对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC，相信大家都不陌生，但是你确定你真的了解它们吗？你知道这五者之间都有哪些联系和区别吗？别急，下面立马带你一探究竟！

ARM

ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

ARM历史发展：

1978年12月5日，物理学家赫尔曼·豪泽（Hermann Hauser）和工程师Chris Curry，在英国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。

起初，Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的16位芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。"一台售价500英镑的机器，不可能使用价格100英镑的CPU！"他们转而向Intel公司索要80286芯片的设计资料，但是遭到拒绝，于是被迫自行研发。

1985年，Roger Wilson和Steve Furber设计了他们自己的第一代32位、6M Hz的处理器，Roger Wilson和Steve Furber用它做出了一台RISC指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是ARM这个名字的由来。

RISC的全称是"精简指令集计算机"（reduced instruction set computer），它支持的指令比较简单，所以功耗小、价格便宜，特别合适移动设备。早期使用ARM芯片的典型设备，就是苹果公司的牛顿PDA。

20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。

1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司。苹果公司出资150万英镑，芯片厂商VLSI出资25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。公司的办公地点非常简陋，就是一个谷仓。20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。

MCU

MCU本质为一片单片机，指将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成的芯片级的计算机。

MCU做得好的厂商：瑞萨(Renesas)、恩智浦(NXP)、新唐、微芯(Microchip)、意法半导体(ST)、爱特梅尔(Atmel)、英飞凌(Infineon)、德州仪器(TI)、东芝(Toshiba)、三星(Samsung)、赛普拉斯(Cypress)、亚德诺半导体(ADI)、高通(Qualcomm)、富士通(Fujitsu)、超威半导体(AMD)、盛群/合泰半导体(Holtek)、中颖电子、炬力、华润微、沛城、义隆、宏晶、松翰、凌阳、华邦电子、爱思科微、十速科技、佑华微、应广、欧比特、贝岭、东软载波微、君正、中微、兆易、晟矽微、芯海、联华、希格玛、汇春、建荣科技、华芯微、神州龙芯、紫光微、时代民芯、国芯科技、中天微等等。

DSP

DSP(Digital SignalProcessing)，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Digital Signal Processor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。

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。

SOC

SoC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。一般说来， SoC称为系统级芯片，也有称片上系统,意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的比较

1、采用架构

ARM：架构采用32位精简指令集（RISC）处理器架构，从ARM9开始ARM都采用了哈佛体系结构，这是一种将指令与数据分开存放在各自独立的存储器结构，独立的程序存储器与数据存储器使处理器的处理能力得到较大的提高。ARM多采用流水线技术，此技术通过多个功率部件并行工作来缩短程序执行时间，使指令能在多条流水线上流动，从而提高处理器的效率和吞吐率。现今ARM7采用了典型的三级流水线，ARM9采用五级流水线技术，而ARM11使用了7级流水线，ARM Cortex-A9更是使用了可变流水线结构（支持8-11级流水线）。在多核心的支持上ARM Cortex-A9最多可支持4个核心，这是ARM系列处理器中首次支持多核心技术。下图表示了ARM Cortex-A9的内部结构。

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：又名数字信号处理器，它是一种专用于实时的数字信号处理的微处理器。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是英文Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列）的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）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。

SOC：系统芯片是一个将计算机或其他电子系统集成单一芯片的集成电路。系统芯片可以处理数字信号、模拟信号、混合信号甚至更高频率的信号。系统芯片常常应用在嵌入式系统中。系统芯片的集成规模很大，一般达到几百万门到几千万门。SOC相对比较灵活，它可以将ARM架构的处理器与一些专用的外围芯片集成到一起，组成一个系统。其实现有的ARM处理器如Hisi-3507、hisi3516等处理器都是一个SOC系统，尤其是应用处理器它集成了许多外围的器件，为执行更复杂的任务、更复杂的应用提供了强大的支持。

2、功耗

ARM： 可以说ARM之所以在移动市场上得到极大的成功，其中最主要的原因便是它的低功耗。众所周知的是在移动市场上的电子产品对处理器的功耗是十分敏感的，在过去PC平台上处理器的功耗在几十W到上百W不等，这样的功耗放在移动平台上是不可想像的，ARM在主频1G的情况下功耗才几百mW,强劲的低功耗使它能适应移动电子产品。

