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嵌入式系統的微處理器選擇
2024-03-22
任何一個電子系統都需要一個微處理器（MPU）核心，當然也有些系統會選擇微控制器（MCU），或是數位訊號處理器（DSP）、現場可程式化邏輯閘陣列（FPGA），甚至是單板電腦（SBC）來負責系統的運算與控制工作，以下將為您進行微處理器等相關產品的概要介紹。
微處理器是電腦的核心元件
微處理器單元（MPU）
微處理器單元（MPU）是一種積體電路（IC），主要功能是執行電腦系統中的指令集，是電腦的核心元件，通常被認為是系統的大腦，負責處理和執行各種運算、控制和操作，包含程式碼運行、資料檢索／發送到記憶體，以及對資料應用數學運算的邏輯。微處理器又被稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU），是電腦最重要的部分之一。
微處理器的主要功能包括運算能力，用來執行各種數學和邏輯運算，它能夠處理大量的數據並執行複雜的運算，這使得電腦能夠執行各種應用程式。此外，微處理器包含一個控制單元，負責解釋和執行儲存在記憶體中的指令。
微處理器的運作速度通常由時脈來衡量，表示每秒執行的時鐘週期數，時脈越高，處理器的運行速度越快，代表能夠在同一時間內處理更多的指令。目前現代微處理器通常採用多核心技術，意味著它們包含多個處理核心，這使得處理器能夠同時處理多個任務，提高整體性能和多任務處理效能。
另一方面，微處理器還包含快取記憶體，用於暫存常用的指令和數據，以提高存取速度。快取記憶體有助於減少從主記憶體中讀取數據的需求，提高系統性能。使用微處理器進行設計時，通常必須先依據想使用的指令集架構（RISC-V、x86和ARM），來選擇合適的微處理器。微處理器主要用在伺服器、工作站、電腦、行動裝置、電玩機台等產品。
微控制器更容易被系統整合
微控制器（MCU）是一種嵌入式系統中的積體電路，雖然微控制器的性能低於微處理器，但它更容易被系統整合，而且價格也更低。微控制器的功能主要包含一個或多個處理核心，負責執行嵌入在其內部的程式碼，這些處理器通常具有較低的時脈速度，但足以處理特定的應用。此外，微控制器通常包含內部快閃記憶體，用於儲存程式碼，以及隨機存取記憶體（RAM），用於暫存運行時的數據。
微控制器還具有輸入／輸出介面，可連接外部裝置，例如感測器、顯示器、通訊介面等，這些介面允許微控制器與外界進行數據交換。微控制器通常還包含內建的計時器和計數器，用於執行定時任務、計數脈衝或產生時序訊號。
微控制器能夠透過不同的通訊協定，如UART、SPI、I²C等，與其他裝置進行數據交換，並包含電源管理電路，能夠有效地管理能源消耗，以延長電池壽命或節省電能。此外，部分微控制器可能內建特定應用的專用硬體，例如類比-數位轉換器（ADC）、數位-類比轉換器（DAC）、PWM控制（脈衝寬度調變）等，以支援各種應用需求。
微控制器的特點在於它們的整合度高，並且針對特定的應用進行了最佳化。這使得它們成為許多嵌入式系統的理想選擇，因為它們在體積小、功率消耗低、成本效益高的同時，提供了足夠的運算和控制能力。微控制器通常運行即時作業系統（RTOS），主要用在自動販賣機、醫療設備、家用電器與機器人等領域。
數位訊號處理器滿足即時處理的需求
數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP）
顧名思義，數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種專門設計用於處理數位訊號的微處理器，它的主要功能是高效率地執行如音訊處理、影像處理、通訊處理等任務，通常DSP晶片具有高解析度類比數位轉換器（ADC）和數位類比轉換器（DAC），以及數位濾波功能，DSP被最佳化和設計，可用於快速執行複雜的數位訊號計算，以滿足即時處理的需求。
DSP專注於處理數位訊號，具有最佳化的硬體和指令集，以實現高效率的數學和訊號處理運算，這使得它們能夠在即時應用中處理高密度的數據串流，例如音訊或影像數據。DSP通常擁有多個平行處理單元或通道，這使得DSP同時處理多路訊號變得更加容易，這對於同步處理多路數據串流的應用非常有用，如多通道音訊處理或多天線通訊系統。
