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DigiKey全面性滿足客戶的各種應用需求
2024-03-05
DigiKey應用與技術網頁
為了滿足客戶在應用上的不同需求，DigiKey的應用與技術頁提供各式各樣應用相關的資源，將有助於工程師更快的進行設計。從應用面來看，DigiKey針對汽車、自動化與控制、物聯網解決方案、能源收集等提供不同的解決方案支援。
網頁列出不同的嵌入式系統與微控制器技術
更進一步，這網頁列出不同嵌入式系統與微控制器技術涵蓋各種指令集架構、評估板、開發板、模組上系統、擴充板、即時作業系統、嵌入周邊元件、微處理器、數位訊號處理器、單板電腦、微控制器、現場可編程閘陣列等特點。
我們將陸續介紹嵌入式系統網頁內相關的各種應用與技術，如評估板與即時作業系統（RTOS）、微處理器（MPU）與各種控制器（DSP、SBC、MCU、FPGA），以及周邊（記憶體、時鐘、通訊、I/O、電源）的介紹。以下將率先為您介紹嵌入式系統與微控制器的相關技術與應用。
嵌入式系統和指令集架構的選擇
嵌入式系統（Embedded System）是一種特定用途的電腦系統，通常被嵌入到其他裝置或系統中，以執行特定的任務或功能。這些系統通常是專為特定應用或產品而設計，並且由相對較小、專注的硬體和軟體所組成。想要建置一套嵌入式系統，首先得確認想要採用的指令集架構（Instruction Set Architectures, ISA），各家的指令集架構各有其擁護者與優缺點，本文將為您進行嵌入式系統的概念介紹與指令集架構的選擇考量。
嵌入式系統和指令集架構的選擇
嵌入式系統應用領域相當廣泛
嵌入式系統的應用範圍相當廣泛，通常被設計用來執行特定的功能或任務，從日常生活中的家電產品到汽車電子系統、醫療設備、工業自動化等各個領域都有存在，它們在提高產品智慧化、效能和功能性方面發揮了關鍵作用。此外，許多嵌入式系統需要即時處理和回應，這意味著它們必須在特定的時間限制內完成任務，這在需要即時控制和反應的應用中尤其重要。
另一方面，由於嵌入式系統通常嵌入在資源有限的環境中，因此它們的硬體資源（如處理器、記憶體）和功率都受到限制。因此，軟體必須被精心設計以充分利用這些有限的資源，加上嵌入式系統的硬體配置通常是固定的，並且無法或難以進行硬體升級，這使得軟體的最佳化和效能至關重要。
當前的多數嵌入式系統都需要與其他裝置或系統進行通訊，以執行協同任務或傳送數據，這使其必須支援多種通訊協定，可能包括有線或無線通訊，例如藍牙、Wi-Fi、CAN（Controller Area Network）等。
嵌入式系統也必須搭配嵌入式軟體，才能執行功能運作，嵌入式系統的軟體通常是專門為其硬體平台設計的，這可能包括即時作業系統（RTOS）或特定應用的軟體堆疊。
嵌入式系統應用領域相當廣泛
選擇指令集架構是開發嵌入式系統的第一步
嵌入式系統通常是接收、解釋和發送訊號的電子系統的協調部分，其功能來自於硬體和軟體的結合，對於剛接觸嵌入式系統的人來說，C程式語言可以成為軟體開發的良好起點。想要進行軟體開發，便必須從選擇整體主題（如指令集架構）開始，到一些較大的產品類別（如微控制器）結束。
指令集架構（ISA）也稱為電腦架構，是一種如何將程式碼指令、資料類型和支援的硬體組合在一起，形成微處理器單元（MPU）的定義。通常ISA不會交叉相容，因此為一種ISA設計的系統並無法在另一種ISA上運作。例如，x86系統和軟體無法在採用ARM的晶片上運行，因為兩者處理程式碼指令和資料集的方式不同。
當然，市面上有幾種不同的解決方法可以解決相容性問題，包括透過模擬不同ISA操作條件的軟體，或透過將不同ISA組合到單一軟體套件中。例如ARM創建了一種名為ARM big.LITTLE的混合架構，這是一種異質多處理架構，透過將高功率和低功率處理核心組合到一個系統中，可以對高功率進程進行優先排序，並與低功率和低優先級請求分開處理，實現更大的靈活性和更精確的電源管理。
指令集架構主要可以分成精簡指令集（RISC）和複雜指令集（CISC）架構。RISC的概念可以追溯到20世紀80年代，旨在使用簡單的指令集在運算過程中執行單步驟操作，主要的想法是透過減少用於載入、評估和儲存資料的簡單指令的數量來使硬體更簡單。一般來說，可以視為每個程式碼指令只為電腦系統執行一個動作，更簡單的操作可以實現更快的完成速度並降低功率消耗，這使得它們在便攜式裝置或其他以電源效率為驅動因素的應用受到歡迎。
相較之下，CISC則允許在運算過程的每個步驟中發生多個指令和程式碼操作，通常包括載入和儲存步驟的複雜指令。一般來說，CISC可以被認為是除了RISC之外的所有指令集架構，因為這個術語是為了回應採用RISC的晶片和系統的發展而開發的。雖然CISC沒有官方的定義，但它們通常可以被認為具有更複雜的設計系統，因此通常需要更多的功率來運作。
