雖然 Arduino 基板設(shè)計(jì)的早期迭代只利用 Atmel 8、16 和 32 位 AVR 微控制器，但最近卻出現(xiàn)了許多包括非 Atmel MCU 和 MPU 在內(nèi)的基板。 在適當(dāng)考慮一些重要設(shè)計(jì)取舍后，這不僅可向設(shè)計(jì)師賦予更大的處理器與 I/O 靈活性，還可提供更多選擇，讓 Arduino 板運(yùn)用于從開發(fā)到生產(chǎn)的所有階段。

當(dāng)然，眾多這類新 Arduino 基板還在普通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和開源硬件方法中提供更高的系統(tǒng)處理器靈活性。 Arduino 憑借這些屬性而成為處理器評(píng)估和選購的一個(gè)很有吸引力的選擇，在此階段之后，可能才適合過渡至使用處理器供應(yīng)商的開發(fā)板（以及相關(guān)聯(lián)的軟件和其他資源）。 但在某些情形下，Arduino 板可能不僅適用于開發(fā)，結(jié)合“盾形”擴(kuò)展板所帶來的靈活的增強(qiáng)功能后，還適合直接用于直至生產(chǎn)的所有階段。

本文將展示多個(gè)典型的 Arduino 基板以及盾板產(chǎn)品，討論其處理器基礎(chǔ)及外設(shè)分配等。 最后還會(huì)提供一些總結(jié)性建議，以輕松、有效地評(píng)估您下一次設(shè)計(jì)可采用的替代處理器。

定義 Arduino

“評(píng)估板”和“開發(fā)板”術(shù)語通常可互換使用，但這樣做是錯(cuò)誤的。 顧名思義，開發(fā)板旨在協(xié)助進(jìn)行軟件編碼（在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上運(yùn)行），以及提供板上硬件和其他必要系統(tǒng)電路之間的連接。 因此，開發(fā)板提供大量測試點(diǎn)和接口選擇，以及強(qiáng)大的捆綁軟件工具集。

但是開發(fā)板的全面性（及相應(yīng)的高價(jià)位）固有隱含假設(shè)是：您已通過架構(gòu)和產(chǎn)品擴(kuò)散評(píng)估階段，并選擇了特定的硬件產(chǎn)品組合。 這就是說，某些開發(fā)板的板載電路可能超出了（或至少不同于）您打算納入最終設(shè)計(jì)中的電路。 此外，開發(fā)板的靈活性還決定它需要比您設(shè)計(jì)需要的尺寸更大。 更通俗的來說，開發(fā)板軟硬件配置的全面性，結(jié)合其低出貨量，意味著即使用于小批量、高利潤率的系統(tǒng)生產(chǎn)方案，它們的價(jià)格也可能是令人難以接受的。

過去十年來，Arduino 基板和擴(kuò)展板規(guī)范實(shí)際上已迅速成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，理由很充分。 它們利用更基本的“基”板，而非試圖提供多位一體的統(tǒng)一板設(shè)計(jì)。 Arduino 靈活的增強(qiáng)功能由擴(kuò)展板（亦稱“盾板”）提供，能夠通過標(biāo)準(zhǔn)化接口連接至基板。 盾板可以疊接，甚至可以通過自助盾板設(shè)計(jì)來補(bǔ)充。 由于眾多供應(yīng)商提供包含許多電路的盾板，因此您不但可以輕松評(píng)估不同的功能，而且還可評(píng)估實(shí)現(xiàn)這些功能的不同硬件選擇。

類似地，在 Arduino 基板設(shè)計(jì)的初始迭代只利用 Atmel AVR 微控制器的情況下，最近也出現(xiàn)了包含非 Atmel MCU 和 MPU 在內(nèi)的其他基板備選對(duì)象，可提供更高的系統(tǒng)處理器評(píng)估靈活性。 此外，Arduino 的緊湊外形尺寸結(jié)合其高容量特色，成就了較高的性價(jià)比，使其不僅對(duì)評(píng)估和后續(xù)開發(fā)階段有吸引力，還適用于許多適度量產(chǎn)的情形。

