代码收藏家 零基础也能轻松区分单片机、ARM、DSP和FPGA
一.单片机
1.1 背景与定义
单片机是指一个集成在一个芯片上的完整计算机系统，最早的单片机由微处理器核心、存储器、输入输出端口和计时电路等基本部分组成。例如，Intel公司推出的第一款单片机是Intel 8048，它于1976年发布，包括一个8位的中央处理器、ROM、RAM、输入输出端口和计时电路等基本模块，能够实现各种控制和处理任务。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。
后来，单片机不断发展，出现了更加复杂和功能强大的单片机，如8051系列、PIC系列、ARM系列等。这些单片机通常包括更多的外设接口、更大的存储器和更强大的计算能力，能够实现更加复杂的控制和处理任务。虽然ARM、DSP和FPGA都是集成电路，但它们不属于单片机的范畴
1.2 单片机的处理器架构
很多人搞不懂arm和单片机有什么关系，其实arm只是应用于单片机的一种处理器架构，而单片机其实有许多种架构，这些处理器架构各有特点和适用范围，根据不同的应用需求和系统设计要求选择合适的处理器架构是非常重要的。以下是市场中主流的一些处理器架构，并对其当下的市场份额做了一个大概的排序。
- ARM架构：是一种精简指令集（RISC）的处理器架构，由ARM公司推出，广泛应用于移动设备、嵌入式系统、网络设备等领域，市场占有率最高。
- 8051架构：是一种经典的8位微处理器架构，由英特尔公司于1981年推出，应用广泛，历史悠久。目前，基于8051架构的单片机已经成为市场上应用最广泛的系列之一。
- AVR架构：是由Atmel公司推出的一种精简指令集（RISC）的处理器架构，适用于低功耗、高性能应用，适用于很多嵌入式应用。
- PIC架构：是由微芯科技公司推出的一种8位微处理器架构，广泛应用于智能家居、汽车电子、医疗器械等领域。
- MIPS架构：是一种精简指令集（RISC）的处理器架构，由MIPS公司推出，广泛应用于网络设备、数字娱乐、嵌入式系统等领域。虽然应用领域较为广泛，但在移动设备领域市场份额较小，市场占有率相对较低。
arm为什么可以装OS系统，为啥接口丰富，arm设计商可以灵活配置arm形成什么样的芯片，arm的软件开发门槛更高（单片机STM32除外），一般需要虚拟机配合交叉编译等方式很麻烦，功耗高（只是基于arm核的单片机除外）
arm和基于arm核的单片机有什么区别，为什么说
二. ARM
2.1 背景与定义
ARM（Advanced RISC Machines）是一种基于RISC指令集架构的处理器架构，由ARM Holdings公司开发。ARM处理器广泛应用于各种移动设备和嵌入式系统，例如智能手机、平板电脑、数字相机、路由器、无线基站、电子游戏机等等。ARM架构在移动设备和嵌入式领域拥有广泛的市场份额，也逐渐进入了个人电脑PC和服务器领域。
2.2 ARM架构的特点
- 简化的指令集：ARM架构采用精简指令集（RISC）设计理念，指令集非常简洁，执行速度较快，对硬件资源的使用也更加高效。
- 可扩展性：ARM架构可以根据需求进行扩展，从8位到64位都有不同的版本，支持不同的数据类型和精度，支持多核处理器。
- 可以低功耗：ARM架构具有低功耗特性，适合用于电池供电的移动设备和嵌入式系统。
- 可靠性：ARM架构采用的是精简指令集，指令集的执行过程简单，因此系统可靠性高。
- 易于开发：ARM架构拥有丰富的软件和硬件开发工具，因此开发人员可以轻松地开发出高效、稳定的系统。
ARM架构的优点使其成为了移动设备和嵌入式系统中广泛使用的处理器架构之一。同时，ARM Holdings公司还提供了许多针对不同应用场景的处理器设计和核心，如Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M等系列。这些不同的系列可以满足不同领域的需求，例如Cortex-A系列适用于高性能的应用场景，Cortex-M系列适用于低功耗的嵌入式场景。
2.3 提问
高性能的arm处理器和arm单片机性能差别
应用于手机里的arm处理器和应用于stm32的arm处理器性能区别
- 主频和核心数量：应用于手机的ARM处理器通常采用更高的主频和更多的CPU核心，以支持更高的计算性能和更快的响应速度。而应用于STM32的ARM处理器则主要以低功耗为主要考虑，因此采用较低的主频和较少的CPU核心。
