你有所不知的 CPU、MPU、MCU、SOC 和 SOPC
原创
引言
我们的目标是要造一台 Dream Car，梦想之车。这个时代的 Dream Car，必须要有最先进的智能科技，还要有最出色的驾驶质感，两者缺一不可。所以，我们希望把第一辆车打造成：50 万以内最好看的轿车、50 万以内最好开的轿车、50 万以内最智能的轿车，同时，还必须是一台高品质的轿车！小米SU7 ，就是我们为朋友们打造的梦想之车！
在小米SU7发布会上，最引人注目的莫过于搭载了骁龙8295座舱芯片的小米澎湃智能座舱。或许很多人会好奇：骁龙芯片不是手机用的吗？怎么现在汽车也用上骁龙芯片了？事实上，随着科技的飞速发展，汽车行业已经发生了翻天覆地的变革。如今，汽车动力正逐渐从内燃机转向电动机，自动驾驶、智能座舱和智能网联等相关应用也在逐步落地。
回顾过去，早期的汽车仅仅是机械和电气产品的结合体，其功能主要依赖于机械系统和原始的电气系统来实现。例如，车窗需要手动摇动，燃油与空气的混合依靠化油器，转向依赖液压泵助力，刹车没有ABS全靠脚踩，而电气设备的控制则基本依靠简单的开关和导线。
自1967年博世（Bosch）发布第一套发动机电子燃油喷射系统D-Jetronic以来，电子技术开始广泛应用于汽车领域，以实现更为复杂的控制逻辑。尽管最初的D-Jetronic采用模拟电路和25个晶体管来执行所有处理，但它为现代电子控制单元（ECU）的发展奠定了基础。
随后，汽车上安装了大量的电子传感器、执行机构和计算芯片。通过微控制器（MCU）对多个传感器传回的参数进行计算，再向执行机构发送控制指令，从而实现各种复杂的功能。为了更好地体会到汽车电子电气设备的多样性，尝试列举了以下一些当前汽车装备的电子电气装置（请注意，这里的分类并不严谨，仅供参考）：
- 发动机控制系统
- 制动防抱死系统（ABS）
- 电子稳定程序（ESP）
- 牵引力控制系统（TCS）
- 自动空调系统
- 座椅加热/通风系统
- 高级驾驶辅助系统（ADAS）
- 车载娱乐系统
- 车联网通信模块
- 电池管理系统（BMS）
如今，随着系统级芯片（SoC）技术的发展，汽车电子电气架构正朝着更加集中化和高效化的方向发展。小米澎湃智能座舱正是这一趋势下的产物，它搭载了高通骁龙8295座舱芯片，为用户带来更加智能、便捷和舒适的驾驶体验。
今天我们就来聊一聊，CPU，MPU，MCU，SOC 和 SOPC 之间的差异；
什么是 CPU
CPU（Central Processing Unit，中央处理器），处理器是计算机的核心部件，负责执行计算机程序中的指令和处理数据。它通常被称为 CPU（中央处理器）。
CPU 由多个部分组成，其中包括算术逻辑单元（ALU）负责执行算术和逻辑运算，控制单元（CU）管理指令的执行流程，寄存器存储临时数据和指令，以及总线用于组件间的数据传输和通信。其主要功能包括计算机指令的解释和计算机软件中数据的处理。
在计算机早期阶段，大型机通常由多个独立的单元组成。后来，出现了由集成电路制成的中央处理器，称为微处理器。微处理器是一种非常紧凑的组件，集成了复杂的电路，被设计成一个强大的单元，通常称为内核。
几乎所有处理器的运行都可以分为四个阶段：检索、解码、执行和写回。处理器从内存或高速缓存中检索指令，将其放入指令寄存器中，对其进行解码以理解其含义，然后执行指令，并可能在需要时将结果写回内存。
处理器的可编程性使得计算机可以执行各种任务，这意味着它们可以根据需要进行编程，以执行不同的功能。例如，处理器可以用于执行数学运算、处理图形、控制设备等各种应用。
什么是 MPU
