8.9.10 常见处理器选型

概要：本文系统介绍了常见的嵌入式处理器类型，包括微处理器、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、FPGA 及 SoC 的应用特性、架构分类和选型要点。并对 STM32 系列、双核 MCU 及 FPGA 的选型策略进行了详细解析，为嵌入式系统设计提供了重要参考。（这几节课太水了，当概念看看就好）

1. 常见处理器选型概述

当前常用的嵌入式处理器种类较多，根据其应用领域、处理能力及架构大体可以分为以下几类：

• 嵌入式微处理器
• 嵌入式微控制器（MCU）
• 数字信号处理器（DSP）
• FPGA
• SoC

1.1 微处理器架构分类

根据 CPU 架构的不同，微处理器可分为：

• ARM 架构
• PowerPC 架构
• MIPS 架构
• X86 架构

1.2 微控制器（MCU）分类

微控制器，又称单片机，是将整个计算机系统集成到一块芯片中的处理器。常用类型包括：

• 8051 系列
• PIC 系列
• AVR 系列
• Cortex 系列

1.3 数字信号处理器（DSP）

DSP 对嵌入式系统结构和指令进行了特殊设计，适用于执行数字信号算法，具有较高的编译效率和指令执行速度。常见应用包括数字滤波、FET 和谐分析等。

1.4 FPGA

FPGA（现场可编程门阵列）具有高集成度、体积小、灵活可重配置、实验风险小等优点，广泛应用于复杂数字系统中。

1.5 SoC

SoC（芯片级系统）是具有特定目标的集成电路，在单个硅芯片上实现完整系统功能，嵌入全部所需软件。

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2. SoC（片上系统）

2.1 什么是 SoC？

SoC 是在单个硅芯片上实现整个系统功能的解决方案，替代多个物理芯片组合的传统方式。

图片示例：

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3. MCU 架构选型

3.1 CISC 结构的单片机

采用冯·诺伊曼结构，数据线和指令线分时复用。

• 优点：指令丰富，功能强
• 缺点：取指令与取数据不能同时进行，速度受限，价格较高
• 代表机型：Intel 8051 系列、Atmel AT89 系列、Winbond W78 系列
• 适用场景：控制关系复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统

3.2 RISC 结构的单片机

采用哈佛结构，数据线与指令线分离。

• 优点：速度快、程序存储器利用率高、集成度高
• 缺点：指令较简单
• 适用场景：控制较简单的场所

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4. STM32 系列 MCU

4.1 STM32 内核分类

• Cortex-M0 / M0+
• Cortex-M3
• Cortex-M4
• Cortex-M7

4.2 STM32 应用分类

• 超低功耗型
• 主流型
• 高性能型

4.3 单片机选型原则

• 适用性原则
• 可购买性原则
• 可开发性原则
• 符合产品原则：包括可靠性、实用性、易维护性、生命周期等，确保系统的可靠性、性价比、使用寿命和升级换代能力。

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5. 双核 MCU：STM32MP151D

5.1 处理器核心

• 双核 Cortex-A7，主频 800MHz
• 单核 Cortex-M4，主频 209MHz

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6. FPGA 选型要点

6.1 选择要素

• 专用资源（如高速接口通道、DSP 模块、RAM 块）
• 规模大小：预估逻辑资源需求，预留 20%-30% 余量
• 速度需求：根据功能需求及 datasheet，预估最大频率并留安全裕量
• 引脚数量：根据 I/O 类型、接口标准确定所需引脚和封装
• IP 资源：厂商是否提供丰富、低成本的 IP 核
• 器件可用性：避免选用易停产器件，建议选用新/次新产品
• 功耗评估：确定所需电源层数，估算功耗
• 工具软件可用性：国产 FPGA 工具稳定性需考虑
• 环境适应性：高低温、强辐射等环境下的性能
• 产品继承性：模块可移植性，便于替换和升级

6.2 主流 FPGA 厂商对比

• Xilinx
  • 短线资源丰富，布线成功率高
  • 提供真正的双口 RAM
  • 工具支持第三方仿真，功能强大
• Altera
  • 短线资源相对较少，需占用逻辑单元
  • 无原生双口 RAM，需双块 RAM 实现
  • 工具仿真功能相对较弱
• Lattice
• Actel