DSP：在与非网的一组数据上显示，在数字信号处理方面的市场占有率DSP与FPGA各得半壁江山。DSP相对于FPGA的一个优势是它的功耗相对较低，DSP生产厂商通过提高处理器的主频、努力降低功耗来保证它的市场占有率，因为在高性能的数字处理市场上FPGA似乎更占有优势。如果单纯从DSP领域上来看，DSP在功耗上、性能上做得最好的要数TI公司，TI公司的DSP处理器相对其它的DSP厂商生产的处理器成本更低、功耗更低，所以TI的DSP芯片更在竞争力。

MCU：MCU面世时间最长，各种厂商都有它们自己的架构与指令集，如果从低功耗方面来看，TI的MSP430型MCU做得相对较好。

FPGA：FPGA由于它的内部结构原因造成它的功耗相对较高、芯片发热量大，这也是它的一个缺点。但这也是不可避免的，在支持高性能的并发计算数字电路，且内部的逻辑门大都采用标准的宽长比，最终生成的数字电路必然会在功耗上无法与ASIC等专用处理器比较。

SOC：由于SOC自身的灵活性，它将多个器件集成到一个极小的芯片上从而组成一个系统，SOC系统相对于MCU等处理器组成的系统来说，它在功耗上具有优势。并且，SOC芯片可在版图层面上结合工艺、电路设计等因素对系统的功耗进行系统的优化，这样比由现今外围的PCB版搭建出来的系统功耗更低，占用面积更小。

3、速度

ARM随着市场应用的需求提高，ARM厂商纷纷通过优化来提高它的主频，提升它的性能。从开始的100Mhz到惊人的2.3Ghz，ARM主频以惊人的速度向前发展。

DSP现今最快的主频能达到1.2Ghz。当然不能单纯从主频判断它的性能会比ARM差，DSP具有单时钟周期内完成一次乘法和一次加法的能力，一般的ARM不具备这样的能力，DSP在计算领域优势尤其明显，所以TI结合了ARM和DSP两者的优势，生产出达芬奇异构芯片，当然这是属于SOC的范畴了。

MCU作为低端的应用处理器，它的主频从数M到几十Mhz不等。

FPGA主频时钟最高可达几Ghz甚至上10Ghz，当然它的成本也不菲。如果将FPGA与ARM、DSP等作为比较，从主频上进行比较是没有多大意义的，毕竟并行计算的能力要远远超出一般通用的处理器采用的串行计算几十倍。如同样的一个滤波算法在主频为100Mhz的FPGA上实现要比在主频为1Ghz的ARM上实现仍要快。

4、应用与市场

ARM处理器现在主要是三个系列分别为A系列、R系列、M系列，其中A系列主攻消费电子应用，应用十分广泛。

计算：上网本、智能本、输入板、电子书阅读器、瘦客户端

手机：智能手机、特色手机

数字家电：机顶盒、数字电视、蓝光播放器、游戏控制台

汽车：信息娱乐、导航

企业：激光打印机、路由器、无线基站、VOIP 电话和设备

无线基础结构：Web 2.0、无线基站、交换机、服务器

R系列处理器主要针对一些对实时性要求较高的应用，如航空航天、汽车电子等场合，它具备高可靠性、高可用性、高容错能力、实时响应等优点。

M系列处理器主要针对较低端的应用，它的最初目标是替换现有的市面上的MCU。

ARM Cortex-M0

ARM Cortex-M0+

ARM Cortex-M3

ARM Cortex-M4

“8/16 位”应用

“8/16 位”应用

“16/32 位”应用

“32 位/DSC”应用

低成本和简单性

低成本，最佳能效

高性能，通用

有效的数字信号控制

DSP主要针对一些计算能力要求较高的应用，如视频图像处理、智能机器人、数字无线、宽带访问、数字音频、高分辨率成像和数字电机控制等。

MCU应用最为广泛，主要利益于它的成本控制上，使它能在许多对计算能力要求不那么高的应用立足。相信在未来几年里，MCU市场关键增长驱动力将来自于绿色能源，智能电子设备，智能电网以及电子产品的升级换代比如汽车电子。

