Microcontrollers and field-programmable gate arrays have been largely leveraged in scientific instrumentation since decades. Recent advancements in the performance of these programmable digital devices, with hundreds of I/O pins, up to millions of logic cells, >10 Gb/s connectivity, and hundreds of MHz multiple clocks, have been accelerating this trend, extending the range of functions. The diversification of devices from very low-cost 8-bit microcontrollers up to 32-bit ARM-based ones and a system of chip combining programmable logic with processors make them ubiquitous in modern electronic systems, addressing diverse challenges from ultra-low power operation, with sub-µA quiescent current in sleep mode for portable and Internet of Things applications, to high-performance computing, such as in machine vision. In this Review, the main motivations (compactness, re-configurability, parallelization, low latency for sub-ns timing, and real-time control), the possible approaches of the adoption of embedded devices, and the achievable performances are discussed. Relevant examples of applications in opto-electronics, physics experiments, impedance, vibration, and temperature sensing from the recent literature are also reviewed. From this bird-eye view, key paradigms emerge, such as the blurring of boundaries between digital platforms and the pervasiveness of machine learning algorithms, significantly fostered by the possibility to be run in embedded devices for distributing intelligence in the environment.

1.
2.
H.
Marxen
,
A.
Kostiuk
,
R.
Korn
,
C.
de Schryver
,
S.
Wurm
,
I.
Shcherbakov
, and
N.
Wehn
, in
Proceedings of the Fourth Workshop on High Performance Computational Finance–WHPCF ’11
(
ACM Press
,
Seattle, Washington
,
2011
), p.
5
.
3.
F.
Pfeifle
and
R.
Bader
,
J. Audio Eng. Soc.
63
,
1001
(
2016
).
4.
B. G.
Schultz
and
F. T.
van Vugt
,
Behav. Res.
48
,
1591
(
2016
).
5.
6.
J.
Xu
,
Z.
Liu
,
J.
Jiang
, and
Y.
Dou
,
Cognit. Syst. Res.
50
,
196
(
2018
).
7.
R. E.
Savoie
,
J. S.
Brugler
, and
J. C.
Bliss
, in
Proceedings of the June 7-10, 1976, National Computer Conference and Exposition on AFIPS ’76
(
ACM Press
,
New York, NY
,
1976
), p.
221
.
8.
R.
Scherer
,
R.
Ray
, and
V.
Trush
, in
IEEE Conference on Systems Readiness Technology, “Advancing Mission Accomplishment”
(
IEEE
,
San Antonio, TX
,
1990
), pp.
45
47
.
9.
J. J.
Rodriguez-Andina
,
M. J.
Moure
, and
M. D.
Valdes
,
IEEE Trans. Ind. Electron.
54
,
1810
(
2007
).
10.
A.
Boutros
and
V.
Betz
,
IEEE Circuits Syst. Mag.
21
,
4
(
2021
).
11.
M.
Carminati
,
A.
Rottigni
,
D.
Alagna
,
G.
Ferrari
, and
M.
Sampietro
, in
2012 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings
(
IEEE
,
Graz, Austria
,
2012
), pp.
264
267
.
12.
A.
Tourigny-Plante
,
V.
Michaud-Belleau
,
N.
Bourbeau Hébert
,
H.
Bergeron
,
J.
Genest
, and
J.-D.
Deschênes
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
093103
(
2018
).
13.
M.
Carminati
,
G.
Ferrari
,
R.
Grassetti
, and
M.
Sampietro
,
IEEE Sens. J.
12
,
2984
(
2012
).
14.
L.
Opincariu
,
N.
Deak
,
O.
Creţ
,
M.
Echim
,
C.
Munteanu
, and
L.
Văcariu
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
114501
(
2019
).
15.
F.
Ortega-Zamorano
,
J. M.
Jerez
,
D.
Urda Munoz
,
R. M.
Luque-Baena
, and
L.
Franco
,
IEEE Trans. Neural Networks Learn. Syst.
27
,
1840
(
2016
).
16.
X.
Li
,
R.
Lu
,
Q.
Wang
,
J.
Wang
,
X.
Duan
,
Y.
Sun
,
X.
