嵌入式系統的微處理器選擇

作者：DigiKey Editor

任何一個電子系統都需要一個微處理器（MPU）內核，當然也有些系統會選擇微控制器（MCU），或是數字信號處理器（DSP）、現場可編程邏輯門陣列（FPGA），甚至是單片機（SBC）來負責系統的計算與控制工作，以下將為您進行微處理器等相關產品的概要介紹。

微處理器是計算機的核心器件

[微處理器單元]（MPU）

微處理器單元（MPU）是一種集成電路（IC），主要功能是執行計算機系統中的指令集，是計算機的核心器件，通常被認為是系統的大腦，負責處理和執行各種計算、控制和操作，包含程序代碼執行、數據檢索／發送到內存，以及對數據應用數學計算的邏輯。微處理器又被稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU），是計算機最重要的部分之一。

微處理器的主要功能包括計算能力，用來執行各種數學和邏輯計算，它能夠處理大量的數據并執行復雜的計算，這使得計算機能夠執行各種應用程序。此外，微處理器包含一個控制單元，負責解釋和執行存儲在內存中的指令。

微處理器的運行速度通常由頻率來衡量，表示每秒執行的時鐘周期數，頻率越高，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采用多核技術，意味著它們包含多個處理內核，這使得處理器能夠同時處理多個任務，提高總體性能和多任務處理效能。

另一方面，微處理器還包含高速緩存，用于暫存常用的指令和數據，以提高訪問速度。高速緩存有助于減少從主存儲器中讀取數據的需求，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。微處理器主要用在服務器、工作站、計算機、移動設備、電玩機臺等產品。

微控制器更容易被系統集成

[微控制器]（MCU）是一種嵌入式系統中的集成電路，雖然微控制器的性能低于微處理器，但它更容易被系統集成，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內核，負責執行嵌入在其內部的程序代碼，這些處理器通常具有較低的頻率速度，但足以處理特定的應用。此外，微控制器通常包含內部閃存，用于存儲程序代碼，以及隨機存取存儲器（RAM），用于暫存運行時的數據。

微控制器還具有輸入／輸出接口，可連接外部設備，例如傳感器、顯示器、通信接口等，這些接口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定時器和計數器，用于執行定時任務、計數脈沖或產生時序信號。

微控制器能夠透過不同的通信協議，如UART、SPI、I2C等，與其他設備進行數據交換，并包含電源管理電路，能夠有效地管理能耗，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件，例如模擬-數字轉換器（ADC）、數字-模擬轉換器（DAC）、PWM控制（脈沖寬度調變）等，以支持各種應用需求。

微控制器的特點在于它們的集成度高，并且針對特定的應用進行了優化。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、功耗低、成本效益高的同時，提供了足夠的計算和控制能力。微控制器通常運行實時操作系統（RTOS），主要用在自動售貨機、醫療設備、家用電器與機器人等領域。

數字信號處理器滿足實時處理的需求

[數字信號處理器]（Digital Signal Processor，DSP）

顧名思義，數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種專門設計用于處理數字信號的微處理器，它的主要功能是高效地執行如音頻處理、圖像處理、通信處理等任務，通常DSP芯片具有高分辨率模擬數字轉換器（ADC）和數字模擬轉換器（DAC），以及數字濾波功能，DSP被優化和設計，可用于快速執行復雜的數字信號計算，以滿足實時處理的需求。

DSP專注于處理數字信號，具有優化的硬件和指令集，以實現高效的數學和信號處理計算，這使得它們能夠在實時應用中處理高密度的數據流，例如音頻或圖像數據。DSP通常擁有多個并行處理單元或通道，這使得DSP同時處理多路信號變得更加容易，這對于同步處理多路數據流的應用非常有用，如多通道音頻處理或多天線通信系統。

DSP的指令集通常包括針對數字信號處理任務優化的指令，例如快速傅里葉變換（FFT）和卷積計算等，這使得在DSP上實現數字信號處理算法變得更加高效。許多DSP被設計為可應用于低功耗設備，這使得它們適合于電池供電或要求功耗效能的應用，如便攜式音頻設備或無線通信設備。

此外，還有一種[數字信號控制器（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級語言（例如C程序語言或匯編語言）進行編程的能力。