SOC应用也十分广泛，主要是因为现有主流ARM芯片采用的架构便是SOC架构的一种，SOC是一个比较广泛的概念，现阶段许多ARM、DSP都开始采用SOC的方式来将多个器件加到处理器上组成复杂的系统。

5、开发成本

ARM主要是搭载LINUX、ANDROID、WINCE等操作系统，在开发难度上看，相对MCU、DSP较难入门，它需要开发人员对操作系统有较深的了解；从成本来看，ARM的单芯片成本较MCU要高，主要还是应用于一些较为复杂的系统上。

MCU入门最容易，上手也快，开发难度较小，并且它的成本低，在低端市场应用最为广泛。

DSP入门较容易，但单芯片成本较高，主要还是应用于对计算能力要求高的应用。当然DSP也可以搭载操作系统，搭载操作系统后可适用于多任务的应用上。

FPGA的开发难度较大并且开发周期也相对较长，此外它的单芯片成本很高。

例子：SOBEL算子（水平边沿）

正常来说要进行一次这样的算子需要9次乘法8次加法，这样的计算在FPGA、DSP上显得十分轻松，但对于ARM、MCU来说，它们的并行能力不强，当要处理的图像较大时，如1280P时，它们便会显得比较吃力了。

然而，这样的算子是十分容易对其进行优化的。如1与-1这两个位置的像素点可以直接进行一次加法完成，同理最后一行也是如此，中间一行的2与-2对应的像素点也可进行一次加法后再进行一次移位操作便完成这样的一次算子运算。计算从原来的9次乘法8次加法转换成三次加法与一次移位（移位操作在大多处理器上都可以在单个周期时钟内完成）。

DIGITIMES Research观察，随穿戴式装置与物联网(Internet of Things；IoT)兴起，针对IoT装置小体积、极低功耗的需求，厂商纷开发强调极低功耗、整合Sub-GHz甚至2.4GHz Wi-Fi/BLE(Bluetooth Low Energy)等无线通讯技术的IoT微控制器(MCU)/模组，IoT MCU市场规模在2022年预估可达35亿美元以上。

各MCU厂对IoT MCU均会提供Linux/RTOS(Real Time Operating System)或其它开放来源作业系统(OS)、驱动程式、中介软体或联网堆叠的软硬体统包方案(Turnkey Solution)，但开发策略有许多差异。
　　
IC设计公司会以过去自家曾开发的MCU做整合，像恩智浦(NXP)的JN-516X MCU，德仪(TI)的SimpleLink CC430 MCU；也有些是买安谋(ARM)以外的MCU矽智财(IP)，如大陆乐鑫信息(Espressif Systems)的ESP8266/ESP32系列，采用的是被益华电脑(Cadence)购并的Tensilica公司的Xtensa MCU IP。
　　
安谋Cortex-M锁定低功耗穿戴式应用及IoT市场，也成为各MCU厂竞相选用的矽智财。MCU厂会适度删减既有IP运算效能/规格，辅以多样化Wi-Fi射频(RF)晶片或整合功能，以做好市场区隔，例如挪威Nordic Semi的nRF51与nRF52系列、德仪的3100/3200 MCU、芯科(Silicon Labs)的Wireless Gecko系列系统单晶片(SoC)，至于联发科的LinkIt MTS2502A处理器则是采上一代ARM v7处理器架构。
　　
拥有晶圆厂的IDM(Integrated Device Manufacturer)如英特尔(Intel)、三星(Samsung)则设计取向完全不同。英特尔从Atom处理器后，是针对穿戴式/IoT装置重新打造Quark SoC，并积极推动IoT平台Open Connectivity Foundation (OCF)标准。三星则是以取得第二矽智财来源(Second Source IP)为策略，除手中掌握ARM处理器架构外，也向Imagination Technologies取得MIPS矽智财以达多样化选择，并建构其ARTIK IoT模组家族。
　　
因应未来数年IoT联网装置数量将指数性成长，业界也提出低功耗长距离无线技术LPWAN(Low Power Wide Area Network)，例如Sigfox、LoRa(Long Range)或正在制定阶段的LTE-M等，此将是下一波IoT MCU搭配甚至整合的观察重点。
　　

开漏输出：输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行，适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。

推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。

我们先来说说集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极C跟发射极E之间相当于断开），所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。