Li
, and
Y.
Zhou
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
124704
(
2020
).
17.
X.
Wang
,
H.
Hu
,
H.
Jia
, and
K.
Tang
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
055106
(
2018
).
18.
H.
Xiong
,
C.
Zheng
, and
J.
Liu
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
065108
(
2018
).
19.
S.
Shu
,
L.
Wang
,
D.
Liu
,
M.
Chen
,
Y.
Zhang
,
J.
Luo
, and
F.
Ji
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
10K120
(
2018
).
20.
N.
Fruitwala
,
P.
Strader
,
G.
Cancelo
,
T.
Zmuda
,
K.
Treptow
,
N.
Wilcer
,
C.
Stoughton
,
A. B.
Walter
,
N.
Zobrist
,
G.
Collura
,
I.
Lipartito
,
J. I.
Bailey
, and
B. A.
Mazin
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
124705
(
2020
).
21.
M.
Carminati
,
G.
Ferrari
,
M. D.
Vahey
,
J.
Voldman
, and
M.
Sampietro
,
IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.
11
,
1438
(
2017
).
22.
S. W.
Mattingly
and
F.
Skiff
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
043508
(
2018
).
23.
M.
Jeong
,
B.
Van
,
B. T.
Wells
,
L. J.
D’Aries
, and
M. D.
Hammig
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
033106
(
2018
).
24.
L.
Buonanno
,
D.
Di Vita
,
M.
Carminati
, and
C.
Fiorini
,
IEEE J. Emerging Sel. Top. Circuits Syst.
10
,
433
(
2020
).
25.
I.
Hafizh
,
M.
Carminati
, and
C.
Fiorini
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
945
,
162479
(
2019
).
26.
J.
Deng
,
C.
Preissner
,
J. A.
Klug
,
S.
Mashrafi
,
C.
Roehrig
,
Y.
Jiang
,
Y.
Yao
,
M.
Wojcik
,
M. D.
Wyman
,
D.
Vine
,
K.
Yue
,
S.
Chen
,
T.
Mooney
,
M.
Wang
,
Z.
Feng
,
D.
Jin
,
Z.
Cai
,
B.
Lai
, and
S.
Vogt
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
083701
(
2019
).
27.
Y.
Zhang
,
Q.
Guo
,
L.
Zhang
,
J.
Li
,
F.
Gao
,
J.
Jiang
, and
Z.
Zhou
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
093101
(
2020
).
28.
P. K.
Ghoshal
,
R.
Bachimanchi
,
P.
Bonneau
,
P.
Campero Rojas
,
B. J.
Eng
,
R. J.
Fair
,
T.
Lemon
, and
N. R.
Sandoval
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
124701
(
2019
).
29.
K.
Cui
,
X.
Li
, and
R.
Zhu
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
084704
(
2018
).
30.
G.
Cao
,
H.
Xia
, and
N.
Dong
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
054707
(
2018
).
31.
H.
Xia
,
G.
Cao
, and
N.
Dong
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
044706
(
2019
).
32.
N.
Lusardi
,
F.
Garzetti
, and
A.
Geraci
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
055113
(
2019
).
33.
P.
Peronio
,
I.
Labanca
,
G.
Acconcia
,
A.
Ruggeri
,
A. A.
Lavdas
,
A. A.
Hicks
,
P. P.
Pramstaller
,
M.
Ghioni
, and
I.
Rech
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
083704
(
2017
).
34.
Z.
Lin
,
Y.
Du
,
J.
Yang
,
Y.
Xu
,
L.
Yan
,
W.
Huang
,
C.
Tang
,
G.
Huang
,
Q.
Du
,
L.
Doolittle
,
R.
Wilcox
, and
J.
Byrd
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
014701
(
2018
).
35.
H.
Jain
,
E. G.
Tarpara
, and
V. H.
Patankar
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
094704
(
2020
).
36.
M. A. B.
Andrade
,
T. S. A.
Camargo
, and
A.
Marzo
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
125105
(
2018
).
37.
G. A.
Stimpson
,
M. S.
Skilbeck
,
R. L.
Patel
,
B. L.
Green
, and
G. W.
Morley
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
094701
(
2019
).