Adafruit Industries Digi-Key Metro 板

我們首先來了解相對(duì)傳統(tǒng)的基板設(shè)計(jì)—Adafruit IndustriesDigi-Key Metro 板。 Arduino UNO R3 參考設(shè)計(jì)的這個(gè)派生器件，由 Digi-Key 做了兩項(xiàng)外觀美化（從硬件的角度看，這兩塊板是相同的），在“帶針座的 Metro 328”板的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步定制。

• 它采用紅色，相應(yīng)主流 Adafruit 產(chǎn)品為黑色，以及

• 板下側(cè)印有完整零件清單（圖 1）

圖 1a

圖 1b

圖 1c

圖 1：Adafruit Digi-Key Metro 板 (a) 是制造商主流的帶針座 Metro 328 板 (b) 的變型，定制使用紅色裝飾涂層，并在其下側(cè) (c) 印有完整的零件清單。

AtmelATmega328P 微控制器基于 Digi-Key Metro 板，是一個(gè)采用 8 位 20 MHz AVR RISC 的處理器，具有額外的 32 KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、1,024 B 的 EEPROM 以及 2 KB 的 SRAM。 ATmega328P 還隨附多種片載外設(shè)；連接選件包括 23 個(gè) GPIO、16 個(gè)觸摸接口通道、24 個(gè)外部中斷、一個(gè)字節(jié)導(dǎo)向的雙線串行接口以及一個(gè) SPI 串行端口。

Seeed Technology Intel Edison for Arduino 套件

另一個(gè)極端是Seeed Technology的 Intel Edison for Arduino 套件，它是用于基礎(chǔ)Intel Edison 開發(fā)平臺(tái)（圖 2）的多個(gè)可用硬件擴(kuò)展選擇之一。 此基板尺寸為 127 mm x 72 mm，比前述 71 mm x 53 mm Arduino UNO 外形尺寸大不少，但 Arduino“盾形”擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)化則通過四個(gè)板載連接器來實(shí)現(xiàn)。 Arduino 套件還包括一個(gè) SD 卡連接器，以及兩個(gè)小型和標(biāo)準(zhǔn)型 USB 主機(jī)連接器。

圖 2a

圖 2b

圖 2c

圖 2：Seeed Technology 的 Arduino 套件將“盾形”擴(kuò)展板生態(tài)系統(tǒng)支持帶至原本專有的 Intel Edison 開發(fā)平臺(tái)板設(shè)計(jì) (a)。 如果您只需要“分線”連接并且偏好較小的板外形尺寸，則可考慮該公司的替代 Intel Edison 分線套件 (b)。 此外，SparkFun Electronics 的開放式電源入門套件提供一種中間方法；尺寸介于兩個(gè)其他板之間，通過專有的（雖然開源）“塊”疊接方案 (c) 擴(kuò)展。

Intel 的 Edison 在 IoT 和其它嵌入式電子市場上出現(xiàn)得相對(duì)較晚，是一個(gè)采用 22 nm 工藝制造的 SoC，其內(nèi)核采用該公司的 32 位 Quark 微控制器（在此特定情況下運(yùn)行頻率為 100 MHz）。 同一芯片上還有一個(gè)雙核、雙線程 500 MHz "Silvermont" Intel Atom 處理器陣列。 Intel Edison 開發(fā)平臺(tái)模塊上還包括 1 GB 的 LPDDR3 SDRAM、4 GB 的基于 EMMC 的閃存、一個(gè) USB 2.0 PHY 和雙頻 Wi-Fi 以及藍(lán)牙無線收發(fā)器。

為了在后續(xù)外形尺寸顯著減小的情況下獲得 Intel Edison 評(píng)估開發(fā)所需的較適度功能，Seeed 還提供分線套件。 此外，作為中間的替代硬件方法，Intel Edison 倡導(dǎo)者還應(yīng)考慮 SparkFun Electronics 的基板和擴(kuò)展塊系列，其中幾個(gè)基板和擴(kuò)展塊捆綁在該公司的開放式電源入門套件中。 SparkFun 的基于 Intel Edison 的產(chǎn)品線從供應(yīng)商的角度出發(fā)目前為專有采購（雖然從板設(shè)計(jì)文檔的角度出發(fā)為開源），將在即將推出的文章中會(huì)更詳細(xì)地討論。