具有可重構性的現場可編程邏輯門陣列

[FPGA（現場可編程門陣列）]

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一種可現場編程門陣列，是可讓用戶可編程配置邏輯區塊（CLB）互連連接的半導體器件，在出廠后重新編程這些CLB以及它們之間的連接，使它們能夠適應應用的需求，并添加更多功能，是一種靈活且可重構的數字邏輯器件。

FPGA的最大特點之一是其可重構性，允許用戶在不更換硬件的情況下重新配置其內部數字邏輯器件。這使得FPGA能夠適應不同的應用需求，并隨著時間的推移進行更新。FPGA內部有一個配置內存，用于存儲邏輯器件的配置信息，這些配置可以通過軟件或硬件設計工具產生，然后加載到FPGA中，使其執行特定的功能。

由于FPGA內部有多個可編程邏輯器件，因此它具有并行處理的能力，可以同時執行多個任務，這使得FPGA適用于需要高度并行處理的應用。FPGA廣泛應用于數字信號處理、嵌入式系統、高性能計算、通信、圖像處理、網絡加速和原型設計等領域。由于其可重構性和高度定制化的特點，FPGA常被用于開發和測試新的硬件設計。

雖然大多數FPGA由于采用靜態隨機存取存儲器（SRAM），而可以多次重新編程，但也有一次性可編程（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集成的單片機

[單片機（Single Board Computer，SBC）]

單片機（Single Board Computer，SBC）是一種完整的計算機系統，所有的主要器件都集成在一個單一的電路板上，具有緊湊的外形并提供計算能力和處理速度。SBC包括中央處理器（CPU）、內存、輸入／輸出（I/O）接口、存儲裝置和其他必要的器件，如USB、HDMI、網絡接口等。

大多數SBC被設計為低功耗設備，使其適用于需要節能的應用，如嵌入式系統、便攜式設備等。SBC廣泛應用于如工業控制、自動化、醫療設備等嵌入式系統，這些系統需要一個完整的計算機系統以執行特定的任務。由于SBC簡單的架構和相對低價，SBC也被廣泛應用于教育領域，用于學生學習計算機學科、編程和硬件設計。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、測試軟硬件設計，并進行產品原型開發。

許多SBC擁有龐大的群落支持，這包括開發者、制造商和愛好者。這些群落可以提供技術支持、開發工具、教程和第三方擴展模塊，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。

| | 處理器 | 優點 | 缺點 | 選擇建議 |
| -------- | -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------------ |
| MPU | 具備高處理能力、擁有設計彈性、通用性佳與多用途，適用于通用計算應用。 | 具有較高功耗、尺寸較大，且成本較高。 | 需要高計算性能和通用性的應用。 |
| MCU | 低成本，集成外設功能，具有低功耗與快速的啟動時間，采用小型封裝，適合嵌入式系統。 | 具備有限的計算和存儲資源，通常使用較低的時鐘速率，對于實時應用的支持與硬件的連接性可能較為受限。 | 適用于嵌入式系統，特別是資源有限的應用。 |
| DSP | 具有專業與高效率的數字信號處理能力，以及高度優化的浮點計算與并行計算能力。 | 對于通用計算較不靈活，需要專業知識，適用于非常特定的應用領域，而不適用于所有應用。 | 適用于需要專業數字信號處理能力的應用。 |
| FPGA | 具有靈活的硬件可編程能力，以及高度并行處理和硬件加速能力，設計非常靈活，支持定制邏輯。 | 學習曲線陡峭，開發難度較大，可能有限的資源且成本較高，需要深入的硬件知識，以及較為復雜的開發過程。 | 適用于需要高度可編程和并行處理的應用。 |
| SBC | 擁有完整的計算和通信能力，簡單易用，易于開發，具有廣泛的應用領域，易于集成，采用單板構建，減少連接的復雜性。 | 適用于復雜應用，成本可能較高，在非嵌入式系統需求時，效能可能有限，可能具有較大尺寸，功耗較高，以及具有較低的計算性能。 | 適用于需要集成計算和通信能力的應用，但不需要進行復雜的硬件設計。 |

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]網頁參考更詳細的信息，若有更多需求，也可與DigiKey聯系以獲得更多詳細的信息。

審核編輯 黃宇