我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。

再看图三。图三中那个1K的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合，则有电流从1K电阻及开关上流过，但由于开关闭其它三个口带内部上拉），当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，这样就相当于那个开关断开，而对于P0口来说，就是高阻态了。

对于漏极开路（OD）输出，跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管换成场效应管即可。这样集电极就变成了漏极，OC就变成了OD，原理分析是一样的。

另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平时，则刚好相反。比起OC或者OD来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电流，有可能将输出口烧坏。而上面说的OC或OD输出则不会有这样的情况，因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两个开关必须同时断开（或者在输出口上使用一个传输门），这样可作为输入状态，AVR单片机的一些IO口就是这种结构。

开漏电路特点及应用

在电路设计时我们常常遇到开漏（open drain）和开集（open collector）的概念。

所谓开漏电路概念中提到的“漏”就是指MOSFET的漏极。同理，开集电路中的“集”就是指三极管的集电极。开漏电路就是指以MOSFET的漏极为输出的电路。一般的用法是会在漏极外部的电路添加上拉电阻。完整的开漏电路应该由开漏器件和开漏上拉电阻组成。如图1所示：

组成开漏形式的电路有以下几个特点：

利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动（或驱动比芯片电源电压高的负载）。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。如图2。

2. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。形成 “与逻辑” 关系。如图2，当PIN_A、PIN_B、PIN_C任意一个变低后，开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。如果作为输出必须接上拉电阻。接容性负载时，下降延是芯片内的晶体管，是有源驱动，速度较快；上升延是无源的外接电阻，速度慢。如果要求速度高电阻选择要小，功耗会大。所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。

3. 可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平。如图3, IC的逻辑电平由电源Vcc1决定，而输出高电平则由Vcc2（上拉电阻的电源电压）决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了（这样你就可以进行任意电平的转换）。（例如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。）

4. 开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平(因此对于经典的51单片机的P0口而言，要想做输入输出功能必须加外部上拉电阻，否则无法输出高电平逻辑)。一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的。

5. 标准的开漏脚一般只有输出的能力。添加其它的判断电路，才能具备双向输入、输出的能力。

6.正常的CMOS输出级是上、下两个管子，把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了。这种输出的主要目的有两个：电平转换、线与。

7.线与功能主要用于有多个电路对同一信号进行拉低操作的场合，如果本电路不想拉低，就输出高电平，因为OPEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高电平是靠外接的上拉电阻实现的。（而正常的CMOS输出级，如果出现一个输出为高另外一个为低时，等于电源短路。）

8.OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

应用中需注意：

1. 开漏和开集的原理类似，在许多应用中我们利用开集电路代替开漏电路。例如，某输入Pin要求由开漏电路驱动。则我们常见的驱动方式是利用一个三极管组成开集电路来驱动它，即方便又节省成本。如图4。

2. 上拉电阻R pull-up的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。

Push-Pull输出就是一般所说的推挽输出，在CMOS电路里面应该较CMOS输出更合适，因为在CMOS里面的push－pull输出能力不可能做得双极那么大。输出能力看IC内部输出极N管P管的面积。和开漏输出相比，push－pull的高低电平由IC的电源低定，不能简单的做逻辑操作等。push－pull是现在CMOS电路里面用得最多的输出级设计方式。

当然open drain也不是没有代价，这就是输出的驱动能力很差。输出的驱动能力很差的说法不准确，驱动能力取决于IC中的末级晶体管功率。OD只是带来上升沿的延时，因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电的，当电阻选择小时延时就小、但功耗大，反之延时大功耗小。OPEN DRAIN提供了灵活的输出方式，但也是有代价的，如果对延时有要求，建议用下降沿输出。

电阻小延时小的前提条件是电阻选择的原则应在末级晶体管功耗允许范围内，有经验的设计者在使用逻辑芯片时，不会选择1欧姆的电阻作为上拉电阻。在脉冲的上升沿电源通过上拉无源电阻对负载充电，显然电阻越小上升时间越短，在脉冲的下降沿，除了负载通过有源晶体管放电外，电源也通过上拉电阻和导通的晶体管对地 形成通路，带来的问题是芯片的功耗和耗电问题。电阻影响上升沿，不影响下降沿。如果使用中不关心上升沿，上拉电阻就可选择尽可能的大点，以减少对地通路的 电流。如果对上升沿时间要求较高，电阻大小的选择应以芯片功耗为参考。

