MCUDSPFPGA呈現(xiàn)多元化發(fā)展ppt課件

1、MCU/DSP/FPGA呈現(xiàn)多元化開展 了解歷史,解析當今,展望未來了解歷史了解歷史摩爾定律意味著什么摩爾定律意味著什么?摩爾定律摩爾定律(Mooresches Gesetz) 是由英特爾是由英特爾(Intel)開創(chuàng)人之一戈登開創(chuàng)人之一戈登摩爾摩爾Gordon Moore提出來的。提出來的。其內(nèi)容為：集成電路上可包容的晶體管數(shù)目，約每隔其內(nèi)容為：集成電路上可包容的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會添加個月便會添加一倍，性能也將提升一倍，而價錢下降一半；或者說，每一美圓所能一倍，性能也將提升一倍，而價錢下降一半；或者說，每一美圓所能買到的電腦性能，將每隔買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩番。這一定律

2、提示了信息技術提個月翻兩番。這一定律提示了信息技術提高的速度。高的速度。 1965年年4月月19日日雜志第雜志第114頁發(fā)表了一篇仙童公司工程師摩頁發(fā)表了一篇仙童公司工程師摩爾撰寫的題為爾撰寫的題為“讓集成電路填滿更多的元件的文章，文中預言半導讓集成電路填滿更多的元件的文章，文中預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年翻一番。體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年翻一番。 1975年，摩爾在年，摩爾在IEEE的一次學術年會上提交了一篇論文，根據(jù)當時的一次學術年會上提交了一篇論文，根據(jù)當時的實踐情況對摩爾定律進展了修正，把的實踐情況對摩爾定律進展了修正，把“每年翻一番改為每年翻一番改為“每兩年

3、翻每兩年翻一番，而如今普遍流行的說法是一番，而如今普遍流行的說法是“每每18個月翻一番。但個月翻一番。但2019年年9月摩爾在接受一次采訪時聲明他從來沒有說過月摩爾在接受一次采訪時聲明他從來沒有說過“每每18個月翻一番。個月翻一番。 數(shù)字器件的開展歷史1947年：貝爾實驗室肖克萊等人發(fā)明了晶體管，這是微電子技術開展中第一個里程碑； 1950年：結(jié)型晶體管誕生；1950年： R Ohl和肖特萊發(fā)明了離子注入工藝；1951年：場效應晶體管發(fā)明；1956年：C S Fuller發(fā)明了分散工藝；1958年：仙童公司Robert Noyce與德儀TI公司間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路，開創(chuàng)世界微電子學的 歷

4、史； 74/54系列1960年：H H Loor和E Castellani發(fā)明了光刻工藝；1962年：美國RCA公司研制出MOS場效應晶體管；1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah初次提出CMOS技術，今天，95%以上的集成電路芯 片都是基于CMOS工藝；1964年：Intel摩爾提出摩爾定律，預測晶體管集成度將會每18個月添加1倍；1966年：美國RCA公司研制出CMOS集成電路，并研制出第一塊門陣列50門；40/45系列1967年：運用資料公司Applied Materials成立，現(xiàn)已成為全球最大的半導體設備制造公司；1971年：Intel推出1kb動態(tài)隨機存儲器DRAM，標

5、志著大規(guī)模集成電路出現(xiàn)；1971年：全球第一個微處置器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工藝，這是一個里程碑式的發(fā)明；數(shù)字器件的開展歷史1974年：RCA公司推出第一個CMOS微處置器1802；1976年：16kb DRAM和4kb SRAM問世；1978年：64kb動態(tài)隨機存儲器誕生，缺乏0.5平方厘米的硅片上集成了14萬個晶體管，標志著超大 規(guī)模集成電路VLSI時代的降臨；1979年：Intel推出5MHz 8088微處置器，之后，IBM基于8088推出全球第一臺PC；1981年：256kb DRAM和64kb CMOS SRAM問世；1984年：日本宣布推出1Mb DRAM和2

