想要搭建一套嵌入式系統(tǒng)，首先得確認(rèn)想要采用的指令集架構(gòu)（Instruction Set Architectures, ISA），各家的指令集架構(gòu)各有其優(yōu)缺點與擁護(hù)者，本文將為您大致介紹嵌入式系統(tǒng)的概念與范圍，以及指令集架構(gòu)選擇時需要考慮的方面。

為了滿足客戶在應(yīng)用上的不同需求，DigiKey的應(yīng)用與技術(shù)網(wǎng)頁提供了各式各樣的應(yīng)用相關(guān)資源，以便協(xié)助工程師更快的進(jìn)行設(shè)計。從應(yīng)用面來看，DigiKey針對汽車、自動化與控制、物聯(lián)網(wǎng)解決方案、能量收集等場景提供了多種不同的解決支持方案。

更進(jìn)一步，該網(wǎng)頁還列出了不同嵌入式系統(tǒng)與微控制器技術(shù)涵蓋的各種指令集架構(gòu)、評估板、開發(fā)板、模塊上系統(tǒng)、擴充板、實時操作系統(tǒng)、嵌入外設(shè)組件、微處理器、數(shù)字信號處理器、單板機、微控制器、現(xiàn)場可編程門陣列等細(xì)分模塊，以供研發(fā)人員和電子愛好者根據(jù)自己需要進(jìn)行進(jìn)一步查閱。

以下我們將陸續(xù)為您介紹嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)頁內(nèi)相關(guān)的各種應(yīng)用與技術(shù)，如評估板與實時操作系統(tǒng)（RTOS）、微處理器（MPU）與各種控制器（DSP、SBC、MCU、FPGA），以及各類外設(shè)（內(nèi)存、時鐘、通信、I/O、電源）等。讓我們先來看看嵌入式系統(tǒng)與微控制器的相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)和指令集架構(gòu)的選擇

嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是一種特定用途的計算機系統(tǒng)，通常被嵌入到其他設(shè)備或系統(tǒng)中，以執(zhí)行特定的任務(wù)或功能。這些系統(tǒng)通常是專為為特定應(yīng)用或產(chǎn)品而設(shè)計的，并且由相對較小、專門的硬件和軟件所組成。想要搭建一套嵌入式系統(tǒng)，首先得確認(rèn)想要采用的指令集架構(gòu)（Instruction Set Architectures, ISA），各家的指令集架構(gòu)都各有其優(yōu)缺點與擁護(hù)者，下面將為您大致介紹嵌入式系統(tǒng)的概念與范圍以及指令集架構(gòu)選擇時需要考慮的方面。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，通常被設(shè)計用來執(zhí)行各種特定的功能或任務(wù)，從日常生活中的家電產(chǎn)品到汽車電子系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動化等各個領(lǐng)域都有存在，它們在提高產(chǎn)品智能化、效能和功能性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此外，許多嵌入式系統(tǒng)需要對命令進(jìn)行實時處理和響應(yīng)，這意味著它們必須在特定的時間限制內(nèi)完成任務(wù)，這在需要實時控制和反饋的應(yīng)用中尤其重要。 另一方面，由于嵌入式系統(tǒng)通常配置在資源有限的設(shè)計中，因此它們的硬件資源（如處理器、內(nèi)存）和功率都有相應(yīng)的限制。

因此，軟件必須被精心設(shè)計以充分匹配這些有限資源，加上嵌入式系統(tǒng)的硬件配置通常是固定的，并且無法或難以進(jìn)行硬件升級，這使得軟件的效能優(yōu)化至關(guān)重要。 當(dāng)前多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都需要與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行通信，以執(zhí)行協(xié)同任務(wù)或傳送數(shù)據(jù)，這使其必須支持多種通信協(xié)議，可能包括有線或無線通信，例如藍(lán)牙、Wi-Fi、CAN（Controller Area Network）等。 嵌入式系統(tǒng)也必須搭配嵌入式軟件，才能執(zhí)行其特定功能，嵌入式系統(tǒng)的軟件通常是專門為其硬件平臺設(shè)計的，這可能包括實時操作系統(tǒng)（RTOS）或特定應(yīng)用的軟件棧。

