概觀
當開發嵌入式裝置時，主要設計關鍵之一，即為決定要建置哪種技術為系統的主要控制器。除了考慮處理器架構、作業系統功能，與其他元件之外，亦必須決定要設計或購買現成的部份系統。在設計並建立客制控制器後，可完整客制化最後的解決方案並決定成本；但是任何的設計規格變更或疏失，均可能造成冗長又昂貴的延遲成本。另一方面，使用現成平台將增加銷貨成本(COGS)，並可能為不需要的功能付出額外價格。然而，現成系統一般均具有較短的使用週期，也因此也較能縮短產品上市時間。此白皮書將指出開發新控制器的2 個選擇- 建立或購買- 並討論其技術與金融方面的風險。
客制嵌入式設計- 「建立」方式
在開發之前，就必須選擇處理器技術，主要的系統控制器即如下方所列的5 項。
1.微控制器- 微控制器特別著重於成本方面，並往往具有單一晶片的整合解決方案，包含I/O週邊。其所具有的內建晶片記憶體(on-chip memory)不多，將有限的空間留以擴充之用。此外，時脈通常僅有數百kHz，因此在一般情況下無法作為高效能的控制迴圈。
2.微處理器- 微處理器通常具有較高的時脈與外接記憶體介面，因此效能與可擴充性較無問題。但由於往往沒有內建晶片的類比週邊，相關運用可能需要複雜的驅動程式開發。此外，如球閘陣列(BGA)的高密度封裝技術，可能需要更完整的製造過程。此更增加了硬體除錯的難度。
3.數位訊號處理器(DSP) - DSP為包含附加指令的特定微處理器，可最佳化特定數學函式，如乘法與累計。DSP特別適用於極高運算量的應用，但使用者往往需要特定知識才能夠利用此軟體功能。
4.特殊應用積體電路(ASIC) - ASIC晶片是針對特殊應用所設計，不同於一般的程式設計功能。一般均認知ASIC為技術性考量的較高技術，如功率耗用與貨物成本。然而，除了最高數量的產品之外，特別昂貴的ASIC開發與製造程序，將決定所有的生產要件。
5.現場可程式化閘陣列(FPGA) - 在客制ASIC與現成技術之間，FPGA佔據有趣的中央地帶。FPGA可針對需要高度特製化，但亦具有為可重設性；因此不需要如ASIC開發的高建構成本。雖然FPGA可用於多種處理應用，但由於大部分的嵌入式軟體工程師較習慣C的序列程式設計，仍不熟悉VHDL程式設計範式(programming paradigm)，因此複雜的FPGA設計並不普遍。
在許多案例中，單處理器技術網網無法符合應用的需要。因此，混合架構在近年來漸趨普及。圖1即為一種混合架構。即時處理器管理網路通訊與1組使用者介面，而FPGA管理介接至I/O的元件與高速的控制工作。此混合架構於嵌入式系統設計中漸行普遍。
圖1. 在嵌入式系統設計中日趨普遍的混合式架構中，即時處理器管理網路通訊與使用者介面，而FPGA 管理介接至I/O 的元件與高速的控制工作
在決定了處理器技術之後，則必須開發I/O電路。若嵌入式系統中的訊號屬類比性質，則需要類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)，與對應的軟體驅動程式。亦有許多書本提及類比電路設計的複雜度。因此，即便已有許多概念相關於I/O元件的選擇，本文亦將針對系統的嵌入式控制器進行相關說明。
現有嵌入式系統- 「購買」方式
若要購買現有平台的替代方式之一，即為開發控制器。雖然可能為機板元件付出大量成本，卻能夠縮短更多的上市時間。此外，這些系統具有較多、較方便的擴充方式；因此在第一次原型製作後，所產生不可避免的無用功能亦將不會讓人過於不耐。談到處理器技術，亦有多種適用於嵌入式系統的佈署技術。
