MCU、DSP、FPGA各自雄霸一方 并都呈現出高速的增長態(tài)勢

MCU憑借其強大的控制功能，廣泛地用于消費類電子、通信、汽車電子、工業(yè)等領域。有資料顯示，MCU產品需求量每年不斷增長，2008年全球MCU市場將增長到160億美元。DSP則以其卓越的數據處理能力以及優(yōu)秀的數據算法，成為數字信息時代的核心引擎。來自市場調研機構IC Insights的數據顯示，2006年全球DSP市場將增長9%，達到85億美元，2007年將以18%的速度增長，2008年則達27%。

而FPGA更是以其極大的靈活性、豐富的接口和優(yōu)越的性能著稱，利用FPGA可以實現任何數字器件的功能。據市場調研公司Gartner Dataquest預測，2010年FPGA和其他可編程邏輯器件（PLD）市場將從2005年的32億美元增長到67億美元。

MCU、DSP、FPGA各自雄霸一方，并都呈現出高速的增長態(tài)勢。但各種消費類產品特別是便攜式產品的功能逐漸由單一走向多元化，傳統(tǒng)的單一半導體解決方案已經不能適應多媒體產品的需求，MCU、DSP、FPGA的發(fā)展受到了前所未有的挑戰(zhàn)，呈現出多元化的發(fā)展勢頭。

趨勢一：DSP、MCU走向融合

DSP一般采用哈佛架構，超長指令字架構等，數據存取和指令分開，內部運算單元多，有專門的硬件乘加結構，因此運算速度極高。其內部存儲器（RAM和ROM）很大，并且可以擴展，外部接口豐富，配合流水線操作，特別適合進行大量數字信號的實時處理。而MCU數據存取和指令沒有分開，運算速度較低，運算單元較少，且內部存儲器不大。但MCU接口相當靈活，并集成了FLASH 、ADC、 DAC 、OSC 、SRAM 、PWM、 溫度傳感器、看門狗、總線、定時器/計時器、I/O、串行口等功能單元，因此非常適合于各種控制應用。

然而，隨著系統(tǒng)需求的增加，在某些應用中，既要求系統(tǒng)具有良好的控制功能，又需要有高速的數據處理能力，因此，融合了DSP和MCU各自優(yōu)點的混合處理架構無疑是一種良好的解決方案。DSP和MCU在實際應用有一個共通的地方，即，它們都是面向嵌入式系統(tǒng)的應用，或者是基于需要進行大量數據處理的實時系統(tǒng)，或者是需要實施許多控制功能的即時系統(tǒng)。這種實時性和多功能也為DSP與MCU的融合提供了很好的基礎。因此，DSP/MCU融合的架構逐漸受到半導體廠商的青睞，TI、ADI、Microchip等紛紛推出了相關解決方案，力圖在這一市場中搶占先機。

TI作 為全球DSP的領導廠商，推出了針對2.5G、3G無線應用的雙核處理開架構OMAP平臺，它集成了適合于加速應用的超低功耗DSP與適于控制的ARM925以及高級操作系統(tǒng)（OS）功能。OMAP平臺的主處理器為OMAP1510，其雙核結構的主要優(yōu)勢在于，由兩個獨立的器件來完 成應用處理任務。即，使用ARM925來處理控制代碼，如用戶界面、OS和高級應用，而DSP則用來實現多媒體、語音、安全性或其他功能，這兩個內核之間采用專用的處理器內部通信機制相連接。 OMAP 平臺為在便攜式設備中 開發(fā)語音應用提供了解決方案。在用于便攜式設備時，這種 DSP 和 MCU 結合的架構可以提供優(yōu)異的性能和功耗優(yōu)勢。憑借優(yōu)化的底層軟件，DSP 能以低功耗方式執(zhí)行信號處理任務，從而延長電池使用壽命，并可實現更小的產品體積，大大提高了產品應用性能。

