加工的理論和技術(shù)。另外DSP也是Digital Signal Processor的簡稱，即數(shù)字信號處理器，它是集成專用計算機的一種芯片，只有一枚硬幣那么大。

FPGA

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(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電路數(shù)有限的缺點。

FPGA做得好的廠商：Altera((阿爾特拉)被Intel收購)、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、同方國芯、西安智多晶、中國電子、成都華微、深圳國微、遨格芯等等。

SOC

SoC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準確定義。一般說來， SoC稱為系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng),意指它是一個產(chǎn)品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時它又是一種技術(shù)，用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程。

ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的比較

1、采用架構(gòu)

ARM：架構(gòu)采用32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，從ARM9開始ARM都采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)，這是一種將指令與數(shù)據(jù)分開存放在各自獨立的存儲器結(jié)構(gòu)，獨立的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器使處理器的處理能力得到較大的提高。ARM多采用流水線技術(shù)，此技術(shù)通過多個功率部件并行工作來縮短程序執(zhí)行時間，使指令能在多條流水線上流動，從而提高處理器的效率和吞吐率?，F(xiàn)今ARM7采用了典型的三級流水線，ARM9采用五級流水線技術(shù)，而ARM11使用了7級流水線，ARM Cortex-A9更是使用了可變流水線結(jié)構(gòu)（支持8-11級流水線）。在多核心的支持上ARM Cortex-A9最多可支持4個核心，這是ARM系列處理器中首次支持多核心技術(shù)。下圖表示了ARM Cortex-A9的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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)所必需的四個基本部分：一個中央處理器核心，程序存儲器（只讀存儲器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲器（隨機存儲器）、一個或者更多的定時/計數(shù)器，還有用來與外圍設(shè)備以及擴展資源進行通信的輸入/輸出端口——所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。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：又名數(shù)字信號處理器，它是一種專用于實時的數(shù)字信號處理的微處理器。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)境時可作為直接內(nèi)存存取設(shè)備運作，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)換為模擬信號的數(shù)據(jù)，支持一定的并行處理。

FPGA: FPGA是英文Field Programmable Gate Array（現(xiàn)場可編程門陣列）的縮寫，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(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編程來修改。FPGA有別于DSP、ARM、MCU的地方主要在于它的并行處理能力，它的強大并行性使復(fù)雜的運算得到極大的速度比提升。

SOC:系統(tǒng)芯片是一個將計算機或其他電子系統(tǒng)集成單一芯片的集成電路。系統(tǒng)芯片可以處理數(shù)字信號、模擬信號、混合信號甚至更高頻率的信號。系統(tǒng)芯片常常應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。系統(tǒng)芯片的集成規(guī)模很大，一般達到幾百萬門到幾千萬門。SOC相對比較靈活，它可以將ARM架構(gòu)的處理器與一些專用的外圍芯片集成到一起，組成一個系統(tǒng)。其實現(xiàn)有的ARM處理器如Hisi-3507、hisi3516等處理器都是一個SOC系統(tǒng)，尤其是應(yīng)用處理器它集成了許多外圍的器件，為執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)、更復(fù)雜的應(yīng)用提供了強大的支持。

2、功耗

ARM: 可以說ARM之所以在移動市場上得到極大的成功，其中最主要的原因便是它的低功耗。眾所周知的是在移動市場上的電子產(chǎn)品對處理器的功耗是十分敏感的，在過去PC平臺上處理器的功耗在幾十W到上百W不等，這樣的功耗放在移動平臺上是不可想像的，ARM在主頻1G的情況下功耗才幾百mW,強勁的低功耗使它能適應(yīng)移動電子產(chǎn)品。

DSP：在與非網(wǎng)的一組數(shù)據(jù)上顯示，在數(shù)字信號處理方面的市場占有率DSP與FPGA各得半壁江山。DSP相對于FPGA的一個優(yōu)勢是它的功耗相對較低，DSP生產(chǎn)廠商通過提高處理器的主頻、努力降低功耗來保證它的市場占有率，因為在高性能的數(shù)字處理市場上FPGA似乎更占有優(yōu)勢。如果單純從DSP領(lǐng)域上來看，DSP在功耗上、性能上做得最好的要數(shù)TI公司，TI公司的DSP處理器相對其它的DSP廠商生產(chǎn)的處理器成本更低、功耗更低，所以TI的DSP芯片更在競爭力。

MCU：MCU面世時間最長，各種廠商都有它們自己的架構(gòu)與指令集，如果從低功耗方面來看，TI的MSP430型MCU做得相對較好。

FPGA：FPGA由于它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因造成它的功耗相對較高、芯片發(fā)熱量大，這也是它的一個缺點。但這也是不可避免的，在支持高性能的并發(fā)計算數(shù)字電路，且內(nèi)部的邏輯門大都采用標準的寬長比，最終生成的數(shù)字電路必然會在功耗上無法與ASIC等專用處理器比較。

SOC：由于SOC自身的靈活性，它將多個器件集成到一個極小的芯片上從而組成一個系統(tǒng)，SOC系統(tǒng)相對于MCU等處理器組成的系統(tǒng)來說，它在功耗上具有優(yōu)勢。并且，SOC芯片可在版圖層面上結(jié)合工藝、電路設(shè)計等因素對系統(tǒng)的功耗進行系統(tǒng)的優(yōu)化，這樣比由現(xiàn)今外圍的PCB版搭建出來的系統(tǒng)功耗更低，占用面積更小。