6、56kb SRAM；1985年：80386微處置器問世，20MHz；1988年：16M DRAM問世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500萬個晶體管，標志著進入超大規(guī)模 集成電路ULSI階段；1989年：1Mb DRAM進入市場；1989年：486微處置器推出，25MHz，1m工藝，后來50MHz芯片采用0.8m工藝；1992年：64M位隨機存儲器問世；1993年：66MHz奔騰處置器推出,采用0.6工藝；2019年:Pentium Pro, 133MHz，采用0.6-0.35工藝；2019年：300MHz奔騰問世,采用0.25工藝；2019年：奔騰問世，450MHz，采用0.25工藝，后采用

7、0.18m工藝；2000年: 1Gb RAM投放市場；EETOP專業(yè)博客-電子工程師本人的家園 M 3w O6X!n;Q2000年：奔騰4問世，1.5GHz，采用0.18工藝；2019年：Intel宣布2019年下半年采用0.13工藝。電子產(chǎn)品設計主流器件 通用小規(guī)模數(shù)字器件 74/54 系列 40/45系列 微處置器 MCU (4位-8位-16位-32 4MHZ1GMHZ) 數(shù)字信號處置器 DSP (定點/浮點 運算) 大規(guī)模可編程邏輯器件 CPLD/FPGA Complex Programmable Logic Device Field Programmable Gate Array解析當

8、今多元化的開展勢頭 MCU憑仗其強大的控制功能，廣泛地用于消費類電子、通訊、汽車電子、工業(yè)等領域。有資料顯示，MCU產(chǎn)品需求量每年不斷增長，2019年全球MCU市場將增長到160億美圓。DSP那么以其杰出的數(shù)據(jù)處置才干以及優(yōu)秀的數(shù)據(jù)算法，成為數(shù)字信息時代的中心引擎。來自市場調(diào)研機構(gòu)IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，2019年全球DSP市場將增長9%，到達85億美圓，2019年將以18%的速度增長，2019年那么達27%。而FPGA更是以其極大的靈敏性、豐富的接口和優(yōu)越的性能著稱，利用FPGA可以實現(xiàn)任何數(shù)字器件的功能。據(jù)市場調(diào)研公司Gartner Dataquest預測，2019年FPGA和其

9、他可編程邏輯器件(PLD)市場將從2019年的32億美圓增長到67億美圓。 MCU、DSP、FPGA各自雄霸一方，并都呈現(xiàn)出高速的增長態(tài)勢。但各種消費類產(chǎn)品特別是便攜式產(chǎn)品的功能逐漸由單一走向多元化，傳統(tǒng)的單一半導體處理方案曾經(jīng)不能順應多媒體產(chǎn)品的需求，MCU、DSP、FPGA的開展遭到了前所未有的挑戰(zhàn)，呈現(xiàn)出多元化的開展勢頭。 趨勢一DSP、MCU走向交融 DSP普通采用哈佛架構(gòu)，超長指令字架構(gòu)等，數(shù)據(jù)存取和指令分開，內(nèi)部運算單元多，有專門的硬件乘加構(gòu)造，因此運算速度極高。其內(nèi)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，特別適宜進展大量數(shù)字信號的實時處置。而M

10、CU數(shù)據(jù)存取和指令沒有分開，運算速度較低，運算單元較少，且內(nèi)部存儲器不大。但MCU接口相當靈敏，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，因此非常適宜于各種控制運用。 然而，隨著系統(tǒng)需求的添加，在某些運用中，既要求系統(tǒng)具有良好的控制功能，又需求有高速的數(shù)據(jù)處置才干，因此，交融了DSP和MCU各自優(yōu)點的混合處置架構(gòu)無疑是一種良好的處理方案。DSP和MCU在實踐運用有一個共通的地方，即，它們都是面向嵌入式系統(tǒng)的運用，或者是基于需求進展大量數(shù)據(jù)處置的實時系統(tǒng)，或者是需求實施許多控制功能的即時系統(tǒng)。這種

