如何為您的下一個(gè)應用程序選擇嵌入式系統

本文重點(diǎn)闡述了部分工程師對嵌入式平臺的一些常見(jiàn)誤會(huì )和誤解；在此基礎上提出了正確的討論框架；明確區分今天的嵌入式解決方案和 5 年或 10 年前那些方案的不同之處；認識到當前嵌入式技術(shù)發(fā)生的重要演進(jìn)；告訴大家如何給自己的下一個(gè)應用程序選擇嵌入式系統。

摘要

　　眾所周知，許多系統集成商和最終用戶(hù)都會(huì )繼續為某些類(lèi)型的嵌入式應用程序選擇標準 PC平臺。盡管過(guò)去標準 PC  的確擁有一些勝過(guò)定制設計的嵌入式平臺的優(yōu)勢，特別是對于那些以較低的費用而需要“類(lèi)似  PC”的性能和能力的應用程序。嵌入式解決方案的前景發(fā)生了翻天覆地的變化，一切只為更好地服務(wù)于這些應用程序：

　?。?）嵌入式系統技術(shù)和設計的演進(jìn)包括基于標準的界面和平臺的擴展、配合 CPU 的快速發(fā)展、并且以圖形性能彌補與 PC之間的差距。

　?。?）在嵌入式應用程序中開(kāi)發(fā)典型的商用  PC，與之關(guān)聯(lián)的隱性使用壽命管理費用并非始終為人所知。在這種充滿(mǎn)挑戰的全球經(jīng)濟環(huán)境中，系統集成商面對日益增長(cháng)的壓力，以降低成本、加快上市時(shí)間 （TTM），在實(shí)現利潤最大化的同時(shí)降低風(fēng)險。本文探索了商用 PC 平臺在嵌入式應用程序中使用時(shí)的隱藏費用，以及今天的嵌入式平臺，如 AMD  啟用的那些，是您為自己的下一個(gè)高端嵌入式應用程序選擇嵌入式系統提供的卓越之選。

簡(jiǎn)介

　　嵌入式是IDC預測的一個(gè)巨大市場(chǎng)，到 2015 年底全球收入將增長(cháng)到 2 萬(wàn)6 千億美元，并且 CAGR 將達到10%。大部分人沒(méi)有認識到  PC 只占當前使用的所有計算設備的約2%。據 Artemis Embedded Computing Systems Initiativeii  估計，今天所有計算設備中的 98% 都是嵌入其他類(lèi)型的電子設備，并且到 2020年，將有超過(guò)400 億臺的嵌入式設備。

當今嵌入式平臺的誤會(huì )和誤解

　　至關(guān)重要的是通過(guò)澄清有關(guān)嵌入式平臺的一些常見(jiàn)誤會(huì )和誤解以便提出正確討論框架。要達到這樣的目的，我們首先需要明確區分今天的嵌入式解決方案和 5 年或 10 年前那些方案的不同之處，并認識到當前嵌入式技術(shù)的重要演進(jìn)。

誤會(huì ) 1：與相當一部分嵌入式系統相比，PC 始終擁有更高的性能（特別是在圖形和視頻密集的應用程序中）。

　　今天的主流 PC 處理子系統（CPU、圖形和視頻）具有高 MHz、多核、大緩存、快速廣泛的系統總線(xiàn)。盡管目前大部分 PC 的確能在運行  PC  應用程序和基準方面擊敗嵌入式平臺，但問(wèn)題是您真正需要多少性能，以及您真正需要何種性能？并且在尺寸和功耗方面，您準備為性能水平支付怎樣的價(jià)格？在今 天眾多嵌入式應用程序向著(zhù)更加交互、連接和多媒體豐富的使用情況（即“智能系統”）演進(jìn)的同時(shí)，嵌入式 CPU 和 GPU  日益緊跟這些不斷增長(cháng)的性能需求。今天生產(chǎn)的許多設備具備多核、快速專(zhuān)用的 2D 和 3D  顯卡以及支持多種高清視頻流的硬件。這些設備的架構提供針對特定嵌入式應用程序的性能級別，并經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化，提供勝過(guò)傳統 PC  的每美元和每瓦特的卓越性能。

