1.3 微控制器与应用处理器简介

嵌入式系统的主要芯片有两大类：面向测控领域的微控制器类与面向多媒体应用领域的应用处理器类，本节给出其基本含义及特点。

1.3.1 微控制器简介

1. 微控制器（MCU）的基本含义

MCU是单片微型计算机（单片机）的简称，早期的英文名是Single-chip Microcomputer，后来被称为微控制器（Microcontroller）或嵌入式计算机（Embedded computer）。现在Microcontroller已经是计算机中一个常用术语，但在1990年之前，大部分英文词典并没有这个词。我国学者一般使用中文“单片机”一词，而缩写使用MCU（Microcontroller Unit）。所以本书后面的简写一律以MCU为准。MCU的基本含义是：在一块芯片内集成了中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入/输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。图1-1所示为典型的MCU内部框图。

MCU是在计算机制造技术发展到一定阶段的背景下出现的，它使计算机技术从科学计算领域进入智能化控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式（Embedded）计算机领域都获得了极其重要的发展，为计算机的应用开辟了更广阔的空间。

就MCU组成而言，虽然它只是一块芯片，但包含了计算机的基本组成单元，仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成，只不过它们集成在一块芯片内，这种结构使得MCU成为具有独特功能的计算机。

2. 嵌入式系统与MCU的关系

何立民先生说：“有些人搞了十多年的MCU应用，不知道MCU就是一个最典型的嵌入式系统”。实际上，MCU是在通用CPU基础上发展起来的，具有体积小、价格低、稳定可靠等优点，它的出现和迅猛发展，是控制系统领域的一场技术革命。MCU以其较高的性能价格比、灵活性等特点，在现代控制系统中具有十分重要的地位。大部分嵌入式系统以MCU为核心进行设计。MCU从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能很好地满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等方面的要求。因此以MCU为核心的系统是应用最广的嵌入式系统。在实际应用时，开发者可以根据具体要求与应用场合，选用最佳型号的MCU嵌入实际应用系统中。

3. MCU出现之后测控系统设计方法发生的变化

测控系统是现代工业控制的基础，它包含信号检测、处理、传输与控制等基本要素。在MCU出现之前，人们必须用模拟电路、数字电路实现测控系统中的大部分计算与控制功能，这样使得控制系统体积庞大，易出故障。MCU出现以后，测控系统设计方法逐步产生变化，系统中的大部分计算与控制功能由MCU的软件实现。其他电子线路成为MCU的外围接口电路，承担着输入、输出与执行动作等功能，而计算、比较与判断等原来必须用电路实现的功能，可以用软件取代，大大提高了系统的性能与稳定性，这种控制技术称为嵌入式控制技术。在嵌入式控制技术中，核心是MCU，其他部分以此而展开。下面给出一个典型的以MCU为核心的嵌入式测控产品的基本组成。

1.3.2 以MCU为核心的嵌入式测控产品的基本组成

一个以MCU为核心、比较复杂的嵌入式产品或实际嵌入式应用系统，包含模拟量的输入、输出，开关量的输入、输出，以及数据通信的部分。而所有嵌入式系统中最为典型的则是嵌入式测控系统，其框架如图1-2所示。

1. MCU工作支撑电路

MCU工作支撑电路即MCU硬件最小系统，它保障MCU能正常运行，如电源电路、晶振电路及必要的滤波电路等，甚至可包含程序写入器接口电路。

2. 模拟信号输入电路

实际模拟信号一般来自相应的传感器。例如，要测量室内的温度，就需要温度传感器。但是，一般传感器将实际的模拟信号转换成的电信号都比较弱，MCU无法直接获取该信号，需要将其放大，然后经过模／数（A/D）转换变为数字信号进行处理。目前许多MCU内部包含A/D转换模块，实际应用时也可根据需要外接A/D转换芯片。常见的模拟量有温度、湿度、压力、重量、气体浓度、液体浓度、流量等。对MCU来说，模拟信号通过A/D转换变成相应的数字序列进行处理。

3. 开关量信号输入电路

实际开关信号一般也来自相应的开关类传感器，如光电开关、电磁开关、干簧管（磁性开关）、声控开关、红外开关等，一些儿童电子玩具中就有一些类似的开关，手动开关也可作为开关信号送到MCU中。对于MCU来说，开关信号就是只有“0”和“1”两种可能值的数字信号。