1.非封裝嵌入式系統- 具有多種尺寸外型(Mini-ITX、PC/104等)。非封裝嵌入式系統，為最耗費成本的解決方案，適用於現成佈署。這些系統亦具有多種處理器架構可供選擇，並有作業系統與I/O支援的小型套件。然而，此種系統的軟體開發工具最不具有整合性。這些系統往往需要使用者具有如EMI與CE協定的認證標準。
2.封裝嵌入式系統- 除了具有與非封裝嵌入式系統的相同元件，封裝嵌入式系統具有振動、作業溫度，與環境認證的相關規格。這些系統往往較為昂貴，但是一般均搭配整合的軟體開發工具，與更具擴充性的整合I/O選項套件。
3.工業級電腦- 透過成熟穩定的電腦技術，工業級電腦具有開發工具與I/O 功能最完整的選擇。並提供與其他封裝嵌入式系統的相同規格與認證優點，但其功能亦需要較高的成本。此系統所需的成本將大幅高於之前2種選擇。
NI CompactRIO封裝嵌入式系統架構， 極相似於圖1中的簡易程式圖；使用Freescale PowerPC微處理器搭配VxWorks即時作業系統。PowerPC可透過內建的PCI匯流排，介接至Xilinx FPGA。此外，FPGA直接固定至接頭，適用於多種類比與數位I/O模組，可連接至感測器、致動器，與通訊匯流排。若需要高度客制化的I/O，則可設計自己的客制模組。
決策- 嵌入式設計的「隱藏」成本
再者，當決定建立或購買時，技術能力(technical capability)並非影響決定的因素。進一步來說，技術能力通常將流於簡單的金融分析。若產品開發過程中產生的設計成本，在回收時可歸納為最後收益，則先前所進行的決策屬於正確的決策。
若要進行明智的決策，必須精確地預估建立客制解決方案時的成本。此步驟表面看似簡單。如果僅將機板元件的成本加上硬體與軟體的開發時間，則將極其粗略地低估了總投資成本。在精確估計工作的實際成本時，亦必須考慮到其他「隱藏」成本。舉例來說，系統銷貨成本將再發生的製造與存貨成本，並為其總額的20% ~30%。此外，平均約有30% 的總軟體開發時間是用於作業系統、驅動程式，與中介軟體(middleware)開發- 但若選擇整合了硬體與軟體的封裝平台，則可忽略此Board bring-up」的需要。同樣的，使用者必須考慮其他隱藏成本，包含環境標準、使用期限、元件壽命，與變更設計和重新設計所發生的規格變化。最後，屬於最不實際但衝擊性最大的潛在成本，即為設計系統概念的時間機會成本；此項成本將大於其他可產生收益的專案。
一旦開始進行設計投資，即可計算簡單的收支平衡金融分析。請想像有2個工程師將花費9個月的時間，開發從規格到出貨的客制機板；約將花費$300,000的成本。接著針對事前設備、原型製作、預先發表單位、相關工具，與其他預料之外的設計費用，每樣均計算為$25,000；總投資換算為$400,000。在完成這些基本消耗之後，貨物的客制設計成本為$400；低於現成的平台。透過方程式1，則將投資平均分散至第1,000 個單位時仍無法獲利。必須賣出第1001個單位時才有利潤可言。再提醒一次，此方程式並未考慮到上述所提的「隱藏」成本。然而，如果選擇了封裝嵌入式系統，除了可以縮短上市時間，亦可從成本估算與功能提升中達到早期獲利的優勢。如此來看，應將騰資成本攤銷至產品生命，而並非將所有投資集中於最前期的開發。
結論
所以此份白皮書是強調不應開發客制機板嗎？當然不是。反之，當評估產品成功的關鍵技術時，亦請留存可達高產量的系統、特別尺寸外型的系統，或需要極高技術的系統(如超低的功率耗用)。在可使用現成技術的領域中，請讓自己的供應商處理物流與「隱藏」成本，自己則可以專注於不同的技術，讓產品更趨完美。