　　操作系統還在系統性能中扮演重要的角色。今天的主流 PC 需要額外的馬力和系統內存才能有效運行 Windows?或 Linux?  操作系統，以及并發(fā)執行一些苛刻的應用程序和后臺任務(wù)。由于嵌入式系統通常擁有一組需要它們運行的預先定義的應用程序，所以硬件的總體性能要求通常低于一 臺 PC，而不會(huì )影響用戶(hù)體驗。一個(gè)有限的應用程序組還允許嵌入式系統運行為其專(zhuān)門(mén)構造的操作系統，例如 Windows  Embedded（及其所有衍生產(chǎn)品）和 Embedded  Linux。盡管這些操作系統完全具有特征，它們也可用作組成軟件包，能通過(guò)構建匹配嵌入式硬件，但這卻意味著(zhù)產(chǎn)生的“圖像”只包含支持特定硬件配置和有 限應用程序組所需的模塊、資源和驅動(dòng)程序。嵌入式操作系統也“更單薄”，這意味著(zhù)應用程序擁有更多的直接控制力以及對硬件的更快訪(fǎng)問(wèn)，可對總體系統性能做 出重大貢獻。想象一下任何時(shí)候為 PC  安裝一個(gè)新的設備驅動(dòng)程序都會(huì )顯著(zhù)提高其運行一個(gè)特定應用程序的性能（特別是圖形密集的應用程序）。這是軟件的多個(gè)層駐留在應用程序之間以及典型 PC  中的硬件會(huì )影響性能和用戶(hù)體驗的一個(gè)范例。

誤會(huì ) 2：嵌入式系統缺乏確保兼容性、互操作性和可升級性的標準

　　自 1982 年 VMEbus Manufacturers Group 成立（2005 年更名為 VITA）以來(lái)，VITA  一直是嵌入式系統市場(chǎng)的開(kāi)放系統架構冠軍。隨后是 PC/104 Embedded Consortium（1992）、PCI Industrial  ComputerManufacturers Group（PICMG）（1994）、Khronos Group（2000）、Embedded  Linux Consortium（2000），以及更多最近的實(shí)體，例如 Small Form Factor Special Interest  Group（2007），ProSE（歐洲Standards Working Group of ARTEMIS 推進(jìn)的一項計劃，建立于 2008  年）一直吸引著(zhù)業(yè)界最大的廠(chǎng)商，并在嵌入式系統技術(shù)的方方面面推動(dòng)開(kāi)放標準。盡管許多這些實(shí)體（或它們的子協(xié)會(huì )）都有明確的市場(chǎng)（例如消費品、儀器和汽 車(chē)），但它們卻擁有共同的目標，例如建立簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)工具創(chuàng )建的標準；實(shí)現更高性能和功能豐富的軟件；改善系統的測試和耐用性；提高平臺的可擴展性、可升級性 和互操作性。

　　此外，用于基于 PC 的 CPU 架構遷移到嵌入式空間。今天許多高端嵌入式系統（主流是 x86）結合了眾多 PC技術(shù)和界面標準，例如  OpenGL ES（OpenGL 的一個(gè)嵌入式版本）用于圖形加速；SATA 用于硬件驅動(dòng)；PCIe? 用于離散圖形硬件和其他擴展功能；USB  用于外設；10/100base-T 用于以太網(wǎng)；而DDR2/3 SDRAM 用于系統內存。PC  技術(shù)的這些適應性配合特定嵌入式技術(shù)標準的進(jìn)步實(shí)現了商用操作系統和應用程序更廣泛的多樣性，以便為嵌入式系統更輕松地遷移和優(yōu)化。

誤會(huì ) 3：嵌入式系統不是 x86，會(huì )增加開(kāi)發(fā)成本和 TTM。

　　盡管傳統嵌入式 CPU 架構，例如 ARM 和 MIP，的確繼續占有大部分市場(chǎng)份額，基于 x86  的處理器將從成本批量發(fā)運的層面主導嵌入式市場(chǎng)。此外，諸如 AMD 和 Microsoft 這樣的公司，以及開(kāi)放源代碼 Linux（包括  Embedded Linux）正在推進(jìn)成熟的和高水平開(kāi)發(fā)工具的提高可用性，包括 Integrated Development  Environments（IDE），以及幫助加快針對基于 x86 的 TTM 的技術(shù)支持。

誤會(huì ) 4：嵌入式解決方案始終比基于 PC 的相當解決方案昂貴。

　　盡管對比某些商用現成 PC 解決方案的初始成本的確是這樣，但重要的是考慮已開(kāi)發(fā)解決方案使用壽命的總體所有權成本（TCO）。為嵌入式應用程序開(kāi)發(fā) PC 存在隱藏的成本，會(huì )讓它們在使用壽命更長(cháng)的應用程序中的成本效益更低，我們會(huì )在接下來(lái)深入探討這一概念。