11、實時性和多功能也為DSP與MCU的交融提供了很好的根底。因此，DSP/MCU交融的架構(gòu)逐漸遭到半導體廠商的青睞，TI、ADI、Microchip等紛紛推出了相關處理方案，力圖在這一市場中搶占先機TITI作 為全球DSP的指點廠商，推出了針對2.5G、3G無線運用的雙核處置開架構(gòu)OMAP平臺，它集成了適宜于加速運用的超低功耗DSP與適于控制的ARM925以及高級操作系統(tǒng)(OS)功能。OMAP平臺的主處置器為OMAP1510，其雙核構(gòu)造的主要優(yōu)勢在于，由兩個獨立的器件來完 成運用途置義務。即，運用ARM925來處置控制代碼，如用戶界面、OS和高級運用，而DSP那么用來實現(xiàn)多媒體、語音、平安性或其他

12、功能，這兩個內(nèi)核之間采用公用的處置器內(nèi)部通訊機制相銜接。 OMAP 平臺為在便攜式設備中 開發(fā)語音運用提供理處理方案。在用于便攜式設備時，這種 DSP 和 MCU 結(jié)合的架構(gòu)可以提供優(yōu)良的性能和功耗優(yōu)勢。憑仗優(yōu)化的底層軟件，DSP 能以低功耗方式執(zhí)行信號處置義務，從而延伸電池運用壽命，并可實現(xiàn)更小的產(chǎn)品體積，大大提高了產(chǎn)品運用性能。 TI(上海)DSP業(yè)務開展經(jīng)理鄭小龍指出，DSP具有實時高速運算的優(yōu)勢，其中心處置單元中具有適宜于數(shù)字乘加處置的特殊構(gòu)造，而“修正式哈佛構(gòu)造又提高了內(nèi)存管理效率，而且還支持許多高速外圍接口。MCU具有靈敏高效控制的特征，特別是沿用“馮-紐曼構(gòu)造的16位機，全部存儲

13、器和外圍模塊都位于同一個地址空間，處置才干可以遠超出智能化傳感系統(tǒng)要求。TI的OMPA平臺正是結(jié)合了二者的優(yōu)勢，目前，TI 曾經(jīng)與多家正在開發(fā) ASR、TTS、DSR 和語者驗證等在內(nèi)的語音技術的主要第三方開發(fā)商展開協(xié)作，并且曾經(jīng)有多家公司采用了TI 的OMPA平臺處理方案。 ADIADI推出的DSP/MCU混合處理方案嵌入式處置器Blackfin系列，采用單核構(gòu)造。Blackfin處置器基于ADI和Intel結(jié)合開發(fā)的微信號架構(gòu)(MSA)，將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處置功能，與通用型微控制器所具有的易用性組合在一同。Blackfin處置器包含一個10 級 R

14、ISC MCU/DSP 流水線和一個專為實現(xiàn)最正確代碼密度而設計的混合 16/32 位指令集架構(gòu)。這種處置特征的組合使Blackfin 處置器能在信號處置和控制處置運用中均能發(fā)揚出色作用。在許多場所中，它還免除了增設單獨的MCU的需求，簡化了硬件和軟件設計和實現(xiàn)難度。對于一些需求同時采用高性能信號處置器和高效控制處置器的運用中，采用一個Blackfin 處置器就可以滿足系統(tǒng)要求，縮減了開發(fā)時間并降低了本錢。 Blackfin 處置器架構(gòu)還具備RISC控制處置器的一些特點，包括功能強大且靈敏的分層存儲器架構(gòu)、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(wǎng) MAC、UARTS、SP

