ARM、DSP、FPGA比較

時間:2017-09-25 17:35:45

ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業的一家知名企業,設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟 件。ARM架構是面向低預算市場設計的第一款RISC微處理器,基本是32位單片機的行業標準,它提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案,四個功能模塊可供生產廠商根據不同用戶的要求來配置生產。由于所有產品均采用一個通用的軟件體系,所以相同的軟件可在所有產品中運行。目前ARM在手持設備市場占有90%以上的份額,可以有效地縮短應用程序開發與測試的時間,也降低了研發費用。ARM是32位的單片機,其內部硬件資源的性能較高,可以加載操作系統成為其主要特點,有了操作系統,就可以像pc機那樣多任務實時處理,就是同一時間內能完成多個任務,而且不會互相影響。 


DSP(digital signal processor)是一種獨特的微處理器,有自己的完整指令系統,是以數字信號來處理大量信息的器件。其最大特點是內部有專用的硬件乘法器和哈佛總線結構對大量的數字信號處理的速度快。一個數字信號處理器在一塊不大的芯片內包括有控制單元、運算單元、各種寄存器以及一定數量的存儲單元等等,在其外圍還可以連接若干存儲器,并可以與一定數量的外部設備互相通信,有軟、硬件的全面功能,本身就是一個微型計算機。DSP采用的是哈佛設計,即數據總線和地址總線分開,使程序和數據分別存儲在兩個分開的 空間,允許取指令和執行指令完全重疊。也就是說在執行上一條指令的同時就可取出下一條指令,并進行譯碼,這大大的提高了微處理器的速度。另外還允許在程序空間和數據空間之間進行傳輸,因為增加了器件的靈活性。其工作原理是接收模擬信號,轉換為0或1的數字信號,再對數字信號進行修改、刪除、強化,并在其 他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式。它不僅具有可編程性,而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序,遠遠超過通用微處理器,是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度,是最值得稱道的兩大特色。由于它運算能力很強,速度很快,體積很小,而且采用 軟件編程具有高度的靈活性,因此為從事各種復雜的應用提供了一條有效途徑。根據數字信號處理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特點:
(1)在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法;
(2)程序和數據空間分開,可以同時訪問指令和數據;
(3)片內具有快速RAM,通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問;
(4)具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持;
(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持;
(6)具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器;
(7)可以并行執行多個操作;
(8)支持流水線操作,使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。
當然,與通用微處理器相比,DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。
FPGA是(Field Programmable Gate Array)現場可編程門陣列的縮寫,它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物,是專用集成電路(ASIC)中集成度最高的一種。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念,內部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部分。用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置,以實現用戶的邏輯。它還具有靜態可重復編程和動態在系統重構的特性,使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路,FPGA既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。可以毫不夸張的講,FPGA能完成任何數字器件的功能,上至高性能CPU,下至簡單的74電路,都可以用FPGA來實現。FPGA如同一張白紙或是一堆積木,工程師可以通過傳統的原理圖輸入法,或是硬件描述語言自由的設計一個數字系統。通過軟件仿真,我們可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以后,還可以利用FPGA的在線修改能力,隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用FPGA來開發數字電路,可以大大縮短設計時間,減少PCB面積,提高系統的可靠性。FPGA是由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀態的,因此工作時需要對片內的RAM進行編程。用戶可以根據不同的配置模式,采用不同的編程方式。加電時,FPGA芯片將EPROM中數據讀入片內編程RAM中,配置完成后,FPGA進入工作狀態。掉電后,FPGA恢復成白片,內部邏輯關系消失,因此,FPGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA 編程器,只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時,只需換一片EPROM即可。這樣,同一片FPGA,不同的編程數據,可以產生不同的電路功能。因此,FPGA的使用非常靈活。可以說,FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。


區別:
ARM具有比較強的事務管理功能,可以用來跑界面以及應用程序等,其優勢主要體現在控制方面;ARM是32位的單片機,其內部硬件資源的性能較高,可以加載操作系統成為其主要特點,有了操作系統,就可以像pc機那樣多任務實時處理,就是同一時間內能完成多個任務,而且不會互相影響。
DSP主要是用來計算的,比如進行加密解密、調制解調等,優勢是強大的數據處理能力和較高的運行速度;
FPGA可以用VHDL或verilog HDL來編程,靈活性強,由于能夠進行編程、除錯、再編程和重復操作,因此可以充分地進行設計開發和驗證。當電路有少量改動時,更能顯示出FPGA的優勢,其現場編程能力可以延長產品在市場上的壽命,而這種能力可以用來進行系統升級或除錯。

 

DSP VS FPGA
DSP是通用的信號處理器,用軟件實現數據處理;FPGA用硬件實現數據處理。DSP成本低,算法靈活,功能性強,而FPGA的實時性好,成本較高,FPGA適合于控制功能算法簡單且含有大量重復計算的工程使用,DSP適合于控制功能復雜且含有大量計算任務的工程應用。
DSP是軟件實現算法,FPGA是硬件實現算法,所以FPGA的處理速度會更高;FPGA比DSP快的一個重要原因是FPGA可以實現并行運算,而DSP由于硬件結構條件限制,主要還是依靠軟件來提取指令執行,理解為還是串行執行的。


展望:
FPGA目前的趨勢是有代替ARM及DSP的可能,在FPGA內部置入乘法器和DSP塊,就具有高速的DSP處理能力。在FPGA內置入硬核CPU或軟核CPU(Xilinx有powerpc硬核的產品,有microblaze軟核。Altera有NIOS II 軟核)就可以成為既有能實現數字邏輯有適應嵌入式開發的綜合性器件了。

 

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