CPU、MCU、PLC、DSP、SOC、FPGA等之间的关系

它们之间的关系

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CPU是最基本的存在，因为某些原因，在CPU的外部又包裹了部分附加功能，和CPU一起共同构成MCU、DSP、SOC等这些芯片，因此它们都是从CPU的基础上扩展而来，基本关系我们可以理解为下图。

至于说为什么MCU、DSP、SOC等芯片，会在CPU的基础上内置功能扩展，其它的功能自然它们自己的目的和道理，后面会针对每个芯片做解释。

9.2 CPU芯片

CPU的英文全称为Central Processing Unit，直译为“中央处理单元”或者中央处理器，不管什么类型的计算机都必须要包含CPU，因为CPU中的运算器和控制器是整个计算机工作的脑中枢。

9.2.1 在什么情况下，CPU为独立芯片

当我们需要极高性能的CPU时，就必须把CPU单独做成一个芯片，因为单位面积的门电路数量是有限的，因此如果像MCU、DSP、SOC一样，将CPU和很多其它的内置扩展都集成在一起时，当芯片体积都差不多的情况下，单独CPU芯片所含门电路数量一定高于MCU、DSP、SOC的内置CPU所含门电路数量，因此才会单独的将CPU集成为一个独立芯片。而且给独立的CPU芯片做功能扩展时会更加的灵活。

9.2.2 哪些计算机使用单独成片的CPU

现在像个人电脑和服务器这一类的计算机，其计算能力的要求是较高的，因此目前个人电脑和服务器的CPU都是独立芯片，我们都知道个人电脑和服务器的的芯片使用Intel的X86(全称80x86)系列的居多，所以intel的用于个人电脑和服务器的CPU基本都独立芯片的。

9.2.3 使用CPU独立芯片的会使得计算机体积较大，不适合便携式设备

如果CPU是独立心芯片的话，很多CPU的扩展功能需要通过外置扩展的方式实现，所以这就会导致个人电脑和服务器这一类的计算机体积较大。目前便携式计算机设备越来越多，比如手机、数码相机、平板等这一类的计算机设备，为了能够方便的携带，对于体积要求较高，因此为了将体积减小，就将很多原本很占体积的CPU的外部扩展，直接和CPU集成为了一个很小的芯片，也就是我们前面提到的MCU、PLC、DSP、SOC等芯片，但是这样做的代价就是芯片的中内置CPU的计算能力下降了，但是对于很多移动计算机设备来说，并不需要像个人电脑或者服务器一样的计算能力，只要能够打电话、看电视频、听音乐、玩手游（无法玩pc才能玩的大型游戏）等等即可。

9.3 MCU芯片

9.3.1 MCU名词

MCU的英文全称为Microcontroller Unit，直译为“微控制单元”，又被称为Single Chip Microcomputer ，直译为“单片微型计算机”，简称单片机，最简单的理解就是一个芯片就是一个微型计算机。

9.3.1 CPU芯片和MCU芯片的区别

从上图就能大致的看出，CPU与MCU的区别，但如果说想详细的了解MCU具体情况的话，这样简单的对比还不够。

9.3.2 PC的结构

为了弄清楚MCU，需要先从PC机的内部结构开始讲起，然后通过对比来引出MCU。

（1）对于PC等计算性能较高的计算机，它们各个组成部分是分离的，因为PC的计算能力要求很高，所以PC的CPU处理能力很强，而且是独立芯 片，内存和外存的容量非常的大。

（2）不管是那种计算机，都必须包含CPU、三大总线（地址/数据/控制）、外设IO接口、内存和外存，其中内存和外存是必须包含的外部设备， 因为必须要有存储设备用于存储程序和数据。

（3）像什么声卡和喇叭，显卡和显示器，网卡和网线等其它外部设备等，不同的计算机根据用途不同会有所不同。

9.3.3 MCU

（1）很多电子设备对于计算能力要求较低，但是体积要求很高

PC等大型计算机为了拥有较高的计算能力，各个组成部分是分离组建的，获得了计算能力但是牺牲了体积。但是对于像电动玩具、家电控制器等这类小型电子设备而言，不需要什么计算能力而更在乎体积，所以才有了MCU（单片机）的出现，MCU是芯片级的计算机。