嵌入式系統的重要優(yōu)勢

　　如上文提到的，在規劃系統開(kāi)發(fā)時(shí)，無(wú)論尺寸如何，不只看到硬件和軟件的初始成本非常重要，還要看到持續的操作費用，它在整個(gè)開(kāi)發(fā)壽命中占據 TCO 的最大份額。這些成本是由許多因素造成的，而正確的嵌入式系統通常能提供長(cháng)期的出色價(jià)值：

　?。?）系統可靠性：因為嵌入式應用程序擁有長(cháng)期使用壽命并且通常需要系統在嚴酷的環(huán)境（包括高溫環(huán)境）中操作，嵌入式系統通常采用額定溫度/電壓更高 的組件。相反，商用 PC 系統設計通常采用溫度/ 電壓額定值更低的組件，因為那些組件價(jià)格低廉、容易使用并且通常適用 PC  的操作條件。任何電子設備的使用壽命都和其工作溫度息息相關(guān)，并且通過(guò)在低于額定溫度或電壓條件下操作可顯著(zhù)提高使用壽命（即降額）。我們此處討論的設備 不限于“主要功能”，因為許多都是通用組件，通常大量使用，例如鋁制電解旁路電容。比如，一個(gè)鋁制電解旁路電容在 85℃的最不利情況保證的額定壽命為  2000 個(gè)小時(shí)，但在 55℃ 操作（通常在低于正常條件的 PC 主板上），預計壽命達到 16,000  個(gè)小時(shí)或連續（24x7x365）工作壽命接近 2 年。相反，一個(gè)電容在 105℃的最不利情況保證的額定壽命為 2000 個(gè)小時(shí)，但在 55℃  操作，預計壽命達到 64,000 個(gè)小時(shí)或連續（24x7x365）工作壽命超過(guò) 7 年。換言之，將電容的額定溫度提高 20℃，會(huì )將其預期壽命降低  4  倍。盡管看起來(lái)無(wú)關(guān)緊要，但這些電容在保持穩定的電壓水平和抑制高速印刷電路板（PCB）設計的噪音方面非常關(guān)鍵。如果電容在低于額定溫度的情況未能良好 工作，那一塊典型的主板很可能采用超過(guò) 100 個(gè)這樣的電容，以降低設備故障的可能性以及可能的主板故障。

　?。?）  功耗：低功耗始終勝過(guò)高功耗，但不只是節約能源成本和提高電池壽命的顯著(zhù)原因。低功耗會(huì )帶來(lái)許多其他好處，對于無(wú)心之人可能不那么顯而易見(jiàn)。首先，關(guān)鍵組 件的低功耗會(huì )讓整套系統以更低的溫度工作，讓其余系統組件的壓力更小，同時(shí)提高如上所述的系統壽命。低功耗通常不再需要風(fēng)扇，讓系統更安靜地運行、實(shí)現更 小的機箱并降低執行和支持成本。低功耗結合內置到硅自身中的能源管理技術(shù)還緩解了軟件工程師的負擔，讓他們?yōu)楣芾硐到y功耗進(jìn)行更多的開(kāi)發(fā)成熟應用程序和技 巧的任務(wù)。

（3） 長(cháng)期可用性：PC 在特定的型號/配置中，通?？捎脮r(shí)間為 9-12 個(gè)月。相反，許多嵌入式系統的可用時(shí)間為 5  年或更久。對于使用壽命為 5 年或更久的大型部署，PC  平臺配置可能必須在該時(shí)間段內更改數次，需要預先購買(mǎi)附加系統，或產(chǎn)生在整個(gè)部署壽命內支持和保持多種系統配置的額外費用。而嵌入式系統的長(cháng)期可用性允許 一種系統配置用于在整個(gè)部署壽命內購買(mǎi)替代品，從而簡(jiǎn)化并降低與庫存、支持和介質(zhì)維護以及大規模部署相關(guān)的成本。

數字標志示例：與上一代的嵌入式系統不可同日而語(yǔ)

　　隨著(zhù)基于互聯(lián)網(wǎng)的應用程序和服務(wù)（包括云計算的出現）的持續擴展，以及消費者需要豐富的多媒體體驗，今天許多嵌入式系統正在用于高度交互、高度連接、視覺(jué)模擬以及在許多情況高度移動(dòng)的應用程序中。

　　數字標志應用程序是嵌入式系統日益普及的不錯例子。服務(wù)于教育、零售和接待等廣泛的市場(chǎng)需求，在任何地方都能發(fā)現它們的身影，包括學(xué)校、機場(chǎng)、大型購物中心和酒店等等。