从Intel公司1976年的MCS48诞生算起，微控制器已有40年的发展史。微控制器是微处理器应智能化控制需求演化出来的一个分支，突出了它的控制功能，应称之为微控制器（MCU）。微控制器具有单芯片形态、嵌入式应用方式，历史上曾广泛称它为单片机，现在，许多人都称它为嵌入式系统。

1、Intel的历史功绩

Intel公司1971推出的第1个微处理器4004虽然没有实用化，却是现代计算机发展史的里程碑事件。如果说图灵机是现代计算机的第1个里程碑事件，那么，微处理器诞生便是第2个里程碑事件。图灵机奠定了现代计算机的思想理论基础，微处理器实现了图灵机人工智力内核的梦想,其后便是现代计算机40年飞速发展的时代。

现代计算机的第3个里程碑事件，是Intel公司对通用微处理器与嵌入式处理器的探索。Intel是同时从事通用微处理器与嵌入式处理器探索并取得成功的公司。其在通用微处理器领域的贡献众所周知，在嵌入式处理器领域，虽然许多公司推出众多微控制器产品，但只有Intel公司的MCS51成为微控制器的经典体系，影响至今。

Intel公司最后一个仍可称之为里程碑事件的行为，是MCS51的开放与割舍。有人为Intel公司对MCS51的割舍感到惋息，实际上这却是Intel公司的英明之举。事实证明，在放弃MCS51后，Intel公司在通用微处理器领域迅速取得成功，并垄断了全球的PC机市场。

从图灵机到微处理器，从微处理器到通用处理器与嵌入式处理器两大分支，现代计算机有其自身的发展规律。从图灵机到电子计算机，完成了图灵机的理论探索，微处理器诞生后才找到实用化的理想道路。微处理器诞生后，迅速形成两大分支的发展态势，使现代计算机开始了蓬勃的发展道路。如果Intel公司当年不放弃MCS51，专注于通用微处理器，也许无法击退竞争对手AMD，MCS51也不会迅速成长为80C51公共主流系列。Intel的贡献使人类社会受益。

2、嵌入式系统的发展史

嵌入式系统这一词语被频繁使用还是20世纪90年代的事。嵌入式系统发展史应从微控制器诞生讲起，因为嵌入式系统主要是微控制器系统。

除了智慧、内核、集群等基本特点外，微控制器还有单机形态、嵌入方式、对物理对象的感知与控制等应用上的特点。了解这些特点有助于理解嵌入式系统的发展史。

从应用的视角，可以用粗略的线条将40年微控制器的发展史划分为3个大的时代，即单片机时代、嵌入式系统时代、物联网时代。

2.1 单片机时代

在微控制器诞生后最初的20年，是微控制器的单片机时代。微控制器诞生后，迅速进入电子技术领域，成为传统电子系统智能化改造的利器。电子工程师是微控制器应用的主流群体，他们习惯性地将微控制器看成是单个芯片的智能器件，称之为单片机（单片微控制器或单片微型计算机）。事实上，在传统电子系统智能化改造中，所有单片机都体现为嵌入式应用。这一时期，由于电子工程师单打独斗，缺乏计算机的理论基础与计算机工程方法，微控制器也较原始，工程师应用开发水平不高，主要是汇编级的软件编程，很少使用操作系统。

2.2 嵌入式系统时代

从20世纪90年代中期开始，微控制器应用进入到嵌入式系统时代。随着传统电子系统智能化改造日渐火爆，众多计算机界人士开始介入单片机领域。由于计算机人士的不断增多，高级语言、操作系统、集成开发环境、计算机工程方法逐渐普及。计算机界人士不习惯“单片机”称谓，更愿意使用嵌入式系统一词，致使“嵌入式系统”称谓流行至今，可以看出，嵌入式系统时代是电子技术与计算机技术交叉融合的发展时代。此后，人们习惯性地将微控制器系统称作嵌入式系统，有些业内专家认为“单片机”片面突出单片形态，“嵌入式系统”片面突出嵌入式应用，建议改名为智能电子系统，但智能系统又易于与产品系统混淆。