（2）MCU与PC的异同

1）相同点：都必须包含的CPU、三大总线（地址/数据/控制）、IO接口、内存和外存这些核心的东西。

1）不同点

（a）单片机会将CPU、三大总线（地址/数据/控制）、IO接口、内存和外存集成到一起，PC是分离的

（b）单片机为了自己特有目的，内部还会集成比如串口、定时器、AD/DA等外部设备。

串口、SPI、12C这三种外设是MCU常见的三种串行通信方式，如果你对串口、SPI、I2C感兴趣，情感后续的单片机课程。

（3）MCU特点

1）单片机芯片不能直接工作，必须为其设计外部电路（最起码供电电路），并且烧录程序，才能工作。

2）MCU的优缺点

（a）优点：体积小，价格便宜，单个芯片就是一个微小的计算机，使用方便

（b）缺点：因为体积小，所以MCU的CPU、内存和外存相对于PC的来说，肯定差了很多，牺牲计算能力换来了体积优势。

3）应用

对于很多简单应用，比如玩具、家电(电饭煲)等对于计算能力要求很低的小型计算机设备来说，MCU的计算功能已经足够，关键是便宜，对于成本控制很敏感的产品来说，价格这一点显得突出。

（4）MCU总结

所以MCU就是将CPU、三大总线（地址/数据/控制）、IO、内存、外存、以及某些专用外不是被集成为一体的芯片，这就是MCU，一片一机。

（5）为什么现在MCU使用的这么多

因为你拿到cpu后，尽管单独CPU的计算能力很强，但是你还要为CPU设计大量的外部设备，开发难度直接上了一个等级，对于很多不需要太强计算能力的场合不合适，使用计算能力很强的独立芯片的CPU，简直就是杀鸡用牛刀，关键是你拿到后还需要为其设计复杂的电路，以便为扩展很多需要的最起码的外设(内存等)，设计成本很高。

但是MCU芯片一次性就把就算计需要基本东西全部集成到一起，你拿到后开发难度直线下降，因此对于功能要求不高，成本控制严格的场合，显然使用单片机开发是必然的选择。

（6）MCU的分类

1）低中段

低端单片机比如8051，中端单片机比如stm32，低中端主要用于家电、玩具等成本低，计算能力要求不高电子设备。

2）高端

ARM中A系列(Cortex-A8，Cortex-A89等)的芯片典型的就是高端MCU，主要用于消费类电子，比如手机、平板、数码相机。

（7）现在常说的单片机，默认指低中端单片机

一般来说，我们说单片机时，默认指的是低中端的MCU，一般不会称呼高端MCU为单片机，而是直接使用它们的型号名称来称呼，比如ARM的Cortex-A7, Cortex-A8, Cortex-A9，Cortex-A15等。

（8）嵌入式开发与MCU

嵌入式开发所涉及的就MCU这类的计算机芯片，低端到高端都有，MCU的种类很多，这里不在赘述，因为在后面的单片机课程中，会详细讲。

对于真正嵌入式开发者，必须具备低中高端MCU的使用能力，希望学习嵌入式的同学，请看后面的技术课程。

9.4 PLC

PLC，英文全程为Programmable Logic Controller，直译为“可编程逻辑控制器”，直白理解就是可以编程控制的控制设备，是专门用在工业环境下电子控制设备，从“电子控制设备”这个词就能看出，事实上PLC并不是一个芯片，而是一个设备。

那么PLC到底是怎么出现的呢？需要先从使用MCU设计工控设备的缺点开始说起。

9.4.1 直接使用MCU设计工业控制设备的缺点

前面讲MCU时就说过，是可以使用MCU来设计工业控制用的设备的，购买到MCU芯片后，可以从头到尾设计出某功能的工控设备，但是这样做的问题很难多，这些问题导致成本高、风险大，问题有，