UDOO Neo 開發(fā)板

如果 Arduino 的標(biāo)準(zhǔn)化富有吸引力，但 NXP 的 i.MX 6 處理器更符合您的喜好，您可能需要考慮 UDOO 的 Neo 開發(fā)板產(chǎn)品線（圖 3和表 1）。 Neo 提供三種型號(hào)，它們?nèi)炕?i.MX6 SoloX SoC 并且外形尺寸皆為 89 mm x 59 mm，介于之前討論的兩個(gè)選件的尺寸之間（但同樣采用引腳分配和布局標(biāo)準(zhǔn)的板載 Arduino“盾板”連接器組）。

圖 3a

圖 3b

圖 3c

圖 3：UDOO 的 Neo 產(chǎn)品線提供三種版本：基本版 (a)、擴(kuò)展版 (b) 和完整版 (c)，帶有混用無線和有線網(wǎng)絡(luò)連接選件，以及各種系統(tǒng)存儲(chǔ)器分配和可選的運(yùn)動(dòng)傳感器。

表 1：UDOO Neo 系統(tǒng)板型號(hào)及選件。

所有三個(gè)型號(hào)均具有以下特性：

• 視頻輸入：模擬（NTSC 和 PAL）以及 8 位并行數(shù)字

• 視頻輸出：Micro HDMI 以及 LVDS + 觸摸 (I2C)

• 存儲(chǔ)：8 位 microSD 卡（帶 SDIO 支持）

• 音頻：HDMI（輸出）、S/PDIF、I2S

• USB：一個(gè) USB 2.0 A 型，一個(gè) microUSB（帶 OTG 支持）

UDOO Neo 產(chǎn)品線所基于的NXPi.MX 6SoloX 應(yīng)用處理器由一個(gè) ARM? Cortex?-A9 處理器內(nèi)核（運(yùn)行速度高達(dá) 1 GHz）及 ARM Cortex-M4 內(nèi)核（高達(dá) 200 MHz）組成。 同時(shí)集成了一個(gè) Vivante GC400T 2D/3D 圖形加速器。

Analog Devices ADUCM360 基板

如果 ARM 的 Cortex-M 系列內(nèi)核是您唯一關(guān)注的處理器，您應(yīng)了解下Analog DevicesADUCM360 基板，制造商稱該基板的外形尺寸與 101.6 mm x 53.3 mm Arduino Due 參考板設(shè)計(jì)兼容（圖 4）。 此板所基于的ADuCM360 應(yīng)用處理器是一個(gè)速率達(dá) 3900 次采樣/秒的 24 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包含兩個(gè) 24 位多通道三角積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、一個(gè)提供高達(dá) 20 MIPS 峰值性能的 32 位 ARM Cortex-M3 處理器內(nèi)核，以及 128 KB 的基于 EEPROM 的閃存和 8 KB 的 SRAM。

圖 4a

圖 4b

圖 4c

圖 4d

圖 4：Analog Devices 的 ADUCM360 基板 (a) 采用兼容 Arduino Due 的外形尺寸 (b)。 提供的 Analog Devices 牌“盾形”擴(kuò)展板支持加速計(jì)和電子秤 (c) 以及毒氣檢測 (d) 功能。 （圖片由 Analog Devices 提供）

ADUCM360 基板還支持 PMOD 擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，這解釋了圖 4 中所示的附加連接器組。 Analog Devices 推出了幾款 Arduino Uno R3 格式的盾形擴(kuò)展板供選擇，有力補(bǔ)充了更廣泛的 Arduino 生態(tài)系統(tǒng)提供的擴(kuò)展板：

• EVAL-ADXL362-ARDZ，基于 ADXL362 3 軸 MEMS 加速計(jì)。

• EVAL-CN0216-ARDZ，一種電子秤信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

• EVAL-CN0357-ARDZ，一種使用電化學(xué)傳感器的有毒氣體檢測器。

處理器評(píng)估與設(shè)計(jì)考慮因素

本文討論的 Arduino 板代表了一組廣泛的處理器架構(gòu)及關(guān)聯(lián)能力。 例如，Atmel ATmega328P 是一種相對(duì)比較簡單的 8 位 RISC CPU 應(yīng)用，而 64 位雙核 Intel Atom 處理器不僅以較高時(shí)鐘速度運(yùn)行，而且采用多線程并在其他方面更先進(jìn)。 16 和 32 位 ARM Cortex-M3/M4 和 Cortex-A9 以及 Intel Quark 處理器是早期兩個(gè)極端型號(hào)之間的中間選擇。

