来源： 21ic电子网

一、区别

两则的分流造成的主要原因是数字信号处理的简便性，考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击响应滤波器（FIR）。用数学语言来说，FIR滤波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输出样本。

类似的运算在数字信号处理过程中大量的重复发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支持，促进了DSP器件与通用处理器（GPP）的分流：

1. 对密集乘法的支持

2. 存储器结构

此外，DSP处理器几乎都不具备数据的高速缓存。这是因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃，几乎不再重复使用。

3. 零开销循环
DSP算法的一个共同的特点，即大多数处理时间都花在执行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓的零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值，条件转移到循环大额顶部，将循环计数器减1.

与此相反，GPP的循环使用软件来实现。某些高性能的GPP使用转移预报硬件，几乎达到与硬件支持零开销循环同样地效果。

二、联系

按照传统方式，嵌入式应用中的数字信号处理器（dsp）相对于主微控制器起到从属的作用。在这些应用中，MCU用作系统控制器，而大量的数据处理留给DSP。例如，在音频或视频处理器应用中有可能需要人机界面管理，或则是整个系统的控制。

为完成这些任务，有几种系统设计方案选择。
第一种方案是将DSP和MCU芯片组合在印制电路板上。这种方案成本高并且占用面积大，但是可适当地调整每个芯片的尺寸以最大限度的满足系统需要。

第二种方案是将DSP功能合并到一个MCU中。这种方案只适合于直接的信号处理应用。MCU的时钟频率和计算体系结构根本上不太适合大量的数字处理。有些ＭＣＵ试图通过增加一个乘法和累加器（ＭＡＣ）（ｄｓｐ的一个特点）来补偿上述不足。但是这种方案任然缺乏高级应用所需要的基本的“由上至下”的体系结构设计。

第三种方案是一种将ｄｓｐ和ｍｃｕ组合在单个封装内的多芯片模块（ｍｃｍ）．这种方案的局限性是，设计工程师必须按“５０／５０”的时间比例分配给控制和DSP功能；例如，一旦DSP超出时间，MCU不能完成计算任务。像第一种方案选择一样，当DSP和MCU内核独立存在的时候，需要两套开发工具。

已经出现第四种方案它是将MCU的功能合并到一个DSP中。这类方案的一个例子是美国模拟器件公司（Anolog Device Inc.,简称ADI）的Blackfin 处理器系列。这些新型处理器具有统一的经过优化的体系结构，不仅适于数据计算，而且也适于有关的控制任务。通过平衡执行控制任务与复杂计算的要求，这种方案可以根据系统实时处理的需要，完成100%的控制或者100%的计算任务。完成所有这一切任务不需要在DSP模式和MCU模式之间的模式转换。

DSPMCU
首先让我们回顾一下DSP和MCU的典型功能。DSP主要是在一单个时钟周期内尽可能完成多个MAC（乘法和累加）操作。为了这一点，指令的操作代码通常是可变的超长的指令字（VLIW）。DSP也适于工作在紧密、高效的环路中。另外，为了达到性能指标通常需要编写优化的汇编代码。由于DSP的算法程序一般装在小容量、短等待时间的内置存储器中，所以代码密度通常不是大问题。像DSP主要用于完成计算一样，MCU主要用于完成控制功能。同样地，典型的MCU应用包括许多条件操作，在程序流程中频繁地跳转。通常使用C或者C＋＋语言编写程序。代码密度极为重要，并且根据编译代码的长度来评估算法。存储器系统是基于高速缓存从而允许该系统设计工程师用较长等待时间从较大的存储器中调用较大程序。利用基于高速缓存系统，程序员不需要考虑如何以及何时将指令输入到内核去执行。

统一的DSP和MCU兼备两者的优点。它的指令集由16 bit，32 bit和64 bit操作码组成，但是由于最常用的指令采用16 bit编码，所以编译代码密度大小与那些流行的MCU相同。另外，它包括一个存储器保护功能以及指令高速缓存和数据高速缓存，作为整个存储器管理单元（MMU）的一部分。此外，容易提供一套完整的C/C＋＋开发工具，提供可选汇编语言或者全部汇编语言适合算法优化的编程。