- 缓存大小：手机中的ARM处理器通常拥有更大的缓存，以加快数据读取和处理速度。而应用于STM32的ARM处理器则通常采用较小的缓存，因为在嵌入式系统中，存储空间往往是一项重要的资源。
- 外设控制能力：STM32系列的ARM处理器通常具有更强的外设控制能力，包括更多种类的外设控制器和更丰富的接口类型，可以更好地支持各种传感器、执行器等外部设备的控制和通讯。而应用于手机的ARM处理器则更侧重于计算性能和多媒体处理能力
三. DSP（数字信号处理器）
3.1 背景与定义
DSP是一种专门用于数字信号处理的集成电路，它具有高效的运算能力和专门的指令集，能够用于实现各种数字信号处理任务，如音频处理、图像处理等。DSP通常被用于构建数字信号处理器，相比通用微处理器，DSP在处理数字信号时更为高效，可快速执行信号的数值计算、处理、滤波、变换等操作。
DSP通常用于音频、视频、雷达、通信等领域，能够处理模拟信号转化为数字信号后的信号处理、运算、传输等过程。相比传统的通用微处理器，DSP在浮点运算、乘加运算、并行处理等方面具有更快的计算速度和更高的效率。常见的DSP芯片厂商包括TI、ADI、NXP、Freescale等。
3.2 DSP的特点
- 高效的运算能力：DSP通常具有高效的定点运算和浮点运算能力，能够快速执行各种信号处理算法和运算。
- 多通道处理能力：DSP能够同时处理多个通道的数字信号，实现并行处理，提高处理效率。
- 低功耗：DSP通常使用低功耗的架构设计，适合嵌入式系统和移动设备等应用场景。
- 灵活性：DSP支持灵活的编程方式，可根据具体应用场景进行定制化开发。
- 实时性：DSP具有快速的运算速度和实时处理能力，适合实时信号处理应用
3.3 提问
DSP工程师需要掌握哪些知识？
- 数字信号处理相关知识：DSP工程师需要了解数字信号处理的相关理论和算法，如离散傅里叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、滤波器设计、数字信号采集与重构等。
- 软件开发技能：DSP工程师需要掌握软件开发技能，如C/C++编程、汇编语言编程、嵌入式系统开发、RTOS等。
- 硬件设计知识：DSP工程师需要了解硬件设计相关知识，如模拟电路、数字电路、信号处理芯片、ADC/DAC等。
- DSP开发工具：DSP工程师需要掌握相应的开发工具，如CCS、Code Composer Studio、VisualDSP++等。
- 应用领域：DSP工程师需要了解自己所从事的应用领域，如音频处理、图像处理、雷达信号处理、通信系统等。
DSP是为何如此擅长数字信号处理？
它主要通过对数字信号的处理实现信号滤波、变换、分析、合成、压缩等操作，DSP的擅长数字信号处理主要是因为它采用了一系列针对数字信号处理优化的设计，例如：
- 数据通路优化：DSP针对数字信号处理中常用的运算（如加、减、乘、除、卷积等）进行了高效的硬件实现，并采用了流水线、并行计算等技术，以提高数据处理的效率。
- 存储器结构优化：DSP通常采用多级缓存和片上存储器等技术，以减少数据传输延迟和存储器访问时间。
- 指令集设计优化：DSP的指令集通常包含针对数字信号处理的专用指令，例如：快速傅里叶变换（FFT）、数字滤波器等，以提高处理速度。
- 能耗控制优化：DSP通常针对数字信号处理的特点，采用了动态电压调整、功耗管理等技术，以降低功耗并提高性能。
DSP为何需要傅里叶变换和数字滤波器？
- 傅里叶变换是将一个时域信号（即信号随时间的变化）转化成一个频域信号（即信号随频率的变化）。在数字信号处理中，傅里叶变换可以用来分析信号的频谱，从而可以实现滤波等操作。DSP可以通过傅里叶变换将一个数字信号转化成频域信号，然后进行频域的滤波等操作。
- 数字滤波器是一种数字信号处理器件，用于从数字信号中提取所需的信息。数字滤波器可以对数字信号进行低通滤波、高通滤波、带通滤波等操作，用于去除噪声、增强信号等等。DSP中通常使用数字滤波器对信号进行滤波。
DSP为何要将数字信号转化成频域信号后再进行频域的滤波等操作？
这样可以更方便地对信号进行分析和处理。在频域中，各个频率分量可以单独处理，这使得实现一些复杂的数字信号处理算法变得更加容易。