TI（上海）有限公司DSP業(yè)務發(fā)展經理鄭小龍指出，DSP具有實時高速運算的優(yōu)勢，其核心處理單元中具有適合于數字乘加處理的特殊結構，而“修正式哈佛結構”又提高了內存管理效率，而且還支持許多高速外圍接口。MCU具有靈活高效控制的特色，特別是沿用“馮-紐曼結構”的16位機，全部存儲器和外圍模塊都位于同一個地址空間，處理能力可以遠超出智能化傳感系統(tǒng)要求。TI的OMPA平臺正是結合了二者的優(yōu)勢，目前，TI 已經與多家正在開發(fā) ASR、TTS、DSR 和語者驗證等在內的語音技術的主要第三方開發(fā)商展開合作，并且已經有多家公司采用了TI 的OMPA平臺解決方案。

與TI不同的是，ADI推出的DSP/MCU混合解決方案——嵌入式處理器Blackfin系列，采用單核結構。Blackfin處理器基于ADI和Intel聯合開發(fā)的微信號架構（MSA），將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加（MAC）信號處理功能，與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。Blackfin處理器包含一個10 級 RISC MCU/DSP 流水線和一個專為實現最佳代碼密度而設計的混合 16/32 位指令集架構。這種處理特征的組合使Blackfin 處理器能在信號處理和控制處理應用中均能發(fā)揮出色作用。在許多場合中，它還免除了增設單獨的MCU的需要，簡化了硬件和軟件設計和實現難度。對于一些需要同時采用高性能信號處理器和高效控制處理器的應用中，采用一個Blackfin 處理器就可以滿足系統(tǒng)要求，縮減了開發(fā)時間并降低了成本。

Blackfin 處理器架構還具備RISC控制處理器的一些特點，包括功能強大且靈活的分層存儲器架構、良好的代碼密度以及各種的微控制器型外設（包括10/100以太網 MAC、UARTS、SPI、CAN 控制器、支持 PWM 的定時器、看門 狗定時器、實時時鐘和一個無縫同步和異步存儲器控制器）。這些特性為設計人員提供了設計靈活性，并最大限度地降低了終端系統(tǒng)成本。目前，Blackfin處理器已經廣泛的用于嵌入式音頻、視頻和通信應用等領域（圖1）。

圖1 8F62系列在便攜式媒體播放器中的應用（略）

而一向在MCU領域見長的Microchip公司，推出了其16位dsPIC數字信號控制器 （DSC），并首次提出了DSC概念，即將高性能16位微控制器的控制優(yōu)勢與DSP的高速計算相結合，形成適合嵌入式系統(tǒng)設計的緊密結合的單芯片單指令流解決方案。

dsPIC DSC架構支持84條指令和10種尋址模式。dsPIC指令集由用于嵌入式應用的各種靈活的MCU指令和從單指令流執(zhí)行的DSP操作專用指令集組成，兩種指令可以共享很多CPU資源。dsPIC DSC內核支持MCU和DSP功能需要的各種位操作。位操作在MCU中很常見，但在DSP中的應用卻很少見。而dsPIC DSC增加了強大的位操作功能，如位測試、位設置和位移動指令以及能識別出數據字中第一個有效位的位尋找操作。

Microchip數字信號控制器部門產品推廣工程師Steve Marsh先生指出，dsPIC系列產品具備一些非數字信號處理器的特性（如桶式移位器或更多的隨機存取內存空間），而這正是工程師們所想要的，所以在非數字信號處理器應用方面，工程師更傾向于選擇數字信號控制器而不是單片機。dsPIC系列產品目前已經用于AC/DC轉換器、隔離式DC/DC電源轉換器以及其他電源轉換應用，如嵌入式電源控制器、逆變電源和不間斷電源（UPS）等領域。

MIPS 科技也推出了內置 DSP 擴展的高性能、低功耗內核系列——MIPS3224KE，它集成了高效DSP能力，同時能夠顯著減少整體 SoC面積、成本及功耗，并可改善信號處理性能。MIPS產品營銷經理Pete Del Vecchio表示，DSP/MCU混合處理架構性能等于或高于低端DSP內核的性能。利用單芯片或單內核可以獲得明顯的成本優(yōu)勢，還可以大大加快產品上市時間 。