RTOS
系统控制的一个重要方面是任务管理。实时操作系统（RTOS）逐渐地用于控制复杂系统中多种正在进行的和同时发生的任务。通过提供对任务调度与管理的支持，RTOS简化了编程模式，这通常是由MCU控制的，由于普通的DSP不具备支持RTOS需要的所有功能以便有效地控制。

然而，统一的DSP和MCU促进了RTOS几个重要功能的发展。第一个是限制访问功能以保护或者保留存储单元。第二个是配备单独的堆栈和帧指针以减少操作系统（OS）请求以及中断和异常处理所需的等待时间。第三个是具备单独的用户操作模式和管理员操作模式。过去，DSP按照等效于管理员操作模式工作，从而允许在任何时间完全访问所有的系统资源。然而MCU提供类似的在用户操作模式，它允许在OS的顶层运行应用软件。现在，在一个统一的体系结构下提供两种操作模式，因为增强的DSP系统能够限制用户应用软件仅通过OS访问系统资源。

MCU的一个优点是包含使用灵活和种类齐全的外围设备。作为通用的嵌入式控制器，它们通常具备可编程输入输出（I/O）标志、定时器、串行接口和日益增加越来越复杂的标准接口。MCU外围设备的主要作用是嵌入式控制，而不是大量计算。例如，一个实时时钟信号可以唤醒一只温度传感器用以采集环境温度并且将一个延迟的信息通过I/O引脚反馈到MCU。然后，一个定时器的脉冲宽度调制（PWM）输出相应地能够增加或者减小风扇电机的转速。像MCU一样，统一的DSP和MCU具备一套系统控制外围设备（例如，实时时钟、多功能定时器、监视定时器、双向标志位引脚）。然而，它还包括一些高速接口（例如，PCI、异步或者同步存储器控制器、USB、并行视频接口）以便通过这些接口，与许多DMA通道配合快速搬移数据，从而有助于有效利用高速DSP内核的信号处理能力。

功耗控制一直是嵌入式控制器的一项功能。但是，当系统要求DSP具有优良的性能时，对其电源的选择就不太理想。如果将独立的MCU和DSP芯片应用于电源敏感的场合，通常必须为每个芯片提供一个单独的开关稳压器，因为这两个器件的内核电压经常不一致。这会导致降低电源变换效率和增加设计器件的引脚数目，最终增加布线的复杂程度和解决方案的成本。此外，当MCU和DSP的内核集成到一个芯片上时，电源解决方案本质上不是最佳的，因为它必须满足2个完全独立并具有不同负载特性处理器的需求。将这种情况与统一的DSP和MCU相比较，它包含一个集成动态电源管理（DPM）控制器。由于它是只有一个处理器的体系结构，所以该控制器能够完全适合给定应用的需求。它提供几种固有的电源模式以支持多种系统性能等级。另外，对于未使用的时钟和L2存储器可选择性地禁止。该PLL的频率可在一个宽范围（通常1倍～31倍）进行调节，以满足在DSP和MCU内部多层次的处理需求。最后能够调节电压（外部或者通过一个集成的开关控制器）以提供指数式的节省功耗。由于系统成本、开发容易、器件采购和升级能力的原因，设计工程师正趋向采用一种单芯片解决方案用于嵌入式信号处理解决方案。这种单芯片解决方案必须能够同样好地完成DSP和MCU的功能，所以有必要提出一种统一的处理器体系结构。面对MCU的挑战，比较简单的解决方案是将MCU的功能合并到一个高性能的DSP内核，而不是与此相反。当今一个统一的DSP和MCU平台（由BlackfinDSP系列产品说明）已经投放市场，它将在MCU和DSP目前应用领域提供许多应用。

