MCU、DSP、FPGA、ASIC与PLC：优缺点深度对比与分析_mcu和fpga
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MCU、DSP、FPGA、ASIC和PLC都是数字电子技术领域中的重要概念，它们在不同领域中都有着广泛的应用。本文将从定义、工作原理、应用领域、优缺点等方面，对它们进行详细的比较和分析。
①、定义
MCU（Microcontroller Unit) 即单片机，是一种利用微处理器技术实现集成电路的电子产品。它包含了CPU、存储器、输入输出口、定时器、串行口等组成部分，并且能够完成数据处理、控制和通信等多种功能。
DSP（Digital Signal Processor）即数字信号处理器，是一种专门用于数字信号处理的微处理器。它通常采用流水线结构，可以快速地进行数字信号的滤波、变换和计算等操作。
FPGA（Field-Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，一种半定制的数字集成电路。它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的根底上进一步发展的产物。FPGA芯片通常由大量的逻辑单元、存储单元和可编程互连组成。它们提供了一种灵活的硬件设计平台，可以在电路设计后期进行重新配置，而无需制造新的硬件。相比于固定功能的专用集成电路，FPGA提供了更高的可定制性和灵活性。
ASIC（Application Specific Integrated Circuit）即专用集成电路，一种应特定用户的要求，或特定电子系统的需要，专门设计、制造的集成电路。区别于FPGA，ASIC芯片不能通过改变电路来增加功能。相对于GPU来说，ASIC显示出优越的计算性能、低功耗以及低成本。
PLC（Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器，是一种专门用于工业控制的数字电子设备。它包含了CPU、输入输出模块、通信模块等组成部分，并且能够通过编程实现逻辑控制、运动控制、数据采集等多种功能。
②、工作原理
MCU的工作原理是通过CPU控制程序的执行，实现各种数据处理、控制和通信等操作。由于MCU集成度高、功耗低、可靠性高，因此在小型化、低功耗、成本敏感的应用场合中得到广泛应用。
DSP的工作原理是通过高速的浮点运算单元和流水线结构，实现对数字信号的滤波、变换和计算等操作。由于DSP处理速度快、功耗低，因此在音频处理、图像处理、雷达信号处理等领域中得到广泛应用。
FPGA的工作原理是采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。
ASIC的工作原理是读取原始输入数据信号，并经内部逻辑电路运算后直接生成输出信号。ASIC是从根级设计、制造的专有应用程序芯片，其计算能力和计算效率可根据算法需要进行定制，是固定算法最优化设计的产物。
PLC的工作原理是通过编程实现逻辑控制、运动控制、数据采集等功能，可以实现工业自动化控制系统的开发和运行。由于PLC具有良好的稳定性、可靠性和实时性，因此在工业控制领域中得到广泛应用。
③、应用领域
MCU广泛应用于各种嵌入式系统中，包括工业自动化、家用电器、智能家居、电动车控制等领域。MCU可以通过各种传感器采集数据，然后进行处理和控制。
DSP广泛应用于音频信号处理、图像处理、视频编解码、雷达信号处理等领域。DSP可以通过数字滤波、FFT等算法，实现对信号的处理和分析。
FPGA广泛应用于通信、图像处理、医疗等领域。随着科技的进步，FPGA在人工智能、5G 和自动驾驶等领域也有一席之地。
ASIC广泛应用于人工智能设备、虚拟货币挖矿设备、耗材打印设备、军事国防设备等智慧终端。
PLC广泛应用于工业自动化控制系统中，包括机床控制、流水线控制、机器人控制、电力系统控制等领域。PLC可以通过编程实现逻辑控制、运动控制、数据采集等功能。
④、优缺点对比
1、MCU
优点：
• 集成度高，体积小，功耗低，成本低；