2.3 物联网时代

在经历了20年的单片机时代、近15年的嵌入式系统时代后，微控制器及其应用技术日趋成熟。嵌入式系统经历了单机物联、分布式物联、总线物联、局域物联网，将互联网推进到物联网后，嵌入式系统便从以往的独立产业进入到物联网的应用服务时代。嵌入式系统成为物联网、大数据、云计算等大科技中的一个成员。

3、Intel对微控制器的贡献

微控制器与通用计算机都源于微处理器，但它们的体系结构和演化道路却截然不同。通用计算机完全在通用微处理器的演化道路上前行；微控制器则经历了探索、完善、百花齐放、产业转型4个发展阶段。与此同时出现了微控制器（Microcontroller Unit）、嵌入式系统（Embedded System）的演化历程。

3.1 微控制器的探索

最早的微控制器探索，应该是1974年仙童半导体公司的F8系列。F8并非单片形态，它是由8位CPU与3851（1 KB ROM、定时/计数器和两个并行I/O口）两个芯片构成，确立了微控制器数据存储器与程序存储器分开的哈佛结构。由于此时的仙童公司处于低谷时期，F8系列没有得到进一步完善。

其后，众多的半导体厂家开始了微控制器的探索,其主导思想是单芯片的内核化探索，即在微处理基础上，设计出用于智能化控制的单芯片计算机。这一时期出现了两种不同的探索道路，即与通用微处理器兼容的嵌入式微处理器和独创的单片微控制器。

与通用微处理兼容的嵌入式微处理器的典型代表是1978年Motorola公司推出的6801系列。6801与通用微处理器MC6800兼容，它将MC6800系列的6800（CPU）+6875时钟+6810（128 B RAM）+2×6830（1 KB ROM）+1/2并行I/O口6821+1/3（定时/计数器）+6805（串行I/O口）整合成一个可以用于控制的单芯片微型计算机。
1976年，富有创造精神的Intel公司独辟蹊径，开始了全新体系结构的单芯片微控制器的探索，推出了MCS48系列。在获得成功后，迅速完善到MCS51，使其成为微控制器的经典体系结构。

3.2 微控制器完善至经典体系

在探索阶段，仙童公司的F8后继无力，Motorola公司的6801系列并不理想，具有全新微控制器体系结构的MCS48获得成功后迅速完善到MCS51，确立了用于智能化控制的单芯片专用体系结构。在这个专用体系结构中，采用了数据空间与程序空间独立的哈佛结构。哈佛结构保证了被固化的软件不受病毒侵袭；完善了总线结构，包括内部16位寻址的两个独立空间的8位并行总线，以及用于外部通信的串行通信总线、用于外部扩展的并行总线、用于外部交互的I/O端口；完善了用于控制的指令系统，突出了控制功能，增加了位操作指令；所有功能单元，包括后续可能扩展的功能单元，采取了特殊功能寄存器SFR的集中管理模式，方便了微控制器外部系统配置与系统扩展的应用要求。

图1描述了MCS51微控制器系统的经典体系结构。

微控制器是在嵌入式微处理器基础上，在内部总线支持下，通过外围功能单元扩展而成，SoC化是其主要发展趋势。微控制器有4个与外部交互的接口通道：前向通道、后向通道与物理对象相连，是物理对象感知与控制的交互接口；交互通道，是实现人机交互的接口；信息通道，是与其他应用系统交互的通信接口，用于实现微控制器的多机通信。

3.3 完善了微控制器的应用环境

MCS51问世后，不仅为用户提供了完善的体系结构，而且还提供了完善的应用环境。Intel为用户提供的应用环境有：满足不同应用的3种供应状态，即程序指令的掩膜状态、ROM烧写状态与EPROM烧写状态；用于产品开发的ICE在线仿真器（ICE51）；用于汇编语言程序设计的宏汇编ASM51；用于用户程序管理的实时任务操作系统iRMX51。另外，为适应分布式多机系统通信需要，还衍生出具有位总线（BIT BUS）的RUPI44系列（8051+串行通信接口单元，支持HDLC/SDLC协议）微控制器。