3、速度

ARM隨著市場應(yīng)用的需求提高，ARM廠商紛紛通過優(yōu)化來提高它的主頻，提升它的性能。從開始的100Mhz到驚人的2.3Ghz，ARM主頻以驚人的速度向前發(fā)展。

DSP現(xiàn)今最快的主頻能達到1.2Ghz。當然不能單純從主頻判斷它的性能會比ARM差，DSP具有單時鐘周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法的能力，一般的ARM不具備這樣的能力，DSP在計算領(lǐng)域優(yōu)勢尤其明顯，所以TI結(jié)合了ARM和DSP兩者的優(yōu)勢，生產(chǎn)出達芬奇異構(gòu)芯片，當然這是屬于SOC的范疇了。

MCU作為低端的應(yīng)用處理器，它的主頻從數(shù)M到幾十Mhz不等。

FPGA主頻時鐘最高可達幾Ghz甚至上10Ghz，當然它的成本也不菲。如果將FPGA與ARM、DSP等作為比較，從主頻上進行比較是沒有多大意義的，畢竟并行計算的能力要遠遠超出一般通用的處理器采用的串行計算幾十倍。如同樣的一個濾波算法在主頻為100Mhz的FPGA上實現(xiàn)要比在主頻為1Ghz的ARM上實現(xiàn)仍要快。

4、應(yīng)用與市場

ARM處理器現(xiàn)在主要是三個系列分別為A系列、R系列、M系列，其中A系列主攻消費電子應(yīng)用，應(yīng)用十分廣泛。

計算：上網(wǎng)本、智能本、輸入板、電子書閱讀器、瘦客戶端

手機：智能手機、特色手機

數(shù)字家電：機頂盒、數(shù)字電視、藍光播放器、游戲控制臺

汽車：信息娛樂、導(dǎo)航

企業(yè)：激光打印機、路由器、無線基站、VOIP 電話和設(shè)備

無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：Web 2.0、無線基站、交換機、服務(wù)器

R系列處理器主要針對一些對實時性要求較高的應(yīng)用，如航空航天、汽車電子等場合，它具備高可靠性、高可用性、高容錯能力、實時響應(yīng)等優(yōu)點。

M系列處理器主要針對較低端的應(yīng)用，它的最初目標是替換現(xiàn)有的市面上的MCU。

ARM Cortex-M0

ARM Cortex-M0+

ARM Cortex-M3

ARM Cortex-M4

“8/16 位”應(yīng)用

“8/16 位”應(yīng)用

“16/32 位”應(yīng)用

“32 位/DSC”應(yīng)用

低成本和簡單性

低成本，最佳能效

高性能，通用

有效的數(shù)字信號控制

DSP主要針對一些計算能力要求較高的應(yīng)用，如視頻圖像處理、智能機器人、數(shù)字無線、寬帶訪問、數(shù)字音頻、高分辨率成像和數(shù)字電機控制等。

MCU應(yīng)用最為廣泛，主要利益于它的成本控制上，使它能在許多對計算能力要求不那么高的應(yīng)用立足。相信在未來幾年里，MCU市場關(guān)鍵增長驅(qū)動力將來自于綠色能源，智能電子設(shè)備，智能電網(wǎng)以及電子產(chǎn)品的升級換代比如汽車電子。

SOC應(yīng)用也十分廣泛，主要是因為現(xiàn)有主流ARM芯片采用的架構(gòu)便是SOC架構(gòu)的一種，SOC是一個比較廣泛的概念，現(xiàn)階段許多ARM、DSP都開始采用SOC的方式來將多個器件加到處理器上組成復(fù)雜的系統(tǒng)。

5、開發(fā)成本

ARM主要是搭載LINUX、ANDROID、WINCE等操作系統(tǒng)，在開發(fā)難度上看，相對MCU、DSP較難入門，它需要開發(fā)人員對操作系統(tǒng)有較深的了解；從成本來看，ARM的單芯片成本較MCU要高，主要還是應(yīng)用于一些較為復(fù)雜的系統(tǒng)上。

MCU入門最容易，上手也快，開發(fā)難度較小，并且它的成本低，在低端市場應(yīng)用最為廣泛。

DSP入門較容易，但單芯片成本較高，主要還是應(yīng)用于對計算能力要求高的應(yīng)用。當然DSP也可以搭載操作系統(tǒng)，搭載操作系統(tǒng)后可適用于多任務(wù)的應(yīng)用上。

FPGA的開發(fā)難度較大并且開發(fā)周期也相對較長，此外它的單芯片成本很高。

例子：SOBEL算子（水平邊沿）

正常來說要進行一次這樣的算子需要9次乘法8次加法，這樣的計算在FPGA、DSP上顯得十分輕松，但對于ARM、MCU來說，它們的并行能力不強，當要處理的圖像較大時，如1280P時，它們便會顯得比較吃力了。

然而，這樣的算子是十分容易對其進行優(yōu)化的。如1與-1這兩個位置的像素點可以直接進行一次加法完成，同理最后一行也是如此，中間一行的2與-2對應(yīng)的像素點也可進行一次加法后再進行一次移位操作便完成這樣的一次算子運算。計算從原來的9次乘法8次加法轉(zhuǎn)換成三次加法與一次移位（移位操作在大多處理器上都可以在單個周期時鐘內(nèi)完成）。