（1）问题1：周期长

从头到尾设计，你就必须设计电路原理图，绘制pcb板，元器件焊接，编写和调试程序，产品发布后还有测试周期，所以做工控设备的公司直接使用MCU从头开始设计的，开发周期实在是太久。

（2）问题2：设计难度大，稳定性不高

很多工控研发公司不是专业的MCU开发公司，所以MCU开发技术不成熟，加之工业设备运行环境复杂，比如高电压，高粉尘，高振动，高辐射等，对于设备的稳定程度需求很高，MCU开发经验不足的公司，很难开发出稳定性高工控设备。

（3）问题3：成本高

由于第一个和第二个原因，如果直接使用MCU从零开发的话，成本非常高，关键是还开发不出好的设备。

9.4.2 PLC的出现

（1）PLC是如何解决上述问题的

经验丰富的专业的、对工业控制设备非常熟悉的MCU设计者站了出来，设计了一款稳定性极高的、功能可图形化编程的、具备基础功能的半成品的MCU工控设备，其他人拿到这个稳定成熟的半成品设备后，非常容易的就能扩展出自己特有的工控设备。

（2）PLC这种半成品工控设备的优点

前面就说过，PLC并不是一个芯片，PLC只是使用MCU芯片设计的半成品的电子工控设备，关键是可以使用这个设备进行功能扩展，扩展的方式就是插接各种的电路线，PLC的实物图如下

日本三菱的PLC设备

使用PLC设计工控具有如下优点：

1）无需从零开发：也就是说别人已经将所有最核心的设备硬件做好了，帮你把最难最复杂的部分实现好

2）硬件上扩展简单易行：硬件的扩展很容易，直接通过“功能扩展接线螺丝”连接外部控制设备，就可以进行扩展了。

3）编程容易：PLC在设计时，已将底层的各种功能的程序代码，转成了各种直观的图形符号(梯形图)，直接通过这些梯形图的绘制就可以编程了， 会有相应的软件将梯形图转变为最终需要执行的MCU计算机指令。

梯形图

4）稳定程度高：由于是由专门为工控量身设计，具有很强的稳定性，足以应对工业上的各种复杂情况。

9.5 Soc芯片

其实很多人对于SOC芯片的理解都是错误的，那么也是通过这一小节的讲解，希望大家能够搞清楚什么是SOC。

SoC的英文全称System-on-a-chip，直译为“片上系统”，直接从名字理解什么是SoC有些困难，但是如果直接讲什么是SOC芯片的话，也很难阐述清楚。

事实上，SOC与MCU是有着很大的关系，所以如果不能说清楚二者的关系的话，也就无法搞清楚SOC的，需要先从从MCU说起。

9.5.1 先说说MCU

（1）其实MCU芯片是通用计算机芯片

所谓“通用”就是满足很多方向的应用，既能用于家电，也能工业、交通等很多方向。

（2）MCU如何满足通用开发需求

为了满足不同公司，不同应用方向开发需求，MCU必须满足哪两个两点：

1）程序由开发公司自主编写

因为公司有自己特有的需求，因此希望能够开发自己的特有程序，所以MCU的程序由开发公司自主编写。

2）MCU芯片中会集成各种常见的外设

为主要是了满足各个公司在不同方向上的开发需求，比如有些公司需要使用定时器，有些公司需要使用串口，有些需要使用网卡，需求各不相同，MCU为了都满足大家的需求，MCU会将各种常见外设（定时器、串口、SPI、I2C、网卡）都集成在了芯片中，用户拿去后选择性使用自己需要的外设，不需要的你不用就是。