RISC與CISC這兩種想法其實都想要使CPU的執行速度更快，RISC是透過減少每個指令的周期，以減少每個應用程式的指令總數為代價，而CISC則是透過最小化每個程式的指令數，以更複雜的硬體為代價。
選擇指令集架構時，有多種考量因素，這些因素通常會涉及到硬體、軟體和系統整合等方面，包括應用所需的性能、功率消耗、成本、軟體生態系統、相容性、擴展性、安全性等。整體來說，選擇指令集架構是一個複雜的決策，需要綜合考慮多個因素，並根據具體的應用場景和需求做出適當的選擇。
各種指令集架構滿足不同應用需求
目前主流的指令集架構有許多種類，每種都有其特定的特點和應用領域，常見的一些主要的指令集架構包括RISC-V、x86、ARM、MIPS和Power等，以下將針對最常見的RISC-V、x86和ARM進行介紹。
RISC-V
RISC-V是一種採用RISC架構的開放標準ISA，與其他晶片設計不同，RISC-V完全開源並具有開放架構，具有可擴展性和自由授權的特點，這意味著任何人、任何地方都可以製造RISC-V晶片，而無需支付任何授權費用，使其吸引了廣泛的關注，成為了開源社群中的熱門選擇。然而，雖然RISC-V的核心是開源的，但可能還有其他不被視為公共領域的附加和擴展。RISC-V在嵌入式系統、物聯網裝置和一些新興市場中取得了一些成就，並在某些特定領域中快速崛起。目前市面上已經有一些RISC-V開發板推出，包括Sparkfun RED-V與Digilent RVfpga，可以加快採用RISC-V指令集來開發嵌入式系統。
Sparkfun的RED-V開發板 Digilent的RVfpga開發板
x86
CISC處理器最古老的指令集架構系列之一，其中的x86處理器系列始於1970年代末，做為Intel 8位元微處理器的擴展，經過不斷調整和改進，成為當今最常見的電腦處理器類型之一。x86擁有豐富的指令集和通用暫存器，它最初是為桌上型電腦和伺服器應用而設計的，x86晶片通常用於筆記型電腦、桌上型電腦、伺服器、工作站和超級電腦和部分嵌入式系統，專為最佳效能而設計。目前用於開發x86架構的開發板包括LattePanda x86板與Udoo x86板等。
ARM
ARM最初稱為“Advanced RISC Machines”，但現在則簡稱為“ARM”，是由Arm LTD開發和授權的RISC處理器系列。ARM是一種RISC架構，注重簡潔和節能，由於ARM的功率消耗較低且發熱量低，因此ARM的晶片廣泛採用於行動裝置和便攜式裝置、嵌入式系統和低功率消耗需求的應用，例如智慧型手機、平板電腦、嵌入式系統、物聯網裝置，和某些筆記型電腦和其他低功率消耗裝置。常見的ARM開發板包括STMicroelectronics NUCLEO與STMicroelectronics IOT等。
STMicroelectronics的NUCLEO開發板 STMicroelectronics的IOT開發板
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RISC-V是當前最具發展潛力的指令集架構
開發CPU設計是一個漫長且成本高昂的過程，由於ARM等供應商會對使用其設計的開發者收取專利費，以支付開發成本，因此開放、免授權費的RISC-V架構成為當前最具發展潛力的指令集架構。
RISC-V與其他指令集架構（ISA）的區別在於該標準是開源的，並且免費供個人、學術和商業用途。此外，它還定義了處理CPU中最重要功能的基礎，它本身就是可以實現簡化的通用型電腦。這個基礎可以透過使用延伸指令來擴充，這些延伸指令被指定為與基礎一起工作，並且彼此之間不會發生衝突。例如，您可以實現具有64位元基本整數指令集的CPU，並包含一個支援單精確度浮點指令的延伸，以及另一個用於整數乘法和除法的延伸。
目前已經有一些製造商實現了RISC-V ISA，您也可以從使用此類CPU的各種開發板中進行選擇。其中之一是LoFive R1，它是對RISC-V生態系統的簡易且經濟的開始，它具有您期望從開發板（如Arduino）獲得的所有功能，而且價格低廉。
GroupGets LLC的LoFive R1 RISC-V評估板
結語
嵌入式系統與微控制器是當前最熱門的話題，選擇ISA則是嵌入式系統開發的第一步，DigiKey提供了多種ISA開發板供客戶選擇，並提供相對應的支援，設計師也可以到應用與技術網頁參考更詳細的應用與技術介紹，以加速系統的開發速度，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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