微控制器（MCU）深入人们应用生活，几乎大小设备都看得到MCU踪影，在MCU导入DSP数位讯号处理器、FPU浮点运算单元功能后，MCU更大幅扩展 元件可适用范围，这几年来，在众多MCU大厂纷纷针对旗下商品推出多样整合方案，不管是产品策略还是市场区隔，也让MCU市场更加丰富多元。
　　
MCU（Microcontroller Unit）深入生活应用是不容易质疑的趋势，尤其是MCU在功能优化或市场区隔目的下，进行DSP（digital signal processor）数位讯号处理器或FPU（Floating Point Unit）浮点运算单元功能整合，使得MCU的可应用场域大幅扩展。
　　
如果以FPU或DSP导入目的，一般在MCU中追加FPU、DSP整合架构，主要目的还是在考量成本下的设计方向，尤其在早期半导体元 件，SOC（System on Chip）系统单芯片与MCU存在一段价格差距，如果仅需要SDP或FPU进行运算加速，又不想选用高单价SOC，这时整合DSP或FPU硬件加速单元的 MCU产品、不仅可以更好的提供运行效能，同时又能在成本控制上表现更加优异。
　　
MCU整合芯片封装成本骤降 增加MCU功能扩充应用空间
　　
以早期的SOC产品来看，搭载DSP与FPU硬件加速器是SOC产品的重要特性，其中DSP与FPU的应用方向主要以音讯、影像等处理加速运算为主，而在制 程技术持续优化，SOC的成本逐步与MCU拉近，MCU在32位元甚至64位元架构下，也开始有结合DSP或是FPU硬件加速单元的解决方案。
　　
先看看MCU加上硬件加速单元的优点，在MCU追加FPU导入，最直接的效益是早期利用MCU处理类似FPU运算内容，会因为MCU本身的运算架构限制，让 运算结果得出时间会相对拉长，而在导入硬件加速器处理浮点运算时，因为硬件呼叫或是资料传递就能透过硬件算出数据，MCU本身耗在浮点运算的记忆体资源可 以因硬件加速整合减少至少10%。
　　
当然，从目的性来看，不管MCU有无整合FPU硬件加速单元，浮点运算需求使用MCU现有的运算能力也 能得出结果，只是前提是计算过程会耗用较多运算时间与硬件资源，对于可等待、无需提供即时反应的系统自然可以不考虑整合FPU的MCU方案，但若是对系统 效能、回馈反应速度要求高的整合需求，MCU结合FPU的效益提升不仅仅是运算资源耗用优化、节能优势等效果，反而是加快系统回应与效能提升的效用，才是 MCU结合FPU硬件加速最直接、重要的功能改进，也让MCU可以因应更高复杂度的整合工作。
　　
高阶数值运算 运用硬件加速满足设计需求
　　
在早期MCU元件仍以8位元架构为主流的应用方向，MCU在资料处理与运算处理上，本来就有因架构的问题而有其处理限制，例如，MCU进行小数点、分数处理 运算时，因为4位元或是8位元位数有限，就必须采用有限数值进行处理，透过数值结果的限制换取处理复杂度简化与效能要求目的，而这种因为数值处理产生的误 差即“截断误差”，截断误差也会因为使用MCU进行数据运算的限制，而令误差数值产生扩大现象。
　　
而在MCU整合FPU硬件加速，在运算同类型的数据处理时，例如在IoT物联网或是终端感测器应用中，常有将外部类比感测数据转换成数位资料的资料撷取、处理需求，这时透过MCU整合的 FPU/DSP硬件加速单元，不仅可将感测数据更快速处理完成、加快系统回应，同时，也能导入进阶运算减少数据演算的误差。
　　
在实际应用 中，FPU硬件加速器本身并无法完全解决误差扩大问题，所以会有FPU、DSP等不同硬件加速整合架构下的应用目的考量，举例来说，透过DSP硬件加速 器，可针对特殊数据类型更高速、可靠的运算处理输出，像是DSP可利用指令来进行多种运算，处理如快速快速傅立叶转换（fast Fourier transform；FFT）或有限脉冲回应（Finite impulse response；FIR）进阶运算中重要且耗资源的运算需求，甚至透过单周期的指令便能处理单一指令多重资料（Single Instruction Multiple Data；SIMD）运算需求，MCU在进行进阶数值处理方面还可获得进阶增强效益。