• 可编程性强，可根据具体应用进行定制；
• 处理速度快，可实现实时控制。
缺点：
• 处理能力有限，不适合进行复杂的数字信号处理；
• 需要外部的外设接口，才能与外界通信。
2、DSP
优点：
• 处理速度快，能够进行复杂的数字信号处理；
• 集成度高，功耗低，成本低；
• 可编程性强，可根据具体应用进行定制。
缺点：
• 通用性不强，只适合于数字信号处理领域；
• 与外界通信需要外部接口。
3、FPGA
优点：
• 可重构性：FPGA 可以根据需要进行重新编程，因此可用于多种不同的应用程序；
• 快速开发时间：与 ASIC 相比，FPGA 的开发时间更短，因为它不需要制造新的硬件；
• 低成本：FPGA 可以在不需要大量定制硬件的情况下实现多种应用程序，因此可以大大降低开发成本；
• 高速性能：由于 FPGA 可以在硬件级别上实现特定任务，因此它们通常比基于软件的解决方案更快。
缺点：
• 价格较高，规模量产后的单价更是远高于ASIC；
• 计算能力和峰值性能不如GPU；
• 灵活性占优的同时牺牲了速度与能耗。FPGA在维持了灵活性的同时，效率和功耗上劣于专用芯片ASIC；
• FPGA的语言技术门槛较高。
4、ASIC
优点：
• 面积：ASIC 芯片在设计时避免冗余逻辑单元、处理单元、寄存器、存储单元等架构，以纯粹数字逻辑电路形式构建，有利于缩小芯片面积。应对小面积芯片，同等规格晶圆可被切割出更多数量芯片，有助于企业降低晶圆成本；
• 能耗：性能上的优势非常明显，具有最高的功效能耗比。ASIC 芯片单位算力能耗相对CPU、GPU、FPGA 较低，如GPU 每算力平均约消耗0.4 瓦电力，ASIC 单位算力平均消耗约0.2 瓦电力，更能满足新型智能家电对能耗的限制；
• 集成度：因采用定制化设计，ASIC 芯片系统、电路、工艺高度一体化，有助于客户获得高性能集成电路；
• 性价比：受到体积小、运行速度高、功耗低等特点影响，ASIC 芯片价格远低于CPU、GPU、FPGA 芯片。当前全球市场ASIC 芯片平均价格约为3 美元，远期若达到量产规模，ASIC 芯片价格有望保持持续下降态势。
缺点：
• 定制化程度较高，设计开发周期长，成品需要做物理设计和可靠性验证，面市时间较慢，扩大了ASIC成品被市场淘汰的风险；
• 不可编辑，灵活性较差，对算法依赖性较高。人工智能算法高速更新迭代，导致ASIC 芯片更新频率较高。处理速度较慢，不适合进行复杂的数字信号处理；
• ASIC由于是定制化芯片，有大量附加工艺设计需要考虑，投入的成本非常高，对企业带来资金风险。若芯片能实现量产并大规模投入使用，其单价成本才能有效降低。
5、PLC
优点：
• 稳定性高，可靠性强，能够适应恶劣的工业环境；
• 可编程性强，可以根据具体应用进行定制；
• 具有良好的实时性，可以实现实时控制。
缺点：
• 处理速度较慢，不适合进行复杂的数字信号处理；
• 体积较大，成本较高。
⑤、总结
综上所述，MCU、DSP、FPGA、ASIC和PLC都具有各自的特点和应用领域，需要根据具体应用来选择。如果需要进行数字信号处理，可以选择DSP；如果需要灵活调试算法等参数，可以选择FPGA；如果数字信号处理可以固化算法或规模化应用，可以选择ASIC；如果需要进行实时控制和数据采集，可以选择PLC；如果需要小型化、低功耗、成本敏感的应用，可以选择MCU。当然，在实际应用中，这几种技术也可以组合使用，以满足更加复杂和多样化的需求。
此外，这几种技术之间也存在着联系。例如，在一些工业控制系统中，MCU可以与PLC配合使用，MCU负责数据采集和简单的数据处理，PLC负责逻辑控制和运动控制；在一些音频处理和图像处理系统中，DSP可以与MCU、FPGA、ASIC或PLC配合使用，DSP、FPGA、ASIC负责数字信号处理，MCU或PLC负责控制和通信。因此，这几种数字电子技术之间并不是互相独立的，它们可以相互补充，实现更加复杂和多样化的应用。
总的来说，这几种数字电子技术都是数字化时代不可或缺的重要组成部分，它们的发展和应用将继续推动数字化时代的发展。
来源于21ic电子网 ，作者王小琪
