CPUMPUMCU三者以及ARMDSPFPGA三者的区别.docx

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CPUMPUMCU三者以及ARMDSPFPGA三者的区别

CPU⇒MPU⇒MCU

1CPU〔CentralProcessingUnit,中央处理器〕

中央处理器〔CPU〕是电子计算机的主要器件之一，其功能主要是解释计算机指令及处理计算机软件中的数据。

1.1CPU的组成

CPU由运算器、控制器和存放器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。

运算器：

进展算术运算和逻辑运算（部件:

算数逻辑单元、累加器、存放器组、路径转换器、数据总线）。

控制器：

控制程序的执行,包括对指令进展译码、存放，并按指令要求完成所规定的操作，即指令控制、时序控制和操作控制。

复位、使能（部件:

计数器、指令暂存器、指令解码器、状态暂存器、时序产生器、微操作信号发生器）。

存放器：

用来存放操作数、中间数据及结果数据。

1.2CPU的工作原理

CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令存放器，并对指令译码，将指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作，从而完成一条指令的执行。

可分为四个阶段：

提取〔Fetch〕、解码〔Decode〕、执行〔Execute〕和写回〔Writeback〕。

注：

指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的根本命令。

指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。

有的指令中也直接包含操作数本身。

第一阶段：

提取

从存储器或高速缓冲存储器中检索指令〔为数值或一系列数值〕。

由程序计数器〔ProgramCounter〕指定存储器的位置，程序计数器保存供识别目前程序位置的数值。

换言之，程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹。

提取指令之后，程序计数器根据指令长度增加存储器单元。

指令的提取必须常常从相对较慢的存储器寻找，因此导致CPU等候指令的送入。

这个问题主要被论及在现代处理器的快取和管线化架构。

第二阶段：

解码

CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。

在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。

根据CPU的指令集架构〔InstructionSetArchitecture,ISA〕定义将数值解译为指令。

一局部指令数值为运算码〔Opcode〕，其指示要进展哪些运算。

其它的数值通常供应指令必要的信息，诸如一个加法〔Addition〕运算的运算目标。

这样的运算目标也许提供一个常数值〔即立即值〕，或是一个空间的定址值：

暂存器或存储器位址，以定址模式决定。

在旧的设计中，CPU里的指令解码局部是无法改变的硬件设备。

不过在众多抽象且复杂的CPU和指令集架构中，一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。

这些微程序在已成品的CPU中往往可以重写，方便变更解码指令。

第三阶段：

执行

在提取和解码阶段之后，接着进入执行阶段。

该阶段中，连接到各种能够进展所需运算的CPU部件。

例如，要求一个加法运算，算数逻辑单元〔ALU，ArithmeticLogicUnit〕将会连接到一组输入和一组输出。

输入提供了要相加的数值，而输出将含有总和的结果。

ALU含电路系统，易于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算〔比方加法和位元运算〕。

如果加法运算产生一个对该CPU的处理而言过大的结果，在标志暂存器里，运算溢出〔ArithmeticOverflow〕标志可能会被设置。

第四阶段：

写回

以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。

运算结果经常被写进CPU部的暂存器，以供随后指令快速存取。

在其它案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较廉价的主记忆体中。

某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果。

这些一般称作“跳转〞〔Jumps〕，并在程式中带来循环行为、条件性执行〔透过条件跳转〕和函式。

许多指令也会改变标志暂存器的状态位元。

这些标志可用来影响程式行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。

例如，以一个“比拟〞指令判断两个值的大小，根据比拟结果在标志暂存器上设置一个数值。

这个标志可由随后的跳转指令来决定程式动向。

在执行指令并写回结果之后，程序计数器的值会递增，反覆整个过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。