　　
FPU/DSP不同硬件加速单元具互补作用
　　
虽说整合FPU或DSP基本在架构与应用方向就不同，但实际上两者分别是针对数据运算、讯号处理对应至各式演算法应用，两者功能可以说是各有互补效用，比较 难被独立拆分。以ARM Cortex-M4来看，若仅提供DSP硬件加速处理器反而没设置FPU浮点运算加速器反而会造成应用限制，因为在Cortex-M4应用场合如果仅有数 位信号处理加速硬件支援，少了浮点运算支援，对开发需求端若碰到需要数值进阶运算加速，就会造成设计上的弹性限制，或是导致还需透过外部功能芯片支援，或 利用原有的运算资源因应数值进阶计算需求，反而会因为数值处理效能限制了Cortex-M4的应用可能性。
　　
同样的状况也发生在仅有FPU而没有设置DSP的微控制器应用方案上，对DSP或是FPU应用功能是相辅相成，独立整合对于微控制器的配置并未能产生综效，反而会成为发展路径的限制。
　　
再者，从新一代IoT产品发展方向，透过感测器融合（Sensor Fusion）应用方向为例，若是Sensor Fusion概念为将多感测器整合在单一系统中协同运行，系统需要高阶数值与讯号处理能力，才可以将关键数值讯号自复杂数据中提取出来。
　　
至于感测器融合可以再搭配即时的调整、控制与校正处理，由DSP加上FPU协同处理达到高精密度、高效率进行撷取数据的精密分析，尤其是现有的Sensor Fusion已做到陀螺仪、加速度器、温度、压力甚至触控感测都做在同一个模组中，必须透过DSP与FPU预先筛出相对精密且兼顾处理效率的讯号撷取与预 处理的感测数据，提供相对高效的系统更具效率的感测数值处理机制。
　　
DSP数位滤波应用 可提升感测讯号撷取品质
　　
此外，在MCU整合FPU的另一个优势在于可在系统中善用其运算特性，例如，运用数位演算法进行撷取数值的数位滤波应用，针对处理讯号进一步以基于硬件加速 的数位演算法进行波形或数据再处理，形成一提升数据噪讯比（SNR）的便捷作法，数位滤波器还可利用演算机制优化提供不同程度大小的滤波效果，这在于微控 制器用于感测热门的心率、血液含氧量、运动数值等生理资讯，或是数位电表、智能电表等应用，解决末端数据因为杂讯或环境噪讯影响，倒置讯号失真的数据优化 回补效用，优化终端取得的讯号波形信号品质，更利于后续处理或数据使用。
　　
为了优化末端应用，微控制器整合硬件加速单元也蔚为一股风潮，不 只是DSP或是FPU硬件加速单元，例如就有微控制器在架构上加入了VMU硬件加速单元，处理因应马达应用重点的三角函数数值运算需求，或是对应无线电通 讯需求整合的数据分析演算支援，与现有FPU浮点运算硬件加速功能区隔，采取协同分工的方式加速整体微控制器的应用效能。
　　
有趣的是，针对不同的市场与运算需求定位，微控制器除在运算时脉进行差异区隔，以最实际的运算效能区分不同应用场合、市场切分外，整合不同应用所需的硬件加速单元也成为 产品市场定位的重要分界，例如针对穿戴式运算应用市场的微控制器，在要求功耗、感测器融合、元器件成本方面就可仅整合FPU、DSP硬件加速定位市场区 隔，在高阶的微控制器应用上，甚至有解决方案直接整合硬件绘图引擎，直接看准工业用人机介面终端的应用需求，另针对如车用电子、IoT物联网等不同市场需 求，也有五花八门的硬件加速单元配置组合，满足不同整合需求的应用架构。
　　
另一个微控制器整合DSP、FPU硬件加速单元的目的，其实加入 硬件加速单元整合而不采行外部解决方案来组构硬件加速运算需求，其最大的优点在于成本方面的极致优化，因为电子电路板可以更节省载板空间，运用单一芯片就 能改善运算的整体效率，而在软体开发层面，可在整合架构下运用简单呼叫与资料传递的再处理，便能满足应用服务的数据计算产出效能要求，甚至于开发完成的成 品还可运用一致性侦错分析工具，直接针对系统进行全面分析与勘误，在开发设计的效率与速度都能获得改善。