MPU（Micro Processor Unit，微处理器单元），也称为微处理器，是一种特殊的可编程集成电路，通常用于计算机和高端系统中的中央处理器。它是一种功能强大的处理器，与单独的处理器不同，MPU 需要与许多其他外围设备（如内存）配对才能组成完整的系统。
微处理器通常是功能强大的处理器，类似于增强型处理器，用作计算机和高端系统中的中央处理器。在20世纪80年代，随着微型计算机和游戏机的普及，MPU 开始变得流行。随着时间的推移，MPU 的体积逐渐减小，功能不断增强。如今，只有英特尔和 AMD x86 系列处理器被广泛认为是 MPU。尽管这些处理器已经非常强大，但随着技术的发展，它们的复杂性不断增加，因此将它们称为 "微处理器 "可能有点名不副实。
在个人电脑领域，通常会看到类似上图的主板。这些主板通过连接处理器、内存模块、声卡等外围设备，形成了一个完整的计算机系统。整个主板体积庞大，制造复杂，但它们是构建现代计算机的重要组成部分。
什么是 MCU
MCU（Microcontroller Unit，微型控制单元）又称微控制器，是指随着大规模集成电路的出现和发展，将中央处理器、存储器、定时器/计数器、各种输入/输出接口等全部集成在一个芯片上的微型计算机芯片。这些都集成在一个芯片上。它只需使用最少的元件（如电阻器、电容器）就能运行，形成一个能够执行代码的最小系统。
相比于个人电脑中使用的通用微处理器，微控制器强调自给自足（不依赖外部硬件）和成本效益。
举例来说，考虑一个智能家居设备中的微控制器。这个微控制器可能集成了处理器、存储器、Wi-Fi模块、GPIO接口等功能。它可以独立运行，不需要额外的硬件支持。例如，智能插座可以使用微控制器来控制电器的开关，并通过Wi-Fi模块与智能手机应用通信，实现远程控制功能。
MCU 的最大优点之一是体积小，因此适合放置在设备内部。然而，由于其存储容量有限，输入/输出接口简单，功能相对较弱。例如，嵌入式系统中的传感器控制器可能会使用微控制器，因为它只需执行简单的控制任务，并与传感器通信，而不需要复杂的计算或图形处理能力。
在 MCU 的发展历程中，出现了许多不同类型的微控制器，如8051 8位微控制器、AVR 16位微控制器和STM 32位微控制器等。每一代微控制器都有其特定的优势和适用场景。例如，一些嵌入式系统可能需要高性能的处理器和大容量的存储器，而另一些则可能更注重低功耗和小尺寸。
总之，MCU 是一种功能丰富的集成电路，能够通过最少的外部元件构建一个完整的电子系统，适用于许多嵌入式系统和物联网设备中。
什么是 SOC
SoC（System on a Chip，片上系统）是一种集成了完整计算机或电子系统所需核心功能的芯片。它将处理器、存储器、输入/输出接口、时钟管理等功能集成在一个单一的芯片上，形成了一个完整的计算机系统。SoC通常用于嵌入式系统、移动设备、智能家居、物联网设备等领域。
举例来说，考虑一款智能手表中的SoC。这个SoC集成了处理器、存储器、显示控制器、蓝牙模块、传感器接口等功能。它可以独立运行，并通过蓝牙与智能手机连接，实现数据传输和通信功能。智能手表的所有核心功能都集成在了这个SoC芯片中，使得整个设备体积小巧、功耗低、性能高。
SoC的优点之一是集成度高，能够在一个小型芯片上实现多种功能，从而节省空间和成本。另外，由于集成度高，SoC的功耗通常比使用多个单独芯片构建系统的方式更低，适用于对功耗要求较高的应用场景。
在嵌入式系统和移动设备领域，SoC已经成为主流。例如，智能手机、平板电脑、智能音箱等设备中都广泛采用了SoC芯片，它们集成了处理器、图形处理器、Wi-Fi/蓝牙模块、摄像头接口等多种功能，为用户提供了全面的计算和通信能力。