15、I、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敏性，并最大限制地降低了終端系統(tǒng)本錢。目前，Blackfin處置器曾經(jīng)廣泛的用于嵌入式音頻、視頻和通訊運用等領域(圖1)。 Microchip 而一向在MCU領域見長的Microchip公司，推出了其16位dsPIC數(shù)字信號控制器 (DSC)，并初次提出了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(jié)合，構(gòu)成適宜嵌入式系統(tǒng)設計的嚴密結(jié)合的單芯片單指令流處理方案。 dsPIC DSC架構(gòu)支持84條指令和10種尋址方式。dsPIC指令集由用于嵌

16、入式運用的各種靈敏的MCU指令和從單指令流執(zhí)行的DSP操作公用指令集組成，兩種指令可以共享很多CPU資源。dsPIC DSC內(nèi)核支持MCU和DSP功能需求的各種位操作。位操作在MCU中很常見，但在DSP中的運用卻很少見。而dsPIC DSC添加了強大的位操作功能，如位測試、位設置和位挪動指令以及能識別出數(shù)據(jù)字中第一個有效位的位尋覓操作。 Microchip數(shù)字信號控制器部門產(chǎn)品推行工程師Steve Marsh先生指出，dsPIC系列產(chǎn)品具備一些非數(shù)字信號處置器的特性(如桶式移位器或更多的隨機存取內(nèi)存空間)，而這正是工程師們所想要的，所以在非數(shù)字信號處置器運用方面，工程師更傾向于選擇數(shù)字信號控制

17、器而不是單片機。dsPIC系列產(chǎn)品目前曾經(jīng)用于AC/DC轉(zhuǎn)換器、隔離式DC/DC電源轉(zhuǎn)換器以及其他電源轉(zhuǎn)換運用，如嵌入式電源控制器、逆變電源和不延續(xù)電源(UPS)等領域。 MIPS 科技 MIPS 科技也推出了內(nèi)置 DSP 擴展的高性能、低功耗內(nèi)核系列MIPS3224KE，它集成了高效DSP才干，同時可以顯著減少整體 SoC面積、本錢及功耗，并可改善信號處置性能。MIPS產(chǎn)品營銷經(jīng)理Pete Del Vecchio表示，DSP/MCU混合處置架構(gòu)性能等于或高于低端DSP內(nèi)核的性能。利用單芯片或單內(nèi)核可以獲得明顯的本錢優(yōu)勢，還可以大大加快產(chǎn)品上市時間 。 兼具DSP與MCU功能的平臺最早運用于發(fā)

18、動機控制，之后拓展到語音處置、傳感器處置等運用，并用來替代帶有數(shù)字濾波器的合成模擬濾波器。如今，這一平臺越來越廣泛的運用到計算機、線或以太網(wǎng)等相關領域。此外，在醫(yī)療、電器、空調(diào)、不延續(xù)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)。趨勢一DSP、MCU走向交融(續(xù)) 一 方面，交融架構(gòu)在許多領域得到日益廣泛的運用，而另一方面，交融平臺也面臨著許多問題亟待處理：(1)功耗，交融了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)運用環(huán)境開發(fā)，為用戶提供簡便易用

19、的開發(fā)、調(diào)試環(huán)境。鄭小龍指出，在硬件方面，表貼QFP和球面BGA封裝開場廣泛運用，電路仿真調(diào)試手段逐漸過渡到邊境掃描接口(JTAG)技術。而在軟件方面，隨著軟件規(guī)模不斷擴展，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言語和匯編言語混合編程的方式也在引入，特別是面向?qū)ο笏枷氲腃+和Java言語更是對傳統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境帶來了很大的改動。因此，為 用戶提供一個易于運用的編譯、產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境變得非常重要。(3)本錢及設計復雜性。嵌入式系統(tǒng)日益復雜化，因此盡能夠簡化系統(tǒng)設計，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性價比，變得越來越重要。 趨勢二：開展高性能趨勢二：開展高性能MCU 雖然，DSP與MCU 交融的平臺