38.
M. A.
Luda
,
M.
Drechsler
,
C. T.
Schmiegelow
, and
J.
Codnia
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
023106
(
2019
).
39.
G.
Gervasoni
,
M.
Carminati
, and
G.
Ferrari
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
104704
(
2017
).
40.
S.
Davis
,
T.
Obstbaum
,
G.
Ben Ari
, and
U.
Sivan
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
113702
(
2020
).
41.
M.
Rezaei
,
E.
Maghsoudloo
,
C.
Bories
,
Y.
De Koninck
, and
B.
Gosselin
,
IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.
12
,
271
(
2018
).
42.
R.
Thomas
and
N.
Kjærgaard
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
034705
(
2020
).
43.
A.
Bertoldi
,
C.-H.
Feng
,
H.
Eneriz
,
M.
Carey
,
D. S.
Naik
,
J.
Junca
,
X.
Zou
,
D. O.
Sabulsky
,
B.
Canuel
,
P.
Bouyer
, and
M.
Prevedelli
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
033203
(
2020
).
44.
I.
Morgenstern
,
S.
Zhong
,
Q.
Zhang
,
L.
Baker
,
J.
Norris
,
B.
Tran
, and
A.
Schwettmann
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
023202
(
2020
).
45.
C.
Darsow-Fromm
,
L.
Dekant
,
S.
Grebien
,
M.
Schröder
,
R.
Schnabel
, and
S.
Steinlechner
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
035114
(
2020
).
46.
S.
Grillanda
,
M.
Carminati
,
F.
Morichetti
,
P.
Ciccarella
,
A.
Annoni
,
G.
Ferrari
,
M.
Strain
,
M.
Sorel
,
M.
Sampietro
, and
A.
Melloni
,
Optica
1
,
129
(
2014
).
47.
M.
Okada
,
T.
Serikawa
,
J.
Dannatt
,
M.
Kobayashi
,
A.
Sakaguchi
,
I.
Petersen
, and
A.
Furusawa
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
055102
(
2020
).
48.
A.
Annoni
,
E.
Guglielmi
,
M.
Carminati
,
G.
Ferrari
,
M.
Sampietro
,
D. A.
Miller
,
A.
Melloni
, and
F.
Morichetti
,
Light: Sci. Appl.
6
,
e17110
(
2017
).
49.
S. J.
Yu
,
E.
Fajeau
,
L. Q.
Liu
,
D. J.
Jones
, and
K. W.
Madison
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
025107
(
2018
).
50.
H.
Wang
,
Y.
Qi
,
T. J.
Mountziaris
, and
C. D.
Salthouse
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
055003
(
2014
).
51.
H.
Lim
,
G. E.
Jo
,
K. S.
Kim
,
S. M.
Back
, and
H.
Choi
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
055001
(
2017
).
52.
A.
Marzo
,
A.
Barnes
, and
B. W.
Drinkwater
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
085105
(
2017
).
53.
S.-A.
Tsai
,
J.-Y.
Tang
,
M.-H.
Wang
, and
L.-S.
Jang
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
065003
(
2018
).
54.
M.
Carminati
and
P.
Luzzatto-Fegiz
,
Sens. Actuators, B
251
,
1034
(
2017
).
55.
N.
Maas
,
R.
Willnecker
,
R.
Hemmersbach
, and
J.
Hauslage
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
105101
(
2019
).
56.
M.
Yu
,
H.
Cheng
,
Y.
Meng
,
J.
Wan
,
X.
Wang
,
X.
Ouyang
,
L.
Xiao
, and
L.
Liu
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
053203
(
2019
).
57.
M.
Patel
,
A.
Sakaamini
,
M.
Harvey
, and
A. J.
Murray
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
103104
(
2020
).
58.
V.
Chandrasekhar
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
023705
(
2020
).
59.
60.
N.
Chatterjee
,
B.
Bhattacharyya
,
D.
Dey
, and
S.
Munshi
,
IEEE Sens. J.
19
,
3252
(
2019
).
61.
B. D.
Knapp
,
L.
Zhu
, and
K. C.
Huang
,
PLoS Biol.
