ARM、DSP、CPLD、FPGA的技術特點和區別

ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業的一家知名企業,設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。 ARM也是單片機。ARM架構是面向低預算市場設計的第一款RISC微處理器,基本是32位單片機的行業標準,它提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案,四個功能模塊可供生產廠商根據不同用戶的要求來配置生產。
由於所有產品均採用一個通用的軟件體系,所以相同的軟件可在所有產品中運行。目前ARM在手持設備市場佔有90以上的份額,可以有效地縮短應用程序開發與測試的時間,也降低了研發費用。
  DSP(digital singnal processor)是一種獨特的微處理器,有自己的完整指令系統,是以數字信號來處理大量信息的器件。一個數字信號處理器在一塊不大的芯片內包括有控制單元、運算單元、各種寄存器以及一定數量的存儲單元等等,在其外圍還可以連接若干存儲器,並可以與一定數量的外部設備互相通信,有軟、硬件的全面功能,本身就是一個微型計算機。
DSP採用的是哈佛設計,即數據總線和地址總線分開,使程序和數據分別存儲在兩個分開的空間,允許取指令和執行指令完全重疊。也就是說在執行上一條指令的同時就可取出下一條指令,並進行譯碼,這大大的提高了微處理器的速度。另外還允許在程序空間和數據空間之間進行傳輸,因爲增加了器件的靈活性。其工作原理是接收模擬信號,轉換爲0或1的數字信號,再對數字信號進行修改、刪除、強化,並在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式。它不僅具有可編程性,而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條複雜指令程序,遠遠超過通用微處理器,是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。
它的強大數據處理能力和高運行速度,是最值得稱道的兩大特色。由於它運算能力很強,速度很快,體積很小,而且採用軟件編程具有高度的靈活性,因此爲從事各種複雜的應用提供了一條有效途徑。根據數字信號處理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特點:
(1)在一個指令週期內可完成一次乘法和一次加法;
(2)程序和數據空間分開,可以同時訪問指令和數據;
(3)片內具有快速RAM,通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問;
(4)具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持;
(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持;
(6)具有在單週期內操作的多個硬件地址產生器;
(7)可以並行執行多個操作;
(8)支持流水線操作,使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。   
當然,與通用微處理器相比,DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。
   FPGA(Field Programmable Gate Array)(現場可編程門陣列)的縮寫,它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物,是專用集成電路(ASIC)中集成度最高的一種。FPGA採用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念,內部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部分。
用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置,以實現用戶的邏輯。它還具有靜態可重複編程和動態在系統重構的特性,使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。作爲專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定製電路,FPGA既解決了定製電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。可以毫不誇張的講,FPGA能完成任何數字器件的功能,上至高性能CPU,下至簡單的74電路,都可以用FPGA來實現。FPGA如同一張白紙或是一堆積木,工程師可以通過傳統的原理圖輸入法,或是硬件描述語言自由的設計一個數字系統。通過軟件仿真,我們可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以後,還可以利用FPGA的在線修改能力,隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用FPGA來開發數字電路,可以大大縮短設計時間,減少PCB面積,提高系統的可靠性。
FPGA是由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀態的,因此工作時需要對片內的RAM進行編程。用戶可以根據不同的配置模式,採用不同的編程方式。加電時,FPGA芯片將EPROM中數據讀入片內編程RAM中,配置完成後,FPGA進入工作狀態。掉電後,FPGA恢復成白片,內部邏輯關係消失,因此,FPGA能夠反覆使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器,只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時,只需換一片EPROM即可。這樣,同一片FPGA,不同的編程數據,可以產生不同的電路功能。因此,FPGA的使用非常靈活。可以說,FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等.
   那麼它們的區別有哪些呢?
    ARM具有比較強的事務管理功能,可以用來跑界面以及應用程序等,其優勢主要體現在控制方面,而DSP主要是用來計算的,比如進行加密解密、調製解調等,優勢是強大的數據處理能力和較高的運行速度。FPGA可以用VHDL或verilogHDL來編程,靈活性強,由於能夠進行編程、除錯、再編程和重複操作,因此可以充分地進行設計開發和驗證。當電路有少量改動時,更能顯示出FPGA的優勢,其現場編程能力可以延長產品在市場上的壽命,而這種能力可以用來進行系統升級或除錯。

作爲Processor,這幾種器件有什麼有優缺點。
其實C51,ARM,DSP都不是單獨作爲芯片來提供給用戶的,都要加一些外圍電路來支持。
例如:memory controller,interrupt controller,timer,UART,SPI,I2C 等等。
所以要比較最好從processor的角度來比較他們。
(1). C51是8位的;ARM是32位的;DSP有16位的,也有更高的。
(2).所有說從運算能力上看,C51最弱,DSP最強,ARM居中。
(3).結構差別較大,C51最簡單,是一般的馮諾伊曼結構;ARM9以上是哈佛結構的RISC;DSP一般使用哈佛結構。
(4).C51一般芯片面積非常小,工作頻率很低(一般是10多MHz,有的是24MHz),所以功耗低。DSP則頻率很高(高的達到300MHz 以上),所以功耗大。ARM芯片面積也很小,ARM7是0.55平方毫米,功耗也比較小。頻率大約在(幾十到200MHz之間)
(5).所以一般C51主要應用於不需要太多計算量的控制類系統。一般配有豐富的外圍module。DSP則主要應用於需要進行復雜計算的高端系統,例如圖像處理,加密解密,導航系統等,外圍module一般較少。ARM是C51和DSP之間的一個折衷。
(6).強調一點:C51的性能遠不如ARM和DSP,但仍然佔據重要的一席之地,原因就是性能價格比。因爲它太成熟了,太小了,太便宜了。而在一些需要複雜計算的領域,DSP也不可或缺。ARM的成功就是他找到了一個折衷點,並且建立了一個非常靈活的商業模型。

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