一方面，如我最近發(fā)布的另一篇文章中所寫，緊湊、強(qiáng)大、高效且具成本優(yōu)勢的基于 ARM 的板卡才是有吸引力的硬件選擇，您不會(huì)想要選擇對(duì)您的特定需求而言過慢的 CPU，尤其是當(dāng)你希望為今后不可避免的軟件升級(jí)保留一些性能“空間”時(shí)。 另一方面，沒有必要為超出你需求的處理器功率買單；記住你的選擇不僅是價(jià)格，還有功耗影響。 若您的軟件大部分時(shí)間都處于等待輸入的空閑循環(huán)中，更高的時(shí)鐘速度可能意義不大。 此外，僅當(dāng)您的軟件具有較低的指令間相關(guān)性時(shí)，像超標(biāo)和故障支持等架構(gòu)特性才能達(dá)到明顯更高的、可實(shí)現(xiàn)的 IPC（指令/時(shí)鐘）。

類似地，相比更簡單的單核 CPU，缺乏線程獨(dú)立性將導(dǎo)致多核 CPU 的吞吐量優(yōu)勢只能部分發(fā)揮，而較高位指令集理論優(yōu)勢在特定應(yīng)用中可能無法發(fā)揮作用（更何況其更大存儲(chǔ)器封裝需求）。

認(rèn)真確定您的特殊需求，因?yàn)檫@將幫助您專注于本文介紹的全部產(chǎn)品中的首選處理器選擇。 理想情況下，您的終端系統(tǒng)軟件應(yīng)該已經(jīng)可以使用，這樣您便可在多種備選對(duì)象上運(yùn)行該軟件，并評(píng)估這些備選對(duì)象的相對(duì)優(yōu)勢和不足。 但實(shí)際上，很可能在硬件開發(fā)工作的同時(shí)已經(jīng)編寫代碼的重要部分（如果不是全部）。 因此，您需要使用軟件來評(píng)估替代處理器，逼近您將要使用的函數(shù)和例程（特別是最嚴(yán)苛的函數(shù)和例程）。

為了對(duì)您有所幫助，我們提供了多種基準(zhǔn)軟件選擇。 出于對(duì)魯棒性和開源特性的五月份認(rèn)真考慮，一種可能的選擇是相應(yīng)稱作“基準(zhǔn)”的、由 Google 在 GitHub 上提供的微基準(zhǔn)支持庫。 此庫包含許多特定示例，因此必須運(yùn)行代表終端節(jié)點(diǎn)中可能存在的多種特征的一系列測試，以全面評(píng)估每個(gè)替代處理器。

在基本使用中，您可以定義執(zhí)行待評(píng)估代碼的函數(shù)：

static void BM_StringCreation(benchmark::State& state) {

while (state.KeepRunning())

std::string empty_string;

}

// Register the function as a benchmark

BENCHMARK(BM_StringCreation);

// Define another benchmark

static void BM_StringCopy(benchmark::State& state) {

std::string x = "hello";

while (state.KeepRunning())

std::string copy(x);

}

BENCHMARK(BM_StringCopy);

BENCHMARK_MAIN();

還可以通過單一例程實(shí)現(xiàn)一系列基準(zhǔn)；使用一個(gè)額外參數(shù)來指定要運(yùn)行基準(zhǔn)系列中的哪一個(gè)。 例如，以下代碼定義了一系列用于評(píng)估不同長度 memcpy() 調(diào)用速度的基準(zhǔn)：

static void BM_memcpy(benchmark::State& state) {

char* src = new char[state.range_x()];

char* dst = new char[state.range_x()];

memset(src, 'x', state.range_x());

while (state.KeepRunning())

memcpy(dst, src, state.range_x());

state.SetBytesProcessed(int64_t(state.iterations()) *

int64_t(state.range_x()));

delete[] src;

delete[] dst;

}

BENCHMARK(BM_memcpy)->Arg(8)->Arg(64)->Arg(512)->Arg(1<<10)->Arg(8<<10);

也可以更簡潔地編碼，例如像這樣：

BENCHMARK(BM_memcpy)->Range(8, 8<<10);