1、CPU

中央处理器,简称 CPU(Central Processing Unit),中央处理器主要包括两个部分,即控制器、运算器,其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。电子计算机三大核心部件就是CPU、内部存储器、输入/输出设备。中央处理器的功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。[1]

CPU历史发展:

Intel于1971年发售了自己的第一款4位微处理器,设计与ROM 4001,RAM 4002和移位寄存器4003配合工作。其中4004自身负责运算,其它部分则是使CPU正常工作的重要组成。大部分4004被用于计算器和其它类似的设备,而不是用在计算机中。它的最大频率只有740KHz。

4004使得Intel成为了一家微处理器公司,为了适应潮流,Intel发布了新的8位处理器系列。8008,8080和8085分别于1972年,1974年和1975年发布。

8086:X86的起点(1978)

Intel的第一款16微处理器,相比于8080大有提升。不仅频率更高,而且16位总线和其它附加硬件允许8086同时执行两条8位指令。它也能执行更高效的16位任务,但此时大多数软件是8位软件,所以支持16位在多任务能力面前显得不那么重要。地址总线则扩展到了20位,使得8086可以存取1MB的内存,因而提高了性能。

80386:X86的32位开端(1986)

Intel的第一款32位X86处理器是80386,于1985年发布。其中最关键的特性就是采用了32位地址总线最大支持4GB内存,尽管这个数字比当时大多数人用的要大得多,但RAM的限制损害了早先X86处理器和它的竞品的性能。与现代CPU不同的是,在80386时代,更多的RAM能够直接转化为性能的提升。Intel同时采用了一些架构改进来提升相同RAM大小的性能表现。

最初的Pentium(奔腾)(1993)

最初的Pentium CPU在1993年发布,但没有沿用80X86的命名方式。Pentium采用了P5架构,这是Intel在X86 CPU首次采用超标量技术(注:这与我们现在常提到的超线程技术不同),尽管全面超越了80486,但最突出的进步是改进了FPU。

Westmere:核显的开端(2010)

Intel使用32nm工艺重做了Nehalem并命名为Westmere,它的底层架构没有太多变化,但是通过制程带来的进步,Intel可以在CPU中塞下更多的东西,Westere堆至10核心以及多达30MB的三级缓存。

Broadwell(2014)

Intel的下一代架构的核心代号为Broadwell,采用14nm制程,为移动端而设计,于2014年发布。首个Broadwell产品是Core M,双核超线程CPU,TDP仅有3-6W

但是在桌面市场,几乎难见Broadwell的身影,仅在2015年中期发布寥寥几款产品,但集成了Intel史上最强核显,包括48组EU单元,128MB L4 eDRAM缓存,解决了核显的带宽问题,在游戏性能的测试中,表现优于AMD最快的APU

Skylake(2015)

在Broadwell桌面端发布后不久,Intel发布了下一代产品Skylake架构,尽管这是Intel至今最强的CPU,不过平台的变化可以说比CPU本身更重要。[2]

2、MCU

MCU(MicroControllerUnit)中文名称为微控制单元,又称单片微型计算机,是指随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。

MCU按其存储器类型可分为MASK(掩模)ROM、OTP(一次性可编程)ROM、FLASHROM等类型。MASKROM的MCU价格便宜,但程序在出厂时已经固化,适合程序固定不变的应用场合;FALSHROM的MCU程序可以反复擦写,灵活性很强,但价格较高,适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途;OTPROM的MCU价格介于前两者之间,同时又拥有一次性可编程能力,适合既要求一定灵活性,又要求低成本的应用场合,尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。[3]

3. MPU

微处理器单元(Micro Processor Unit, MPU),就是把很多 CPU 集成在一起并行处理数据的芯片。通俗来说,MCU 集成了 RAM,ROM 等设备;MPU 则不集成这些设备,是高度集成的通用结构的中央处理器矩阵,也可以认为是去除了集成外设的 MCU。

4、DSP

DSP(DigitalSignalProcessing),数字信号处理,简称DSP。DSP是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术。另外DSP也是DigitalSignalProcessor的简称,即数字信号处理器,它是集成专用计算机的一种芯片,只有一枚硬币那么大。

5、FPGA

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA做得好的厂商:Altera((阿尔特拉)被Intel收购)、Xilinx(赛灵思)、Actel、Lattice(莱迪思)、Atmel、京微雅格、QuickLogic、Microsemi、Cypress、TI、上海复旦微、广东高云、同方国芯、西安智多晶、中国电子、成都华微、深圳国微、遨格芯等等。

CPU、MCU、MPU、DSP、FPGA的比较

CPU(Central Processing Unit,中央处理器)发展出来三个分枝,一个是DSP(Digital Signal Processing/Processor,数字信号处理),另外两个是MCU(Micro Control Unit,微控制器单元)和MPU(Micro Processor Unit,微处理器单元)。

MCU:大都在结构上是基于冯·诺伊曼结构的,这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分:一个中央处理器核心,程序存储器(只读存储器或者闪存)、数据存储器(随机存储器)、一个或者更多的定时/计数器,还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口——所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。指令集上早期的MCU是采用CISC的,后面被RISC取代。在总线位数上,MCU覆盖了4位、8位、16位、32位,应用十分广泛。

DSP:结构上它采用哈佛结构,同样采用流水线技术。此外,DSP被用于宿主环境时可作为直接内存存取设备运作,还支持从模拟数字转换器(ADC)获得数据,最终输出的是由数字模拟转换器(DAC)转换为模拟信号的数据,支持一定的并行处理。

FPGA:FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。FPGA有别于DSP、ARM、MCU的地方主要在于它的并行处理能力,它的强大并行性使复杂的运算得到极大的速度比提升。[4]