當開發嵌入式裝置時，主要設計關鍵之一，即為決定要建置哪種技術為系統的主要控制器。除了考慮處理器架構、作業系統功能，與其他元件之外，亦必須決定要設計或購買現成的部份系統。在設計並建立客制控制器後，可完整客制化最後的解決方案並決定成本；但是任何的設計規格變更或疏失，均可能造成冗長又昂貴的延遲成本。另一方面，使用現成平台將增加銷貨成本(COGS)，並可能為不需要的功能付出額外價格。然而，現成系統一般均具有較短的使用週期，也因此也較能縮短產品上市時間。此白皮書將指出開發新控制器的2 個選擇- 建立或購買- 並討論其技術與金融方面的風險。
客制嵌入式設計- 「建立」方式
在開發之前，就必須選擇處理器技術，主要的系統控制器即如下方所列的5 項。
1.微控制器- 微控制器特別著重於成本方面，並往往具有單一晶片的整合解決方案，包含I/O週邊。其所具有的內建晶片記憶體(on-chip memory)不多，將有限的空間留以擴充之用。此外，時脈通常僅有數百kHz，因此在一般情況下無法作為高效能的控制迴圈。
2.微處理器- 微處理器通常具有較高的時脈與外接記憶體介面，因此效能與可擴充性較無問題。但由於往往沒有內建晶片的類比週邊，相關運用可能需要複雜的驅動程式開發。此外，如球閘陣列(BGA)的高密度封裝技術，可能需要更完整的製造過程。此更增加了硬體除錯的難度。
3.數位訊號處理器(DSP) - DSP為包含附加指令的特定微處理器，可最佳化特定數學函式，如乘法與累計。DSP特別適用於極高運算量的應用，但使用者往往需要特定知識才能夠利用此軟體功能。
4.特殊應用積體電路(ASIC) - ASIC晶片是針對特殊應用所設計，不同於一般的程式設計功能。一般均認知ASIC為技術性考量的較高技術，如功率耗用與貨物成本。然而，除了最高數量的產品之外，特別昂貴的ASIC開發與製造程序，將決定所有的生產要件。
5.現場可程式化閘陣列(FPGA) - 在客制ASIC與現成技術之間，FPGA佔據有趣的中央地帶。FPGA可針對需要高度特製化，但亦具有為可重設性；因此不需要如ASIC開發的高建構成本。雖然FPGA可用於多種處理應用，但由於大部分的嵌入式軟體工程師較習慣C的序列程式設計，仍不熟悉VHDL程式設計範式(programming paradigm)，因此複雜的FPGA設計並不普遍。
在許多案例中，單處理器技術網網無法符合應用的需要。因此，混合架構在近年來漸趨普及。圖1即為一種混合架構。即時處理器管理網路通訊與1組使用者介面，而FPGA管理介接至I/O的元件與高速的控制工作。此混合架構於嵌入式系統設計中漸行普遍。
圖1. 在嵌入式系統設計中日趨普遍的混合式架構中，即時處理器管理網路通訊與使用者介面，而FPGA 管理介接至I/O 的元件與高速的控制工作
在決定了處理器技術之後，則必須開發I/O電路。若嵌入式系統中的訊號屬類比性質，則需要類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)，與對應的軟體驅動程式。亦有許多書本提及類比電路設計的複雜度。因此，即便已有許多概念相關於I/O元件的選擇，本文亦將針對系統的嵌入式控制器進行相關說明。
現有嵌入式系統- 「購買」方式
若要購買現有平台的替代方式之一，即為開發控制器。雖然可能為機板元件付出大量成本，卻能夠縮短更多的上市時間。此外，這些系統具有較多、較方便的擴充方式；因此在第一次原型製作後，所產生不可避免的無用功能亦將不會讓人過於不耐。談到處理器技術，亦有多種適用於嵌入式系統的佈署技術。