兼具DSP與MCU功能的平臺最早應用于發(fā)動機控制，之后拓展到語音處理、傳感器處理等應用，并用來代替帶有數字濾波器的合成模擬濾波器。如今，這一平臺越來越廣泛的應用到計算機、電話線或以太網等相關領域。此外，在醫(yī)療、電器、空調、不間斷電源、切換式電源、半導體照明和其他方面都隨處可見它們的身影（圖2）。

圖2 DSP和MCU融合的應用領域（略）

一 方面，融合架構在許多領域得到日益廣泛的應用，而另一方面，融合平臺也面臨著許多問題亟待解決：（1）功耗，融合了DSP和MCU的平臺在擁有更高的性能的同時，也比傳統(tǒng)的單一DSP或MCU有更高的功耗。對于功耗非常敏感的便攜式設備來說，如何進一步降低功耗，是其面臨的首要問題。（2）應用環(huán)境開發(fā)，為用戶提供簡便易用的開發(fā)、調試環(huán)境。鄭小龍指出，在硬件方面，表貼QFP和球面BGA封裝開始廣泛應用，電路仿真調試手段逐步過渡到邊界掃描接口（JTAG）技術。而在軟件方面，隨著軟件規(guī)模不斷擴大，采用嵌入式操作系統(tǒng)來管理軟、硬件資源勢在必行，傳統(tǒng)的C語言和匯編語言混合編程的模式也在引入，特別是面向對象思想的C++和Java語言更是對傳統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境帶來了很大的改變。因此，為 用戶提供一個易于使用的編譯、產品開發(fā)環(huán)境變得非常重要。（3）成本及設計復雜性。嵌入式系統(tǒng)日益復雜化，因此盡可能簡化系統(tǒng)設計，縮短開發(fā)周期，提高產品性價比，變得越來越重要。

趨勢二：發(fā)展高性能MCU

雖然，DSP與MCU 融合的平臺已經顯示出種種優(yōu)勢以及廣闊的市場前景，但Silicon Labs微控制器產品亞太營銷經理暨產品營銷經理Len Staller卻給出了自己觀點。他認為，對于需要強大效能和控制功能的應用來說，DSP/MCU集成器件并非最佳解決方案。他指出，DSP/MCU集成器件不僅會替制造商帶來新的設計挑戰(zhàn)，還需要發(fā)展和測試新程序。真正理想的解決方案應該是高效能微控制器。

Len Staller認為，要滿足市場對高效能和控制功能的需求，最好的方法就是開發(fā)效能強大的微控制器。這是因為高效能微控制器不僅針對控制功能最佳化，還擁有設計人員期望于DSP/MCU混合器件的強大效能，以及微控制器設計簡單的優(yōu)點，因此是超越DSP/MCU混合器件的更佳解決方案。

Silicon Labs推出的C8051F36x小型微控制器系列，為設計人員提供了一套高效能、易于使用和高度集成的解決方案，它支持傳統(tǒng)上必須使用高成本16位微控制器和DSP的應用，包括需要精準移動控制和信號處理的消費和工業(yè)應用，例如工廠自動化、馬達控制、觸控面板、衛(wèi)星接收機通訊和顯示器。

C8051F360時鐘速度達100MHz ，包含1組雙周期16 x 16乘加器 （MAC） 、1個精準度2%的內部振蕩器和32kB可在線燒錄閃存，并擁有可配置I/O引腳和各種 通訊外設，包括無石英晶體的UART、SPI和SMBus。這款微控制器易于使用，其高集成度可以減少外部元器件數目，同時簡化及加快設計程序。

趨勢三：FPGA替代部分DSP和MCU功能

FPGA自從問世以來，就以強大的靈活性著稱。FPGA最大的特點就是可以反復地編程、擦除、使用或者在外圍電路不變的情況下用不同硬件電路實現各異的功能，并且，隨著工藝技術的進步，FPGA的功耗不斷降低，速度逐漸提高，同時成本也越來越低。因此，在某些領域，或者代替DSP，或作為DSP的協處理器，為許多需要DSP功能的復雜應用場合提供了快速、低成本的解決方案。