4. 其他输入信号或通信电路

其他输入信号通过某些通信方式与MCU沟通。常用的通信方式有异步串行（UART）通信、串行外设接口（SPI）通信、并行通信、USB通信、网络通信等。

5. 输出执行机构电路

执行机构中通常有开关量和模拟量两种执行机构。其中，开关量执行机构只有“开”“关”两种状态；模拟量执行机构需要连续变化的模拟量控制。MCU一般不能直接控制这些执行机构，需要通过相应的隔离和驱动电路来实现。还有一些执行机构，既不是通过开关量控制，也不是通过D/A转换量控制，而是通过“脉冲”量控制的。例如，控制调频电动机，MCU是通过软件对其控制的。

1.3.3 应用处理器简介

1. 应用处理器（MAP）的基本概念及特点

应用处理器的全称为多媒体应用处理器（Multimedia Application Processor，MAP）。它是在低功耗CPU的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路。与MCU相比，MAP的最主要特点是工作频率高、硬件设计更为复杂、软件开发需要选用一个嵌入式操作系统、计算功能更强、抗干扰性能较弱、较少直接应用于控制目标对象。此外，一般情况下，MAP芯片价格也高于MCU。

应用处理器是伴随着便携式移动设备，特别是智能手机而产生的。手机的技术核心是一个语音压缩芯片，称基带处理器，发送时对语音进行压缩，接收时解压缩，传输码率只是未压缩的几十分之一，在相同的带宽下可服务更多的人。而智能手机上除通信功能外，还增加了数码相机、音频播放、视频图像播放等功能，基带处理器已经没有能力处理这些新加的功能；另外视频、音频（高保真音乐）处理的方法和语音不一样，语音只要能听懂，达到传达信息的目的即可，视频要求亮丽的彩色图像，动听的立体声伴音，目的是使人能得到最大的感官享受。为了实现这些功能，需要另外一个协处理器专门处理这些信号，它就是应用处理器。

针对便携式移动设备，应用处理器的性能需要满足以下几点。

（1）低功耗，这是因为应用处理器用在便携式移动设备上，通常用电池供电，节能显得格外重要，使用者给电池充满电后希望使用尽可能长的时间。通常MAP的核心电压为0.9～1.2V，接口电压为2.5V或3.3V，待机功耗小于3mW，全速工作时100～300mW。

（2）体积微小，因为主要应用在手持式设备中，每一毫米空间都很宝贵。应用处理器通常采用小型BGA封装，引脚数有300～1000个，锡球直径为0.3～0.6mm，间距为0.45～0.75mm。

（3）具备尽可能高的性能，目前的便携式移动设备具备了DAB（Digital Audio Broadcasting）、蓝牙耳机、无线宽带（Wi-Fi）、GPS导航、3D游戏等功能，新的功能仍在积极开发中，这些功能都对应用处理器的性能提出了更高的要求。

2. 应用处理器（MAP）与微控制器的接口比较

应用处理器的接口相较于MCU更加丰富，除了MCU常见的接口，如通用I/O（即GPIO）、模数转换（A/D）、数模转换（D/A）、串行通信接口（UART）、串行外设接口（SPI、I2C、CAN、USB）、嵌入式以太网、LED、LCD等外，因应用处理器的场景通常与多媒体、PC互联等需要，因此其接口通常还包括USB、PCI、TU-R 656、TS、AC97、3D、2D、闪存、DDR、SD等。

3. ARM应用处理器架构

ARM公司在RISC CPU开发领域中不断取得突破，所设计的微处理器结构从v3发展到v8。2004年之后为避免名称混乱，统一采用Cortex命名，Cortex又分为M、R、A系列，人们所看到的大部分应用处理器都是基于Cortex-A系列内核的。

Cortex-A系列处理器主要基于32位的ARM v7A或64位的ARM v8A架构。ARM v7A系列支持传统的ARM、Thumb指令集和新增的高性能紧凑型Thumb-2指令集，主要包括高性能的Cortex-A17和Cortex-A15、可伸缩的Cortex-A9、经过市场验证的Cortex-A8、高效的Cortex-A7和Cortex-A5。ARM v8A是在ARMv7基础上开发的支持64位数据处理的全新架构，ARMv7架构的主要特性都在ARMv8架构中得到了保留或进一步拓展，该系列主要包括性能最出色、最先进的Cortex-A75、性能优异的Cortex-A73、性能和功耗平衡的Cortex-A53、功耗效率最高的Cortex-A35和体积最小功耗最低的Cortex-A32。