1.非封裝嵌入式系統- 具有多種尺寸外型(Mini-ITX、PC/104等)。非封裝嵌入式系統，為最耗費成本的解決方案，適用於現成佈署。這些系統亦具有多種處理器架構可供選擇，並有作業系統與I/O支援的小型套件。然而，此種系統的軟體開發工具最不具有整合性。這些系統往往需要使用者具有如EMI與CE協定的認證標準。
2.封裝嵌入式系統- 除了具有與非封裝嵌入式系統的相同元件，封裝嵌入式系統具有振動、作業溫度，與環境認證的相關規格。這些系統往往較為昂貴，但是一般均搭配整合的軟體開發工具，與更具擴充性的整合I/O選項套件。
3.工業級電腦- 透過成熟穩定的電腦技術，工業級電腦具有開發工具與I/O 功能最完整的選擇。並提供與其他封裝嵌入式系統的相同規格與認證優點，但其功能亦需要較高的成本。此系統所需的成本將大幅高於之前2種選擇。
NI CompactRIO封裝嵌入式系統架構， 極相似於圖1中的簡易程式圖；使用Freescale PowerPC微處理器搭配VxWorks即時作業系統。PowerPC可透過內建的PCI匯流排，介接至Xilinx FPGA。此外，FPGA直接固定至接頭，適用於多種類比與數位I/O模組，可連接至感測器、致動器，與通訊匯流排。若需要高度客制化的I/O，則可設計自己的客制模組。
決策- 嵌入式設計的「隱藏」成本
再者，當決定建立或購買時，技術能力(technical capability)並非影響決定的因素。進一步來說，技術能力通常將流於簡單的金融分析。若產品開發過程中產生的設計成本，在回收時可歸納為最後收益，則先前所進行的決策屬於正確的決策。
若要進行明智的決策，必須精確地預估建立客制解決方案時的成本。此步驟表面看似簡單。如果僅將機板元件的成本加上硬體與軟體的開發時間，則將極其粗略地低估了總投資成本。在精確估計工作的實際成本時，亦必須考慮到其他「隱藏」成本。舉例來說，系統銷貨成本將再發生的製造與存貨成本，並為其總額的20% ~30%。此外，平均約有30% 的總軟體開發時間是用於作業系統、驅動程式，與中介軟體(middleware)開發- 但若選擇整合了硬體與軟體的封裝平台，則可忽略此Board bring-up」的需要。同樣的，使用者必須考慮其他隱藏成本，包含環境標準、使用期限、元件壽命，與變更設計和重新設計所發生的規格變化。最後，屬於最不實際但衝擊性最大的潛在成本，即為設計系統概念的時間機會成本；此項成本將大於其他可產生收益的專案。
一旦開始進行設計投資，即可計算簡單的收支平衡金融分析。請想像有2個工程師將花費9個月的時間，開發從規格到出貨的客制機板；約將花費$300,000的成本。接著針對事前設備、原型製作、預先發表單位、相關工具，與其他預料之外的設計費用，每樣均計算為$25,000；總投資換算為$400,000。在完成這些基本消耗之後，貨物的客制設計成本為$400；低於現成的平台。透過方程式1，則將投資平均分散至第1,000 個單位時仍無法獲利。必須賣出第1001個單位時才有利潤可言。再提醒一次，此方程式並未考慮到上述所提的「隱藏」成本。然而，如果選擇了封裝嵌入式系統，除了可以縮短上市時間，亦可從成本估算與功能提升中達到早期獲利的優勢。如此來看，應將騰資成本攤銷至產品生命，而並非將所有投資集中於最前期的開發。
結論
所以此份白皮書是強調不應開發客制機板嗎？當然不是。反之，當評估產品成功的關鍵技術時，亦請留存可達高產量的系統、特別尺寸外型的系統，或需要極高技術的系統(如超低的功率耗用)。在可使用現成技術的領域中，請讓自己的供應商處理物流與「隱藏」成本，自己則可以專注於不同的技術，讓產品更趨完美。