18
,
e3000786
(
2020
).
62.
J. W.
Ong
,
T.
Minifie
,
E. S.
Lin
,
H. A.
Abid
,
O. W.
Liew
, and
T. W.
Ng
,
Anal. Biochem.
608
,
113906
(
2020
).
63.
J.
Reynolds
,
P.
Ahmmed
, and
A.
Bozkurt
,
IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.
13
,
825
(
2019
).
64.
N. E.
Kallmyer
,
H. J.
Shin
,
E. A.
Brem
,
W. J.
Israelsen
, and
N. F.
Reuel
,
PLoS Biol.
17
,
e3000406
(
2019
).
65.
Q.
Wei
,
H.-J.
Park
, and
J. H.
Lee
,
J. Healthcare Eng.
2019
,
8936121
.
66.
C.
Koparan
,
A. B.
Koc
,
C.
Sawyer
, and
C.
Privette
,
Drones
4
,
35
(
2020
).
67.
P.
Janu
and
S. V.
Doan
,
Period. Polytech. Transp. Eng.
47
,
25
(
2017
).
68.
L.
Xu
,
R.
Xue
,
Y.
Li
,
H.
Zhang
, and
Z.
Cao
,
IEEE Sens. J.
18
,
2751
(
2018
).
69.
S. N.
Daskalakis
,
G.
Goussetis
,
S. D.
Assimonis
,
M. M.
Tentzeris
, and
A.
Georgiadis
,
IEEE Sens. J.
18
,
7889
(
2018
).
70.
N.
Aranzabal
,
J.
Martos
,
H.
Steger
,
P.
Blum
, and
J.
Soret
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
68
,
1062
(
2019
).
71.
W.
Wojtkowski
and
A.
Zankiewicz
,
IFAC-PapersOnLine
51
,
414
(
2018
).
72.
S.
Dişlitaş
,
G.
Ömer
, and
R.
Ahıska
,
Measurement
139
,
361
(
2019
).
73.
P.
Yupapin
and
N.
Pornsuwancharoen
,
Measurement
148
,
106871
(
2019
).
74.
M.
Carratù
,
A.
Pietrosanto
,
P.
Sommella
, and
V.
Paciello
,
Acta IMEKO
9
,
121
(
2020
).
75.
W.
Contreras
and
S.
Ziavras
,
IEEE Trans. Syst. Man Cybern., Syst.
50
,
1003
(
2020
).
76.
R. K.
Roy
and
T.
Bezboruah
,
IET Sci., Meas. Technol.
13
,
746
(
2019
).
77.
M.-L.
Tudose
,
A.
Anghel
,
R.
Cacoveanu
, and
M.
Datcu
,
Sensors
19
,
82
(
2018
).
78.
L.
D’Alvia
,
E.
Palermo
, and
Z.
Del Prete
,
Measurement
129
,
31
(
2018
).
79.
B.
Bengherbia
,
R.
Kara
,
A.
Toubal
,
M. O.
Zmirli
,
S.
Chadli
, and
P.
Wira
,
Measurement
163
,
107960
(
2020
).
80.
P.
Bointon
,
L.
Todhunter
,
A.
Clare
, and
R.
Leach
,
Machines
8
,
3
(
2020
).
81.
M.
Nie
and
L.
Wang
,
Procedia CIRP
11
,
287
(
2013
).
82.
N.
Ferenčík
,
M.
Jaščur
,
M.
Bundzel
, and
F.
Cavallo
,
Sensors
20
,
663
(
2020
).
83.
R.
Munjal
,
F.
Wendler
, and
O.
Kanoun
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
69
,
3461
(
2020
).
84.
G.
Luciani
,
R.
Ramilli
,
A.
Romani
,
M.
Tartagni
,
P. A.
Traverso
, and
M.
Crescentini
,
Measurement
144
,
388
(
2019
).
85.
A.
Sanchez-Gonzalez
,
N.
Medrano
,
B.
Calvo
, and
P. A.
Martinez
,
Electronics
8
,
38
(
2019
).
86.
Y.
Yang
,
K.
Xu
,
T.
Vervust
, and
J.
Vanfleteren
,
Sens. Actuators, B
261
,
144
(
2018
).