来源：网络（版权归原著作者所有）

一、区别 

两则的分流造成的主要原因是数字信号处理的简便性，考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击响应滤波器（FIR）。用数学语言来说，FIR滤波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输出样本。 
 
类似的运算在数字信号处理过程中大量的重复发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支持，促进了DSP器件与通用处理器（GPP）的分流：

1、对密集乘法的支持 

2、存储器结构

此外，DSP处理器几乎都不具备数据的高速缓存。这是因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃，几乎不再重复使用。

3、零开销循环 
 
DSP算法的一个共同的特点，即大多数处理时间都花在执行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓的零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值，条件转移到循环大额顶部，将循环计数器减1。

与此相反，GPP的循环使用软件来实现。某些高性能的GPP使用转移预报硬件，几乎达到与硬件支持零开销循环同样地效果。

二、联系 
 
按照传统方式，嵌入式应用中的数字信号处理器（dsp）相对于主微控制器起到从属的作用。在这些应用中，MCU用作系统控制器，而大量的数据处理留给DSP。例如，在音频或视频处理器应用中有可能需要人机界面管理，或则是整个系统的控制。 
 
为完成这些任务，有几种系统设计方案选择。 
 
第一种方案是将DSP和MCU芯片组合在印制电路板上。这种方案成本高并且占用面积大，但是可适当地调整每个芯片的尺寸以最大限度的满足系统需要。   
 
第二种方案是将DSP功能合并到一个MCU中。这种方案只适合于直接的信号处理应用。MCU的时钟频率和计算体系结构根本上不太适合大量的数字处理。有些MCU试图通过增加一个乘法和累加器（MAC）（dsp一个特点）来补偿上述不足。但是这种方案任然缺乏高级应用所需要的基本的“由上至下”的体系结构设计。 
 
第三种方案是一种将dsp和MCU组合在单个封装内的多芯片模块（mcm）。这种方案的局限性是，设计工程师必须按“50/50”的时间比例分配给控制和DSP功能；例如，一旦DSP超出时间，MCU不能完成计算任务。像第一种方案选择一样，当DSP和MCU内核独立存在的时候，需要两套开发工具。 
 
已经出现第四种方案它是将MCU的功能合并到一个DSP中。这类方案的一个例子是美国模拟器件公司（Anolog Device Inc.，简称ADI）的Blackfin 处理器系列。这些新型处理器具有统一的经过优化的体系结构，不仅适于数据计算，而且也适于有关的控制任务。通过平衡执行控制任务与复杂计算的要求，这种方案可以根据系统实时处理的需要，完成100%的控制或者100%的计算任务。完成所有这一切任务不需要在DSP模式和MCU模式之间的模式转换。 

DSP和MCU  

首先让我们回顾一下DSP和MCU的典型功能。DSP主要是在一单个时钟周期内尽可能完成多个MAC（乘法和累加）操作。为了这一点，指令的操作代码通常是可变的超长的指令字（VLIW）。DSP也适于工作在紧密、高效的环路中。另外，为了达到性能指标通常需要编写优化的汇编代码。由于DSP的算法程序一般装在小容量、短等待时间的内置存储器中，所以代码密度通常不是大问题。像DSP主要用于完成计算一样，MCU主要用于完成控制功能。同样地，典型的MCU应用包括许多条件操作，在程序流程中频繁地跳转。通常使用C或者C＋＋语言编写程序。代码密度极为重要，并且根据编译代码的长度来评估算法。存储器系统是基于高速缓存从而允许该系统设计工程师用较长等待时间从较大的存储器中调用较大程序。利用基于高速缓存系统，程序员不需要考虑如何以及何时将指令输入到内核去执行。