雖然FPGA相較DSP同樣具有可編程的特點，但FPGA更適合高性能運算密集型應用。FPGA可以以更大的并行度實現產品所需功能，在某些特定的應用場合FPGA可以代替DSP的功能，例如，進行視頻編碼的運動估計，為了搜索到最好的運動矢量，編碼出最好的視頻質量，需要大量的運算單元進行搜索，由于DSP不具備大量的并行處理能力，如果采用DSP將無法很好的完成 這些工作。而采用FPGA，則利用其硬件邏輯的可并行工作性，給視頻質量帶來更高的保障。目前，FPGA已經在很多場合替代DSP。

總線接口

FPGA支持眾多接口標準，對于總線橋接應用非常理想。無論是連接Serial RapidIO、VLYNQ和PCI Express等串行接口，還是PCI和PCI-X等并行接口，FPGA都可以滿足接口和橋接需要。

存儲器接口

FPGA可以用來橋接采用DDR和DDR2等不同標準的存儲器。

整合系統(tǒng)邏輯

降低系統(tǒng)成本通常是延長產品市場壽命的重要因素。將系統(tǒng)膠合邏輯整合到FPGA中可以減少材料清單數量、縮小尺寸并節(jié)約成本。

？實施新外設

盡管DSP處理器已經可以在器件中提供了適當的外設組合，但在設計中還是經常需要實現定制外設，因此，與DSP處理器相配合的FPGA可以提供實現新外設以及外設升級所需要的靈活性。

此外，隨著可編程芯片系統(tǒng)SOPC（System On a Programmable Chip）的出現，相當多的FPGA里面都集成了DSP或者CPU，目前Xilinx和Altera的FPGA都可以完成這樣的工作，它們不但可以集成自己的軟核，而且可以集成目前流行的PowerPC、ARM等硬核。這樣，FPGA就可以完全實現DSP和MCU的功能。而且FPGA在內置的嵌入式處理器中還可以添加一些自定義指令，從而可以快速完成一些特定算法，并且可以根據需要定義芯片管腳。

Xilinx非常著名的XtremeDSP技術就是在FPGA中引入了DSP模塊。XtremeDSP技術是針對航天和軍用產品、數字通信、多媒體、視頻和成像行業(yè)的高性能定制 DSP 解決方案。XtremeDSP 平臺產品包含 2 大系列 - Virtex DSP 和 Spartan DSP， 提供各種價格、性能、功效、帶寬和 I/O 選項，可以滿足通信、MVI（多媒體、視頻和成像）和軍用產品行業(yè)中各種應用的要求 。

Xilinx中國區(qū)運營總經理和亞太區(qū)處理解決方案部總監(jiān)吳曉東指出，FPGA和DSP處理器相結合非常適于處理高度復雜的信號處理算法。傳統(tǒng)DSP（數字信號處理器）和GPP（通用處理器）性能可達5 GMACS左右，而賽靈思 DSP優(yōu)化的FPGA可以彌補算法要求和性能之間的差距，Spartan DSP性能高達30 GMACS，Virtex 5 DSP的性能則超過350 GMACS。

同樣以提供高性能FPGA產品著稱的另一廠商市場Altera，推出了Nios嵌入式處理器。

可 配置的Nios CPU（16位或32位數據寬度）基于Nios處理器系統(tǒng)的核心，它可以被配置成各種廣泛的應用。例如，一個16位數據位寬度的Nios CPU，配合一個很小的片內ROM（芯片內的存儲器塊可以被配置成ROM）而實現的序列發(fā)生器或控制器，可以替代一個硬核的狀態(tài)機。而采用一個32位數據寬度的Nios CPU配合流外設、硬件加速單元，還有定制指令，就可以實現一個強大的32位的嵌入式處理器系統(tǒng)。

展望

技術的飛速發(fā)展，促使各種新的解決方案層出不窮，為我們提供了越來越多的選擇性，但是，無論哪種解決方案，高性能、低成本都是廠商始終追求的目標，而確保這些方案都能很好的滿足市場需求也變得相當關鍵。MCU 、DSP、FPGA的單打獨斗已經不能滿足市 場需求，三者的融合與互補恰恰提供了一種更好的解決方案。未來，三者的交錯融合的趨勢將愈演愈烈。