87.
U.
Kasiviswanathan
,
S.
Poddar
,
C.
Kumar
,
S.
Jit
,
S. K.
Mahto
, and
N.
Sharma
,
J Anal. Sci. Technol.
11
,
25
(
2020
).
88.
Z.
Jiang
,
J.
Yao
,
L.
Wang
,
H.
Wu
,
J.
Huang
,
T.
Zhao
, and
M.
Takei
,
IEEE Sens. J.
19
,
5979
(
2019
).
89.
V.
Sirtoli
,
K.
Morcelles
,
J.
Gomez
, and
P.
Bertemes-Filho
,
J. Low Power Electron. Appl.
8
,
50
(
2018
).
90.
J. M. M.
Luna
,
A. M.
Luna
, and
R. E. H.
Fernández
,
Sensors
20
,
5932
(
2020
).
91.
P.
Ibba
,
A.
Falco
,
B. D.
Abera
,
G.
Cantarella
,
L.
Petti
, and
P.
Lugli
,
Postharvest Biol. Technol.
159
,
110978
(
2020
).
92.
C. N.
Teague
,
J. A.
Heller
,
B. N.
Nevius
,
A. M.
Carek
,
S.
Mabrouk
,
F.
Garcia-Vicente
,
O. T.
Inan
, and
M.
Etemadi
,
IEEE Sens. J.
20
,
10323
(
2020
).
93.
B. M. G.
Rosa
and
G. Z.
Yang
,
IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.
14
,
775
(
2020
).
94.
R.
Kusche
,
P.
Klimach
, and
M.
Ryschka
,
IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.
12
,
614
(
2018
).
95.
P.
Janik
,
M.
Pielka
,
M. A.
Janik
, and
Z.
Wróbel
,
Sens. Actuators, A
286
,
152
(
2019
).
96.
E.
De Roux
,
A.
Degache
,
M.
Terosiet
,
F.
Kölbl
,
M.
Boissière
,
E.
Pauthe
,
A.
Histace
,
O.
Bernus
,
N.
Lewis
, and
O.
Romain
,
J. Sens.
2019
,
7180694
.
97.
A.
Furniturewalla
,
M.
Chan
,
J.
Sui
,
K.
Ahuja
, and
M.
Javanmard
,
Microsyst. Nanoeng.
4
,
20
(
2018
).
98.
P.
Arpaia
,
U.
Cesaro
, and
N.
Moccaldi
,
IEEE Trans. Instrum. Meas.
67
,
2324
(
2018
).
99.
C.
Tang
and
J.
Choi
,
Med. Devices: Evidence Res.
11
,
379
(
2018
).
100.
M. S.
Mat-Shayuti
,
H.
Zulkifli
,
E.
Yahya
,
N. H.
Othman
, and
Z.
Hassan
,
Int. J. Electr. Electron. Eng.
8
,
119
(
2019
), Universiti Teknologi MARA/Faculty of Chemical Engineering, Shah Alam, Malaysia.
101.
M.
Darnajou
,
A.
Dupre
,
C.
Dang
,
G.
Ricciardi
,
S.
Bourennane
,
C.
Bellis
, and
S.
Mylvaganam
,
IEEE Sens. J.
20
,
8698
(
2020
).
102.
M.
Darnajou
,
A.
Dupré
,
C.
Dang
,
G.
Ricciardi
,
S.
Bourennane
, and
C.
Bellis
,
Sensors
19
,
3679
(
2019
).
103.
B.
Kashyap
,
C. K.
Sestok
,
A. G.
Dabak
,
S.
Ramaswamy
, and
R.
Kumar
,
IEEE Sens. J.
19
,
9468
(
2019
).
104.
D. M.
Corva
,
S. S.
Hosseini
,
F.
Collins
,
S. D.
Adams
,
W. P.
Gates
, and
A. Z.
Kouzani
,
Sensors
20
,
4313
(
2020
).
105.
Y.-L.
Lee
,
Y.-T.
Kuo
,
H.-H.
Chen
, and
Y.-A.
Hsieh
,
IEEE Access
7
,
20472
(
2019
).
You do not currently have access to this content.