（3）使用MCU所面临的问题

1）MCU的价格相对较贵的

说的是相对较贵，如果跟使用独立CPU芯片进行开发相比的话，MCU无疑非常便宜的，就人来说的话，欲望是无止尽，便宜了还希望更便宜。

人们认为MCU在某些特殊的情况下，成本还有很大下降空间，事实确实如此，才从通用MCU中脱胎出了更便宜的SoC芯片。

2）为什们说MCU的还有进行成本下降的空间呢？

发现很多产品是专门针对某个用途，专门针对某个用途时，有如下两个特点，

（a）该用途只用其中某两个外设

比如只用到网卡，或者串口，其它外设都是多余的，但是既然买的是通用MCU，就算有些外设你不用，但是你同样要买单，事实上这些不用的外设就可以拆掉以节省成本。

（b）开发的程序多是雷同的

很多公司都生产该用途的产品，购买MCU开发时，每家公司都要各自开发实际上大致相同的程序，各家公司都在花相同的钱开发相同功能的程序，反正程序都是雷同的，只要有一个人把程序开发好，其它公司不是就不用在为开发程序花签了吗。

9.5.2 SOC解决上述面临的问题

（1）SoC的是怎么节省成本的

MCU芯片生产厂家发现了以上描述的情况后，就想到了为MCU芯片使用者节省成本的方法，

（a）将MCU中不需要用到外部设备裁剪掉，比如我只需要网卡，那么我就只留下网卡，为购买MCU的公司节省了成本

（b）MCU生产厂家直接将程序固化在芯片内，购买到MCU的公司就不用自己写程序了，也节省了成本。

通过以上两步做出的专门针对某用途的特有MCU芯片，这个特有的MCU就是SOC芯片。

（2）芯片厂家出SOC芯片的条件

1）芯片厂家设计出SOC芯片替被人省了钱，芯片厂家自己不久亏了吗？

芯片厂家自然是不会干亏本的买卖，生产SOC的前提是，专门针对某用途的SOC的使用量非常巨大，在量非常巨大的情况下，做

出SOC，既能给使用者省成本，SOC芯片厂家自己也不亏，不亏的原因有两点，

（a）SoC能省成本，自然非常受用户的欢迎，用户也就更加依赖上了SOC，有助于建立更深的合作关系。

（b）使用SoC的一定都是大批量的，薄利多销，对于芯片厂家来说，不仅没有因为降低SoC的成本而亏钱，反而挣了钱。

2）芯片厂家出SOC芯片的先决条件就是，要求使用量大

只有当专门针对某用途的产品量非常巨大时，芯片厂家才会为其出SOC芯片，在巨大的量的支持下，芯片厂家和芯片使用公司才有可能双赢，如果没有量的支持，是不可能为其出SOC芯片的。

对于量小的产品，各家公司只能老老实实的购买MCU芯片开发，因为厂家不可能亏本做出让别人节省成本的SOC芯片。

（3）总结：什么是SoC

1）一句话理解SOC

soc相当于是拥有特定用途的，为了节省成本而在出厂时固化了代码、且只集成专用外设、而且使用量非常巨大的特殊MCU。

2）如何理解SoC这个名字

System-on-a-chip，直译“片上系统”，往往具有一定完备性的事物才称为系统。

SoC芯片的硬件是根据需求专门设计的，而且还给它固化了代码，因此相对来说，SOC可以算得上是一个硬软都不缺的完备系统，因此才被称片上系统，即一个芯片可算作是一个相对完整的系统。

当然，拿到SOC芯片后，肯定是要为其设计外部电路的。

（4）Soc芯片举例1）例子1：WIFI芯片

   乐鑫公司的ESP8266 串口WIFI芯片 

ESP8266是专门用于WIFI无线通信的SoC芯片，使用这个芯片可以设计出很多无线WIFI通信模块，比如很多单片机是不能WIFI无线上网，

但是通过连接拥有SOC芯片的无线WFIF通信模块后，就可以无线WIFI上网了，因为这个芯片的需求量非常大，因此乐鑫公司把它做成了SOC。

2）例子2：显卡、声卡芯片

其实电脑中的显卡芯片、声卡芯片就是典型soc芯片，显卡芯片专门用于视频的编解码，声卡专门用于音频编解码，用途很专一，由于这类芯片的使用量很大，因此为了节省成本，也被做成了SoC，编解码程序被直接固化在了芯片中。

9.6 DSP芯片

DSP的英文全称为Digital Signal Process，即数字信号处理，DSP芯片即指能够实现数字信号处理的芯片，直接看名字的话不好理解，要弄清楚为什么需要DSP芯片，需要先从CPU处理大批量浮点数的乘法、除法运算说起。