数字滤波器是数字信号处理中的一个重要部分，用于去除数字信号中的噪声或不想要的频率成分。对于连续时间信号，可以使用模拟滤波器进行滤波处理。而对于数字信号，则需要使用数字滤波器进行处理。在频域中，数字滤波器可以通过去除频率响应中不需要的部分，实现数字信号的滤波。因此，将数字信号转化为频域信号后，可以更容易地实现数字滤波器的设计和应用。
四. FPGA（现场可编程门阵列）
4.1 背景与定义
FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件，是一种基于可重构硬件的数字电路集成电路。与ASIC（Application-Specific Integrated Circuit，专用集成电路）不同，FPGA不是预先设计和制造的集成电路，而是在使用前由程序员进行配置和定制的。这意味着FPGA具有高度的灵活性和可编程性，可以通过重新编程来适应各种应用场景和需求。
FPGA其实就是一种集成元件库，将一大堆的离散的硬件的元器件集成地以一定规律地放到一个硅片上，可以集成导线、寄存器、一堆乘法器、时钟管理器(各种复杂倍频等)、存储器(DDR2、3、4)、存储控制器、高速串行器、CPU、AD转换器。
FPGA的核心是逻辑单元（Logic Cell）和可编程互连网络（Programmable Interconnect Network）。逻辑单元是FPGA的最基本单元，由多个基本逻辑门组成。可编程互连网络用于连接逻辑单元，实现不同逻辑单元之间的通信和数据传输。
FPGA广泛应用于数字信号处理、计算机视觉、网络通信、音视频处理、工业控制等领域。其应用范围广泛，可以满足不同行业和领域的需求。同时，由于FPGA在设计和开发方面具有一定的门槛，需要掌握硬件设计和编程知识，因此需要专业的FPGA工程师进行开发和维护。
4.2 FPGA特点
- One chip to rule them all，一个FPGA实现所有的电路
- 灵活性高：FPGA可通过重新编程来适应不同的应用场景和需求，比ASIC更加灵活。
- 处理速度快：FPGA具有并行处理能力，可以同时处理多个任务。
- 低功耗：相比ASIC，FPGA在功耗方面有一定优势。
- 设计周期短：由于不需要制造硬件，FPGA的设计和开发周期相对较短。
- 易于调试：FPGA可通过重新编程进行调试，不需要重新制造硬件。
4.3 提问
使用一款FPGA需要具备哪些知识
- FPGA工程师本质上使用硬件描述语言搭配开发套件来绘制电路原理图，再把原理图变成电路图，变成电路图之后就形成了一个bit文件可以下载到FPGA里，FPGA就可以被自定义使用了
- 数字电路设计知识：了解数字电路的基本原理、数字电路设计的方法和常用电路元件等。
- Verilog或VHDL编程语言：FPGA通常使用Verilog或VHDL编程语言进行开发，需要熟悉语言的语法和编程思想。
- FPGA开发工具：熟悉使用FPGA开发工具，例如Xilinx或Altera的开发工具，掌握如何使用这些工具来完成FPGA的设计和调试。
- 数字信号处理：如果涉及到数字信号处理的应用，需要了解相关的算法和信号处理技术。
- PCB设计：如果将FPGA集成到PCB中，需要掌握PCB设计的基本原理和方法，以及相关的软件工具，例如Altium Designer等。
- 总之，FPGA的开发需要有一定的电路设计、编程和系统调试经验，同时还需要掌握一些特定的领域知识。
使用一款FPGA有多难
哪些产品非常适合使用FPGA
- 数字信号处理器（DSP）：FPGA在数字信号处理方面表现出色，因此它被广泛应用于音频和视频处理，无线电和通信系统等DSP应用中。
- 高性能计算：FPGA的并行处理能力和高速IO接口使其成为加速计算的理想选择。FPGA可用于加速各种计算任务，例如图像处理、神经网络加速、金融模型等
- 网络加速器：随着云计算和网络虚拟化的发展，FPGA作为网络加速器被广泛采用。FPGA可以加速各种网络功能，例如防火墙、负载均衡、数据包过滤等。
- 汽车电子：FPGA可用于汽车电子应用，例如驾驶员辅助系统（ADAS）、发动机控制和车载娱乐系统等。FPGA的可编程性和高度定制化使其成为汽车电子应用的理想选择。
- 军事和航空电子：FPGA可用于各种军事和航空应用，例如雷达、导航、通信和电子对抗系统等。FPGA的高度可编程性和可靠性使其成为这些应用的理想选择。
高端相机为什么一定要使用FPGA