20、曾經(jīng)顯示出種種優(yōu)勢以及寬廣的市場前景，但Silicon Labs微控制器產(chǎn)品亞太營銷經(jīng)理暨產(chǎn)品營銷經(jīng)理Len Staller卻給出了本人觀念。他以為，對于需求強大效能和控制功能的運用來說，DSP/MCU集成器件并非最正確處理方案。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)，還需求開展和測試新程序。真正理想的處理方案應該是高效能微控制器。 趨勢二：開展高性能趨勢二：開展高性能MCU (續(xù)續(xù))Len Staller以為，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。這是由于高效能微控制器不僅針對控制功能最正確化，還擁有設計人員期望于DSP/MCU混合器

21、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混合器件的更佳處理方案。 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、易于運用和高度集成的處理方案，它支持傳統(tǒng)上必需運用高本錢16位微控制器和DSP的運用，包括需求精準挪動控制和信號處置的消費和工業(yè)運用，例如工廠自動化、馬達控制、觸控面板、衛(wèi)星接納機通訊和顯示器。 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(nèi)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

22、和SMBus。這款微控制器易于運用，其高集成度可以減少外部元器件數(shù)目，同時簡化及加快設計程序。 趨勢三：趨勢三：FPGA替代部分替代部分DSP和和MCU功能功能 FPGA自從問世以來，就以強大的靈敏性著稱。FPGA最大的特點就是可以反復地編程、擦除、運用或者在外圍電路不變的情況下用不同硬件電路實現(xiàn)各異的功能，并且，隨著工藝技術的提高，F(xiàn)PGA的功耗不斷降低，速度逐漸提高，同時本錢也越來越低。因此，在某些領域，或者替代DSP，或作為DSP的協(xié)處置器，為許多需求DSP功能的復雜運用場所提供了快速、低本錢的處理方案。雖然FPGA相較DSP同樣具有可編程的特點，但FPGA更適宜高性能運算密集型運用。F

23、PGA可以以更大的并行度實現(xiàn)產(chǎn)品所需功能，在某些特定的運用場所FPGA可以替代DSP的功能，例如，進展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(zhì)量，需求大量的運算單元進展搜索，由于DSP不具備大量的并行處置才干，假設采用DSP將無法很好的完成 這些任務。而采用FPGA，那么利用其硬件邏輯的可并行任務性，給視頻質(zhì)量帶來更高的保證。 趨勢三：趨勢三：FPGA替代部分替代部分DSP和和MCU功能功能 (續(xù)續(xù))目前，F(xiàn)PGA曾經(jīng)在很多場所替代DSP。 總線接口 FPGA支持眾多接口規(guī)范，對于總線橋接運用非常理想。無論是銜接Serial RapidIO、VLYNQ和PCI Expr

24、ess等串行接口，還是PCI和PCI-X等并行接口，F(xiàn)PGA都可以滿足接口和橋接需求。 存儲器接口 FPGA可以用來橋接采用DDR和DDR2等不同規(guī)范的存儲器。 整合系統(tǒng)邏輯 降低系統(tǒng)本錢通常是延伸產(chǎn)品市場壽命的重要要素。將系統(tǒng)膠合邏輯整合到FPGA中可以減少資料清單數(shù)量、減少尺寸并節(jié)約本錢。 實施新外設 雖然DSP處置器曾經(jīng)可以在器件中提供了適當?shù)耐庠O組合，但在設計中還是經(jīng)常需求實現(xiàn)定制外設，因此，與DSP處置器相配合的FPGA可以提供實現(xiàn)新外設以及外設晉級所需求的靈敏性。SOPC(System On a Programmable Chip)此外，隨著可編程芯片系統(tǒng)SOPC(System On a Programmable Chip)的出現(xiàn)，相當多的FPGA里面都集成了DSP或者CPU，目前Xilinx和Altera的FPGA都可以完成這樣的任務，它們不但可以集本錢人的軟核，而且可以集成目前流行的PowerPC、ARM等硬核。這樣，F(xiàn)PGA就可以完全實現(xiàn)DSP和MCU的功能。而且FPGA在內(nèi)置的嵌入式處置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(jù)需求定