選擇指令集架構(gòu)是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的第一步

嵌入式系統(tǒng)通常是接收、解釋和發(fā)送信號的電子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)部分，其功能來自于硬件和軟件的結(jié)合，對于剛接觸嵌入式系統(tǒng)的人來說，C語言編程可以作為軟件開發(fā)的理想起點。想要進(jìn)行軟件開發(fā)，就必須從選擇整體結(jié)構(gòu)（如指令集架構(gòu)）開始，到一些較大的主控類別（如微控制器）結(jié)束。

指令集架構(gòu)（ISA）也稱指令集或者指令集體系，是計算機體系結(jié)構(gòu)中與程序設(shè)計有關(guān)的部分，包含基本數(shù)據(jù)類型，指令集，寄存器，尋址模式，存儲體系，中斷，異常處理以及外部IO。通常ISA不會交叉兼容，因此為一種ISA設(shè)計的系統(tǒng)一般無法在另一種ISA上運行。例如，x86系統(tǒng)和軟件無法在采用ARM的芯片上運行，因為兩者處理程序代碼指令和數(shù)據(jù)集的方式不同。

當(dāng)然，市面上有幾種不同的解決方法可以解決兼容性問題，包括仿真不同ISA操作條件的軟件，或者將不同ISA組合到單一軟件工具包中。例如ARM創(chuàng)建了一種名為ARM big.LITTLE的混合架構(gòu)，這是一種異質(zhì)多處理架構(gòu)，通過將高功率和低功率處理內(nèi)核組合到一個系統(tǒng)中，可以對高功率進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)先排序，并與低功率和低優(yōu)先級請求分開處理，以實現(xiàn)更大的系統(tǒng)靈活性和更精確的電源管理。

指令集架構(gòu)主要可以分成精簡指令集（RISC）和復(fù)雜指令集（CISC）架構(gòu)兩種。RISC的概念可以追溯到20世紀(jì)80年代，旨在使用簡單的指令集在計算過程中執(zhí)行單步驟操作，主要的想法是通過減少用于加載、評估和存儲數(shù)據(jù)的簡單指令的數(shù)量來使硬件更簡單。一般來說，可以視為每個程序代碼指令只為計算機系統(tǒng)執(zhí)行一個動作，更簡單的操作可以實現(xiàn)更快的完成速度并降低功耗，這使得它們在便攜式裝置或其他以電源效率為驅(qū)動因素的應(yīng)用中受到歡迎。

相較之下，CISC則允許在計算過程的每個步驟中發(fā)生多個指令和程序代碼操作，通常包括加載和存儲步驟的復(fù)雜指令。一般來說，CISC可以被認(rèn)為是除了RISC之外的所有指令集架構(gòu)，因為這個術(shù)語是為了響應(yīng)采用RISC的芯片和系統(tǒng)的發(fā)展而開發(fā)的。雖然CISC沒有官方的定義，但它們通常可以被認(rèn)為具有更復(fù)雜的設(shè)計系統(tǒng)，因此通常需要更多的功率來運行。

RISC與CISC這兩種架構(gòu)其目的其實都是想要使CPU的執(zhí)行速度更快：RISC是通過減少每個指令的周期，以減少每個應(yīng)用程序的指令總數(shù)為代價，從而達(dá)到更快的CPU執(zhí)行速度；而CISC則是通過最小化每個程序的指令數(shù)，以更復(fù)雜的硬件為代價，達(dá)到相同的目的。

選擇指令集架構(gòu)時，有多種因素需要考慮，這些因素通常會涉及到硬件、軟件和系統(tǒng)集成等方面，包括應(yīng)用所需的性能、功耗、成本、軟件生態(tài)系統(tǒng)、兼容性、擴展性、安全性等。總體來說，選擇指令集架構(gòu)是一個復(fù)雜的決策過程，需要綜合考慮多個因素，并根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求做出適當(dāng)?shù)倪x擇。

各種指令集架構(gòu)滿足不同應(yīng)用需求

目前主流的指令集架構(gòu)有許多種類，每種都有其各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域，常見的一些主要指令集架構(gòu)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(jìn)行介紹。

RISC-V

RISC-V是一種基于RISC架構(gòu)的開放標(biāo)準(zhǔn)ISA，與其他芯片設(shè)計不同，RISC-V完全開源并具有開放架構(gòu)，具有可擴展性和自由授權(quán)的特點，這意味著任何人、在任何地方都可以制造RISC-V芯片，且無需支付任何授權(quán)費用，這使RISC-V吸引了廣泛的關(guān)注，成為了開源社群中的熱門選擇。然而，雖然RISC-V的內(nèi)核是開源，但可能還有其他一些不被視為公共區(qū)間的附加組件和外圍擴展。RISC-V在嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和一些新興市場中取得了一些成績，并在某些特定領(lǐng)域中快速崛起。目前市面上已經(jīng)有一些RISC-V開發(fā)板問世，包括SparkfunRED-V與Digilent RVfpga，可以大幅加快采用RISC-V指令集來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)度。