统一的DSP和MCU兼备两者的优点。它的指令集由16 bit，32 bit和64 bit操作码组成，但是由于最常用的指令采用16 bit编码，所以编译代码密度大小与那些流行的MCU相同。另外，它包括一个存储器保护功能以及指令高速缓存和数据高速缓存，作为整个存储器管理单元（MMU）的一部分。此外，容易提供一套完整的C/C＋＋开发工具，提供可选汇编语言或者全部汇编语言适合算法优化的编程。  
  
RTOS 

系统控制的一个重要方面是任务管理。实时操作系统（RTOS）逐渐地用于控制复杂系统中多种正在进行的和同时发生的任务。通过提供对任务调度与管理的支持，RTOS简化了编程模式，这通常是由MCU控制的，由于普通的DSP不具备支持RTOS需要的所有功能以便有效地控制。 

然而，统一的DSP和MCU促进了RTOS几个重要功能的发展。第一个是限制访问功能以保护或者保留存储单元。第二个是配备单独的堆栈和帧指针以减少操作系统（OS）请求以及中断和异常处理所需的等待时间。第三个是具备单独的用户操作模式和管理员操作模式。过去，DSP按照等效于管理员操作模式工作，从而允许在任何时间完全访问所有的系统资源。然而MCU提供类似的在用户操作模式，它允许在OS的顶层运行应用软件。现在，在一个统一的体系结构下提供两种操作模式，因为增强的DSP系统能够限制用户应用软件仅通过OS访问系统资源。 

MCU的一个优点是包含使用灵活和种类齐全的外围设备。作为通用的嵌入式控制器，它们通常具备可编程输入输出（I/O）标志、定时器、串行接口和日益增加越来越复杂的标准接口。MCU外围设备的主要作用是嵌入式控制，而不是大量计算。例如，一个实时时钟信号可以唤醒一只温度传感器用以采集环境温度并且将一个延迟的信息通过I/O引脚反馈到MCU。然后，一个定时器的脉冲宽度调制（PWM）输出相应地能够增加或者减小风扇电机的转速。像MCU一样，统一的DSP和MCU具备一套系统控制外围设备（例如，实时时钟、多功能定时器、监视定时器、双向标志位引脚）。然而，它还包括一些高速接口（例如，PCI、异步或者同步存储器控制器、USB、并行视频接口）以便通过这些接口，与许多DMA通道配合快速搬移数据，从而有助于有效利用高速DSP内核的信号处理能力。 

功耗控制一直是嵌入式控制器的一项功能。但是，当系统要求DSP具有优良的性能时，对其电源的选择就不太理想。如果将独立的MCU和DSP芯片应用于电源敏感的场合，通常必须为每个芯片提供一个单独的开关稳压器，因为这两个器件的内核电压经常不一致。这会导致降低电源变换效率和增加设计器件的引脚数目，最终增加布线的复杂程度和解决方案的成本。此外，当MCU和DSP的内核集成到一个芯片上时，电源解决方案本质上不是最佳的，因为它必须满足2个完全独立并具有不同负载特性处理器的需求。将这种情况与统一的DSP和MCU相比较，它包含一个集成动态电源管理（DPM）控制器。由于它是只有一个处理器的体系结构，所以该控制器能够完全适合给定应用的需求。它提供几种固有的电源模式以支持多种系统性能等级。另外，对于未使用的时钟和L2存储器可选择性地禁止。该PLL的频率可在一个宽范围（通常1倍～31倍）进行调节，以满足在DSP和MCU内部多层次的处理需求。最后能够调节电压（外部或者通过一个集成的开关控制器）以提供指数式的节省功耗。由于系统成本、开发容易、器件采购和升级能力的原因，设计工程师正趋向采用一种单芯片解决方案用于嵌入式信号处理解决方案。这种单芯片解决方案必须能够同样好地完成DSP和MCU的功能，所以有必要提出一种统一的处理器体系结构。面对MCU的挑战，比较简单的解决方案是将MCU的功能合并到一个高性能的DSP内核，而不是与此相反。当今一个统一的DSP和MCU平台也已经投放市场，它将在MCU和DSP目前应用领域提供许多应用。