9.6.1 CPU处理大批量浮点数的乘法和除法时，面临问题

（1）非常耗费CPU的运算资源

耗费cpu运算资源有三方面的原因，

1）数据量大：数据来那个大，自然就需要花费更多的时间处理

2）浮点数：相比整数，浮点数(小数)的数据结构复杂，处理更费劲

3）乘法、除法：相比加法和减法来说，加法器在做乘法和除法运算时会花费更久的时间。

（2）因为耗费CPU预算资源，CPU会被缠着不放

像音视频数据的编解码，又或者大型游戏的3D渲染这一类，典型就涉及大批量浮点数的乘法和除法运算，因此

1）数据量大

2）乘法、除法运算多

3）浮点数非常多

如果非要让CPU处理的话，cpu会一直耗在这些数据的处理上，CPU没空去处理电脑的其它事情，比如发现你的电脑非常的卡，当键盘敲入数据没反映，那是因为CPu还没有忙过来呢，暂时没空处理键盘输入的事情。

（3）CPU是有处理大批量浮点数乘法、除法运算的能力，但是CPU有更加重要的工作

因为cpu作为整个计算机的主控中心，需要负责整个计算机大局上各部件、各种程序的正常运转，不是只有进行大量数据运算这一项工作要做，因此如果cpu一直被大量数据的运算缠着不放肯定是不行的。

9.6.2 DSP，以CPU的协作者的身份出现

（1）DSP职能：专门进行大量数据运算的芯片

DSP作为cpu的助手芯片，DSP专门用于应对涉及乘法、除法的大量浮点数的运算，一旦当cpu检测需要进行大量数据的乘法和除法运算时，就会将这些烦人的工作交给DSP，DSP会负责处理后，cpu脱身后会投入到指挥整个计算机的工作中。

（2）CPU和DSP

1）通过比喻理解CPU和DSP的关系

好比一个领导，领导能做的事情很多，自然包括文案处理，文案工作少的话都无所谓，领导兼职完成就行了，当然领导如果专门从事文案工作的话，也是文案的行家里手，但问题是，对于领导最重要的工作不是文案处理，而是指挥全局，当文案工作堆积如山的时候，如果领导还把大量的精力花在文案处理上的话，就没人指挥大局了，这个时候就需要为领导安排一位专门处理文案秘书，由秘书接替领导繁杂的文案工作，让领导能够全身心地进入到大局的统筹安排中。

这个例子中，CPU就是领导，DSP就是秘书。

2）CPU和DSP芯片所处理的数据，各自的特点

（a）CPU处理的数据

cpu处理的数据基本都是控制类数据，所谓控制类数据，就是告诉这里开、那里关等的发号施令的数据，这些数据的特点就是，

· 数据的量较小

· 除法和乘法运算少

· 处理的浮点数少

（b）DSP处理的数据

· 处理的数据量非常大

· 而且除法和乘法运算多

· 处理的基本都是浮点数

所以DSP专门用于处理大量浮点数的乘法和除法运算，主要就是为了解放CPU。

3）DSP和CPU相互配合的方式

（a）主从关系

CPU芯片、或者集成有CPU的芯片是主芯片，DSP是从芯片，也就是说DSP听命于CPU的指挥，CPU给DSP划分任务，让其进行大量 数据的运算。

（b）CPU和DSP可以集成在一起，也可以是独立的两个芯片

目前很多情况是，DSP和CPU被集成在了一起，网络摄像头所使用的就是这样的处理芯片，在专门提供这类芯片的公司中，华为海 思、安霸、TI是最好的三家。

9.7 FPGA芯片

通过前面学习的这张图片知道，各类芯片（CPU、MCU、DSP、SOC）都是由各种门电路的组合而成，FPGA芯片也不例外。

9.7.1 一般的计算机芯片（CPU、MCU、DSP）

可以将一般的计算机芯片（比如CPU）表示成为下面这样，

传统的计算机芯片，或者说一般的计算机芯片，比如前面提到的CPU、MCU、SOC、DSP等，这些芯片在出厂时，内部门电路之间的连接关系是早已经固定死了，这一类芯片尤其自身的优点和缺点。