这些优异的应用环境使电子工程师们能迅速从传统电子系统时代迈进智能电子时代。

4、微控制器的进化历程

Intel公司在完善了MCS51后，错误地认为应该向16位微控制器进军，便和著名的电器商Philips公司合作，探索16位微控制器。由于理念上的差异，导致两者分道扬镳。Intel公司推出了16位微控制器MCS96；Philips公司为满足智能化电器产品的应用需求，着力于提高MCS51应用水平。分手后，Intel公司同意向Philips公司免费开放MCS51，受免费开放政策影响，众多半导体公司参与到MCS51体系结构深度开发中，将MCS51推进到众多半导体公司参与开发的80C51时代。

80C51时代中有几件值得提及的大事件，即Philips等公司大力提升微控制器功能，Atmel公司将微控制器推进至Flash ROM时代，以及20世纪末Cygnal公司对80C51脱胎换骨的改造。

4.1半导体厂家大力提升微控制器功能

半导体厂家在推动80C51不断进化中，主要完成的重大工作有：满足嵌入式应用要求的众多外围功能集成，如WDT、PWM、ADC、高速I/O口、计数器捕捉/比较等；满足系统中芯片扩展的串行扩展总线，如目前大量使用的Philips公司的I2C总线、Motorola公司的SPI以及Dallas公司的单总线1Wire总线;满足微控制器应用系统集群的德国BOSCH公司的CAN总线以及其他现场总线等。

4.2 Atmel公司微控制器的Flash ROM时代

Atmel公司用Flash ROM作为程序存储器推出的89C51系列，为众多嵌入式应用系统开发提供了一种灵活、高效、价廉的方案，将80C51推进到Flash ROM时代。89C51起源于我国原电子工业部的北京集成电路设计中心，他们在设计国产化80C51单片机后，寻找产业化合作伙伴时，Atmel公司主动提出将Flash ROM植入国产的80C51中，并更名为89C51，产权为双方共有。在中国大陆89C51最初的品牌不是AT89C51，而是由北京集成电路设计中心冠名。后来由于经营不善，北京集成电路设计中心放弃了89C51之后，才改名为AT89C51，被Atmel公司独有。

4.3 Cygnal对80C51的全面革新

20世纪末，Cygnal公司对80C51体系结构进行了彻底改造，使之成为顶尖的8位微控制器C8051F系列，使80C51进入到又一个新的辉煌时代。Cygnal公司对80C51体系结构的改造有：

① 对80C51 CPU内核实施改造，实行指令运行的流水作业，使指令运行速度提高到原来的12倍，成为8位高速微控制器；

② 设置用户可配置的交叉开关，使I/O接口从功能固定方式提升至可随意选择的功能设置；

③ 从单一固定系统时钟到可编程选择的时钟系统，使微控制器在运行过程中可随意选择时钟状态；

④ 从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试，并为在系统测试提供边界扫描功能；

⑤ 把80C51单一的外部复位发展成多源复位系统，如上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位等；

⑥ 有最小功耗系统设计的最佳技术支持，如降低供电电压（从5 V到3 V）、时钟系统可任意选择、复位系统可随意唤醒来灵活设置低功耗模式。

4.4 从80C51到ARM的产业变革

21世纪初，微控制器领域的一个重大事件是从80C51主流系列到ARM主流系列的变迁。究其原因，除了嵌入式高端需求拉动的技术因素外，产业变革是一个重要的内在因素。此前，所有从事微控制器的半导体厂家都是实体产业公司，都有自己的微控制器设计团队，设计与生产自己公司的微控制器，从而形成了百花齐放的微控制器产业发展趋势。

而ARM公司一反传统的微控制器产业模式，从公司成立之初，便摒弃实体产业，专注发展微处理器知识产权，即只专注于发展微处理器技术，不从事微处理器生产，从而成为雄据众多半导体之上的上游产业。先进技术水平的ARM系列与上游产业的优势吸引了众多的半导体厂家，他们纷纷在ARM公司授权的ARM系列架构基础上生产本公司的微控制器。ARM系列大量使用后，由于成本下降，不断侵蚀80C51的原有领域，80C51逐渐失去微控制器应用系统的主流地位。

在ARM系列不断侵蚀80C51原有领域时，并不代表80C51末日到来。在无限大的嵌入式系统应用领域中，80C51另辟蹊径，转战智能器件领域。今天，智能传感器、无线收发器件领域，已成为80C51的主流阵地。