相比之下：MCU 属于芯片级，而 SoC 属于系统级。SoC 结合了 MCU 和 MPU 的优点，集成了 RAM 和 ROM，功能与 MPU 一样强大。它可以在系统级存储和执行代码，这意味着它可以运行操作系统（主要是 Linux 操作系统）。
此外，SOPC 也是一个值得理解的概念。与上述概念相比，SOPC 并不常见，但其重要性却丝毫未减。
什么是 SOPC
SOPC（System On a Programmable Chip，可编程芯片上的系统）它是一种技术，能把处理器核心、外围设备和其他功能集成到一块芯片上。通俗的讲，就是允许修改硬件配置，这意味着可以构建自己的芯片。这样做的好处是可以降低成本、提高灵活性和可扩展性。
比如，Xilinx的Zynq系列芯片就是一个SOPC产品。它集成了处理器核心和可编程逻辑在同一片芯片上。这使得Zynq芯片非常适合于需要高度定制化的硬件解决方案的应用，比如嵌入式系统和通信设备。
在SOPC中，用户可以利用可编程逻辑设计和实现定制化的硬件功能，从而加快产品开发速度并提高系统性能。这种灵活性使得SOPC成为了许多领域中的首选技术之一，为开发人员提供了更多的创新空间
MCU Vs. MPU
MCU（微型控制单元）和MPU（微处理器单元）在设计和功能上有所不同。
MCU集成了片上外设，这意味着它可以直接通过添加简单的外围设备（如电阻器、电容器）来执行代码。它本质上是一个完整的单芯片微型计算机，具有处理器和各种接口。例如，Arduino微控制器就是一种MCU，它集成了处理器、数字输入/输出引脚、模拟输入引脚等外设，可以直接用于编程控制各种电子设备。
相比之下，MPU不包含外围设备（如存储器阵列），它是一个高度集成的通用处理器。虽然MPU（例如ARM的Cortex-A系列）功能更强大，但它不能直接执行代码，因为它本质上是CPU的增强版本。为了使MPU工作，必须额外添加RAM和ROM等存储器组件。例如，Raspberry Pi单板计算机就是一种MPU，它需要SD卡来存储操作系统和应用程序，并且需要额外的外围设备（如显示器、键盘）才能实现完整的功能。
因此，MCU更适用于嵌入式系统和简单的电子设备，而MPU则更适用于需要更多计算和存储能力的应用，如个人电脑、智能手机等。
功能 | 微控制器 (MCU) | 微处理器 (MPU) |
|---|---|---|
位宽 | 通常为 8 至 32 位，部分为 64 位 | 最小为 32 位，通常为 64 位 |
工作频率 | 几百 kHz 至数百 MHz | 通常为数百 MHz 至数 GHz |
架构 | 常见的是流水线或随机逻辑系统，部分为超标量 | 常见的是超标量架构 |
存储管理 | 可以有外部存储器，但主存储器通常是内置的，部分有内置缓存和MMC单元 | 通常需要外部存储器，部分有内置缓存和MMC单元 |
指令集 | 主要支持基本算术和逻辑操作，高端版本支持有限的 DSP 和浮点运算 | 支持更广泛的指令集，包括 DSP 和浮点运算等 |
价格 | 低 | 高 |
例子 | ARM Cortex-M (针对低功耗/小型控制器应用设计) | ARM Cortex-A (着重于高性能应用处理器的发展) |
在功能方面，微控制器 (MCU) 和微处理器 (MPU) 有一些不同之处。MCU 通常具有较低的位宽和工作频率，而 MPU 则具有更高的位宽和工作频率。此外，它们的架构、存储管理和指令集也有所不同。MCU 更适用于低功耗和小型控制器应用，价格相对较低。而 MPU 更适用于高性能应用处理器，价格较高。
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
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