DSP的指令集通常包括針對數位訊號處理任務最佳化的指令，例如快速傅立葉變換（FFT）和卷積運算等，這使得在DSP上實現數位訊號處理演算法變得更加高效率。許多DSP被設計為可應用於低功率消耗裝置，這使得它們適合於電池供電或要求功耗效能的應用，如便攜式音訊裝置或無線通訊裝置。
此外，還有一種數位訊號控制器（DSC），可以被視為DSP和MCU之間的專門組合。DSC通常包含微控制器中的功能，例如看門狗定時器、脈寬調變通道以及使用低階語言（例如C程式語言或組合語言）進行程式設計的能力。
具有可重構性的現場可程式化邏輯閘陣列
FPGA（Field-Programmable Gate Array）
FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一種可現場程式化的閘陣列，是可讓使用者可程式設定可配置邏輯區塊（CLB）互連連接的半導體元件，在出廠後重新程式化這些CLB以及它們之間的連接，使它們能夠適應應用程式的需求，並添加更多功能，是一種靈活且可重構的數位邏輯元件。
FPGA的最大特點之一是其可重構性，允許使用者在不更換硬體的情況下重新配置其內部數位邏輯元件。這使得FPGA能夠適應不同的應用需求，並隨著時間的推移進行更新。FPGA內部有一個配置記憶體，用於儲存邏輯元件的配置資訊，這些配置可以透過軟體或硬體設計工具產生，然後載入到FPGA中，使其執行特定的功能。
由於FPGA內部有多個可編程邏輯元件，因此它具有平行處理的能力，可以同時執行多個任務，這使得FPGA適用於需要高度平行處理的應用。FPGA廣泛應用於數位訊號處理、嵌入式系統、高性能運算、通訊、影像處理、網路加速和原型設計等領域。由於其可重構性和高度訂製化的特點，FPGA常被用於開發和測試新的硬體設計。
雖然大多數FPGA由於採用靜態隨機存取記憶體（SRAM）的記憶體，而可以多次重新程式化，但也有一次性可程式化（OTP）的選項，與其他嵌入式選項相比，FPGA的單價通常較高。
具有緊湊外型與高度整合的單板電腦
單板電腦（Single Board Computer，SBC）
單板電腦（Single Board Computer，SBC）是一種完整的電腦系統，所有的主要元件都整合在一個單一的電路板上，具有緊湊的外形並提供運算能力和處理速度。SBC包括中央處理器（CPU）、記憶體、輸入／輸出（I/O）介面、儲存裝置和其他必要的元件，如USB、HDMI、網絡介面等。
大多數SBC被設計為低功率消耗裝置，使其適用於需要節能的應用，如嵌入式系統、便攜式裝置等。SBC廣泛應用於如工業控制、自動化、醫療設備等嵌入式系統，這些系統需要一個完整的電腦系統以執行特定的任務。由於SBC簡單的架構和相對低價，SBC也被廣泛應用於教育領域，用於學生學習電腦科學、程式設計和硬體設計。SBC也是開發和原型設計的理想平臺，開發者可以使用它們來快速驗證概念、測試軟硬體設計，並進行產品原型開發。
許多SBC擁有龐大的社群支援，這包括開發者、製造商和愛好者。這種社群支援可以提供技術支援、開發工具、教程和協力廠商擴展模塊，使得使用者能夠更好地利用這些SBC。一些常見的SBC包括樹莓派（Raspberry Pi）、Arduino、BeagleBone、Odroid等，每種SBC都有其獨特的特點和用途，可以根據具體的需求選擇合適的型號。
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結語
選擇合適的微處理器是嵌入式系統開發過程中的重要關鍵，可以依據應用需求、成本、生態系統等因素，來選擇合適的微處理器。DigiKey提供了多種MPU、MCU、DSP、FPGA、SBC等解決方案供客戶選擇，工程師可以到DigiKey的應用與技術網頁參考更詳細的資訊，若有更多需求，也可與DigiKey聯繫以獲得更多詳細的訊息。
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