（a）优点

所有设备的计算机芯片都是一样的，功能灵活性很高，因为只要执行不同的程序实现的，计算机芯片就可以体现不同的功能（工作逻辑），因此基本所有的计算机都采用这种传统的，出厂时内部门电路连接就已经设计好的方式实现。

（b）缺点

使用该芯片做成产品后，必须要有相应的程序指令指挥其工作，工作的步骤必须一条指令一条指令的来，比如有5条指令，这5条指令只能由硬件一步一步的执行，不能一次被硬件全部同时执行。这里不少同学就要说了，不是还有多核CPU，就算是多核CPU，并发也是有限的，给你30条指令全部有硬件一次执行完，多核也很难做到一次将30条指令全部运行完毕，因为你总不至于30个核吧。

9.7.2 FPGA的出现

（1）FPGA名字理解

由于上面的传统计算机芯片并发运行存在缺陷，后来人们就搞出了一个叫做FPGA的东西，FPGA的英文全称为Field－Programmable Gate Array，直译为“现场可编程逻辑门阵列”，如何理解这个词呢，这个词包含如下几层含义，只要理解了这几层含义，也就理解了什么叫“现场可编程逻辑门阵列”。

1）门阵列

这个芯片内部包含大量的逻辑门（与门、非门等等），这些逻辑门在一起组成一个一个的阵列，所以叫门阵列。

2）可编程

这些“逻辑门”在出厂时没有固定死的连接在一起，芯片是半成品，可以按照自己的需求通过硬件编程语言，把这些门电路按照自己的独特需求进行连接，像搭积木似的进行按需组合。

由于编程修改的是芯片内的门电路组合关系，也就是硬件组合关系，因此FPGA的编程也称为硬件编程。

3）现场

芯片内部门电路结构可以随时根据需求重新组合。

（2）FPGA的优点

1）优点1

可以根据自己的需求，设计芯片的功能，完全做到硬件上同时执行很多功能，执行时间缩短了，所以效率很高

比如采用传统的是计算机芯片需要执行5条指令，也就是说需要5个顺序步骤才能完成。但是在FPGA这边，根据需求重新组合门电路后，分别同时的执行这5条指令时，在FPGA里面不称为指令而是功能，这5个功能可以由5个功能区同时执行，所以真正的做到了硬件上的并发。

2）优点2

门电路组合被硬件语言程序安排好后，硬件功能就固定好了，上电即可运行，不再需要什么汇编、c语言来再写指挥工作的程序。

（3）FPGA的缺点

1）FPGA很贵

2）相对来说，开发难度大

（4）FPGA的硬件编程与我们常说的普通编程的区别

1）FPGA

FPGA的硬件编程使用的语言叫做HDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language），简称硬件描述语言，该语言编写的程序可以直接修改FPGA芯片内部的门电路组成结构，也就是修改内部的硬件结构，所以该语言才称为硬件编程语言。

2）普通的编程：比如汇编、c、c++、java等等，这一类语言写的程序只是告诉硬件按照某个步骤工作，但是硬件内部的组成机构是固定的。

（5）FPGA应用场合

对于效率要求非常高，特别是在高频信号处理方面（信号发生器），高到了普通的计算机芯片无法满足的程度，需要硬件上完全并发执行各种功能才能到达时，就必须使用FPGA。

9.8 为什么弄清CPU、MCU、PLC、DSP、SOC、FPGA的区别

（1）知道方案选择

如果说这些芯片之间的区别搞不清楚的话，会在项目方案的选择上不知所措，因为不同的项目要求，对于产品开发周期，难易度，成本要求，稳定程度都有不同的，因此需要选择不同特性的芯片实现项目的开发，那么你就需要对这些芯片要有所了解。

（2）通过对比加深理解

希望通过对这些芯片内部结构的对比介绍，可以加深大家对于每个芯片的认识。

作者：佳嵌工作室

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