如果完成的是跳转指令，程序计数器将会修改成跳转到的指令位址，且程序继续正常执行。

许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。

这个局部一般涉及“经典RISC管线〞，那些实际上是在众多使用简单CPU的电子装置中快速普及〔常称为微控制器Microcontroller〕。

2MPU〔MicroprocessorUnit,微处理器〕

就物理性来说，MPU就是一块集成了数量庞大的微型晶体管与其他电子组件的半导体集成电路〔IntegratedCircuit,IC〕芯片。

微处理器（MPU）通常代表一个功能强大的CPU，但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。

MPU与传统的CPU相比，具有体积小、重量轻和容易模块化等优点。

2.1MPU的组成

MPU的组成局部有：

算术逻辑单元〔ALU，ArithmeticLogicalUnit〕；累加器和通用存放器组；程序计数器；运算器；时序和逻辑控制电路；数据和地址总线。

其中运算器和控制器是其主要组成局部。

MPU能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制局部。

它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

常见的MPU有Motorola的68K系列和Intel的X86系列。

2.2MPU的分类

根据处理对象的不同分类：

用作处理通用数据时，叫作中央处理器〔CentralProcessingUnit,CPU〕这也是最为人所知的应用〔如：

IntelPentiumCPU〕；

专用于作图像数据处理的，叫作图形处理器（GraphicsProcessingUnit,GPU）〔如NvidiaGeForce6150GPU〕；

用于音频数据处理的，叫作音频处理器（AudioProcessingUnit,APU）〔如Creativeemu10k1APU〕等等。

2.3MPU的体系构造：

·诺伊曼构造和哈佛构造

·诺伊曼构造

·诺伊曼构造〔或普林斯顿构造〕是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器构造。

程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度一样，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。

目前使用·诺伊曼构造的中央处理器和微控制器有很多。

除了上面提到的英特尔公司的8086，英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了·诺伊曼构造。

哈佛构造

哈佛构造是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的存储器构造。

中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进展下一步的操作〔通常是执行〕。

程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。

哈佛构造的微处理器通常具有较高的执行效率。

其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。

目前使用哈佛构造的中央处理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和AdvancedRISCMachines〔安谋〕公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也属于哈佛构造。

2.4MPU的典型代表:

DSP〔DigitalSignalProcessor,数字信号处理器〕

DSP〔Digitalsignalprocessor〕是一种特殊构造的CPU，有自己的完整指令系统；它专门用于处理数字信号的各种功能，如FFT、数字滤波算法、加密算法和复杂控制算法等。

其工作原理是，承受模拟信号并转换成‘0’和‘1’的数字信号，再对数字信号进展修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进展数字信号处理运算的微处理器，包括控制单元、运算单元、各种存放器以及一定数量的存储单元等，在其外围还可以连接假设干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。

其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。

根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：

〔1〕在一个指令周期可完成一次乘法和一次加法；

〔2〕程序和数据空间分开〔哈佛构造〕，可以同时访问指令和数据；

〔3〕片具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

〔4〕具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

〔5〕快速的中断处理和硬件I/O支持；

〔6〕具有在单周期操作的多个硬件地址产生器；

〔7〕可以并行执行多个操作；

〔8〕支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

目前有许多微处理器〔MPU〕逐渐演化为微控制器〔MCU〕比方arm，因此这些概念开场融合，所以处理器包括CPU，MCU，DSP。

ARM目前是嵌入式处理器的代名词：

由CPU，少量的RAM，FLASH，和其它接口封装而组成的。

3MCU〔MicrocontrollerUnit,微控制器/单片机〕

3.1MCU的概念

MCU是将微型计算机的主要局部〔包括CPU，存储器，定时/计数器〔Timer/Counter〕，各种I/O接口〕集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，实现嵌入式应用，故也称单片机〔SingleChipMicroputer，单片微型计算机〕。

随后为了满足控制领域的嵌入式应用，单片机中不断扩展一些满足控制要求的电路单元，目前单片机已广泛称为微控制器〔MCU〕。

也有由微处理器开展的微控制器，比方Intel的386EX就是很成功的80386微处理器的微控制器版本，它与嵌入式应用的微处理器一样，也称为嵌入式微处理器。

嵌入式处理器的高端产品有：

AdvancedRISCMachines公司的ARM、SiliconGraphics公司的MIPS、IBM和Motorola的PowerPC、Intel的X86和i960芯片、AMD的Am386EM、Hitachi的SHRISC芯片。

3.2MCU的概述

绝大多数现在的单片机都是基于·诺伊曼构造的，这种构造清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个根本局部：

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/计时器，还有用来与外围设备以及扩展资源进展通信的输入/输出端口，所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

说单片机与通用型中央处理单元芯片不同，是因为前者一般很容易配合最小型的外部支持芯片制成工作计算机，这样就可以很容易的把单片机系统植入装置部来控制装置了。

近年来为了在指令和数据上使用不同的字宽，并提高处理器流水线速度，哈佛构造在微控制器〔Microcontroller〕和数字信号处理器〔DigitalSignalProcessor,DSP〕也逐渐得到了广泛的应用。

传统的微处理器是不允许这么做的。

它要完成单片机的工作，就必须连接一些其他芯片。

比方说，因为芯片上没有数据存储器，就必须要添加一些RAM的存储芯片，虽然所添加存储器的容量很灵活，但是至少还是要添加。

另外还需要添加很多连线来传递芯片之间的数据。

与以上的情况相比，单片机的工作那么相对独立，一个典型的微控制器只需要一个时钟发生器和很少的RAM和ROM〔或者EPROM,