Digilent的RVfpga開發(fā)板 更多產(chǎn)品型號:

x86

CISC處理器最古老的指令集架構(gòu)系列之一，其中的x86處理器系列始于1970年代末，作為Intel 8位微處理器的擴展，經(jīng)過不斷調(diào)整和改進(jìn)，成為當(dāng)今最常見的計算機處理器類型之一。x86擁有豐富的指令集和通用緩存，它最初是為桌面計算機和服務(wù)器應(yīng)用而設(shè)計的，x86芯片通常用于筆記本計算機、桌面計算機、服務(wù)器、工作站和超級計算機，以及部分嵌入式系統(tǒng)，專為最佳效能而設(shè)計。目前用于開發(fā)x86架構(gòu)的開發(fā)板包括LattePandax86板與Udoox86板等。

更多產(chǎn)品型號:

ARM

ARM最初稱為“Advanced RISC Machines”（高級 RISC 機器），但現(xiàn)在則簡稱為“ARM”，是由Arm LTD開發(fā)和授權(quán)的RISC處理器系列。ARM采用的是一種RISC架構(gòu)，注重簡潔和節(jié)能。由于ARM的功耗較低且發(fā)熱量低，因此ARM芯片被廣泛采用于移動設(shè)備和便攜式設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和有低功耗需求的應(yīng)用中，例如智能手機、平板、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)裝置，以及某些筆記本計算機和其他低功耗設(shè)備。常見的ARM開發(fā)板包括STMicroelectronicsNUCLEO與STMicroelectronicsIOT等。

更多產(chǎn)品型號:

RISC-V是當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ闹噶罴軜?gòu)

CPU設(shè)計開發(fā)是一個漫長且成本高昂的過程，由于ARM等供應(yīng)商會對使用其設(shè)計的開發(fā)者收取專利費，以支付開發(fā)成本，因此開放、免授權(quán)費的RISC-V架構(gòu)成為當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ闹噶罴軜?gòu)。

RISC-V與其他指令集架構(gòu)（ISA）的區(qū)別在于該標(biāo)準(zhǔn)是開源的，并且免費供個人、學(xué)術(shù)和商業(yè)用途。此外，它還定義了CPU中處理最重要功能的基礎(chǔ)內(nèi)核，它本身就是可以實現(xiàn)簡化功能的通用型計算機。這個基礎(chǔ)內(nèi)核可以通過使用延伸指令來擴充，這些延伸指令被指定為與基礎(chǔ)內(nèi)核一起工作，并且彼此之間不會發(fā)生沖突。例如，您可以實現(xiàn)具有64位基本整數(shù)指令集的CPU，并包含一個支持單精度浮點指令的延伸，以及另一個用于整數(shù)乘法和除法的延伸。

目前已經(jīng)有一些制造商實現(xiàn)了RISC-V ISA，您也可以從使用此類CPU的各種開發(fā)板中進(jìn)行選擇。其中之一是LoFive R1，它是RISC-V生態(tài)系統(tǒng)簡易且經(jīng)濟的開始，它具有您期望從開發(fā)板（如Arduino）獲得的所有功能，而且價格低廉。

SparkFunRED-V則是另一款低成本入門級開發(fā)板，其外形與成熟的Arduino Uno R3相同，這使得它成為想要在現(xiàn)有設(shè)計中替換Arduino的最佳選擇。SeeedStudio GAPUino則是另一款與流行的ArduinoUno R3引腳完全兼容的開發(fā)板。然而，與前兩個評估板相比，它的價格則不太實惠。

結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)與微控制器是當(dāng)前最熱門的話題，選擇ISA則是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的第一步，DigiKey提供了多種ISA開發(fā)板供客戶選擇，并提供相對應(yīng)的支持，設(shè)計師也可以到應(yīng)用與技術(shù)網(wǎng)頁參考更詳細(xì)的應(yīng)用與技術(shù)介紹，以加快系統(tǒng)的開發(fā)速度，若有更多需求，也可與DigiKey聯(lián)系以獲得更多詳細(xì)信息。

審核編輯：劉清