　　數字標志系統的尺寸和功能集可能千差萬(wàn)別，但通常具有以下共性：

　?。?） 一個(gè)媒體播放器，能播放預先錄制的或實(shí)時(shí)視頻（通常為高清）、flash 動(dòng)畫(huà)、2D/3D 圖形、text ticker、Microsoft? PowerPoint 文件、RSS feed、基于網(wǎng)絡(luò )的最新內容和視頻等等。

　?。?） 支持多種靈活的顯示配置和各種顯示接頭類(lèi)型，如 VGA、LVDS、DVI 和 HDMI 等等。

　?。?） 聯(lián)網(wǎng)功能，包括 WiFi 和 LAN：許多設備單獨操作，但大部分通常聯(lián)網(wǎng)到一臺管理內容和軟件更新的集中服務(wù)器。

　?。?）用于媒體播放列表的本地存儲的硬盤(pán)驅動(dòng)器。

圖1 典型嵌入式數字標志播放器的方框圖

　　使用壽命規劃和 TCO 密切相關(guān)，使用壽命規劃流程和該流程中所作的決策直接影響 TCO。盡管使用壽命規劃和TCO  計算本身就是巨大的主題（并且曾有廣泛的著(zhù)述），我們將在本文中使用一個(gè)簡(jiǎn)化的示例解釋基本概念，以便在基于 PC  的解決方案和典型數字標志部署中的嵌入式系統解決方案之間對比 TCO。在使用壽命規劃流程中考慮的一些主要因素：

　?。?） 要部署什么類(lèi)型的系統？

　?。?）預計整套部署存在和得到支持的時(shí)間（即“使用壽命”）？

　?。?） 考慮每套系統可用和得到支持的時(shí)間？

　?。?）軟件是否需要更新，頻率如何？

　?。?） 部署的規模是否隨著(zhù)時(shí)間的推移更改？

　?。?） 每套系統的主要組件的預計故障率如何？

　　一旦完成使用壽命規劃流程（或至少做出主要決策），即可考慮每個(gè)系統解決方案的預計 TCO。要計算 TCO，必須考慮以下各項：

　?。?）主要系統的采購成本

　?。?）要保持在庫存中的附加系統的采購和儲運成本

　?。?） 基于每套系統功耗的能源成本（根據使用型號確定）

　?。?） 支持費用，包括技術(shù)支持、維護、保險、更換和修理費用（注意由于引入了多種硬件和/或軟件配置，這種情況可能變得非常復雜）

　?。?） 由于修理或更換故障系統造成的停機成本

下面是一個(gè)嵌入式應用程序部署的示例，包含 100 個(gè)數字標志系統組成的相對小規模網(wǎng)絡(luò )。讓我們對比使用基于標準商用 PC 解決方案和真正的嵌入式解決方案的解決方案，在操作前 5 年的部署和支持情況。

　　下面的表 1 顯示我們在本例中使用的假設：

　　注 1：故障率假設基于為在典型的數字標志環(huán)境中進(jìn)行可靠 24/7 操作設計的嵌入式廠(chǎng)商解決方案，而典型 PC 沒(méi)有設計在這種相同的環(huán)境中  24/7 操作。典型數字標志環(huán)境通常包括封閉的機箱以阻止灰塵，并且安裝在溫度不受控制的區域。實(shí)際故障率可能存在差異。

　　注 2：?jiǎn)蝺r(jià)只反映廠(chǎng)商硬件的典型成本，不包括顯示屏、軟件、網(wǎng)絡(luò )帶寬或內容授權費用。

　　注 3：根據美國能源部的指導原則，能源成本基于美國平均 0.01 美元/kwh 的商用能源成本。典型 PC 系統的功耗理論為  190w（150w 用于系統組件，另外40w 基于額定為 80% 效率的能源之星電源）。典型的基于 AMD 的嵌入式系統功耗理論為  66w（60w 用于系統組件，另外 6w 基于 90% 效率的典型DC/DC 電源）。

　　注 4：Aberdeen Group，遠程產(chǎn)品服務(wù)的演進(jìn) – 2009 年 4 月。發(fā)現服務(wù)派遣的平均費用為 276 美元。

　　第 1 年年底，基于 PC 的系統由于故障將更換 10 臺設備，而嵌入式系統將更換 5 臺設備。

　　但到第 3 年年底，情況將明顯改變。對于基于 PC 的系統，第 2 年和第三 3 年（10 次/年）的額外故障和原始平臺在前 12  個(gè)月的不可用性總計要更換 30 套系統，并且目前必須在網(wǎng)絡(luò )中支持 3 種獨特的硬件/軟件配置。相反，對于嵌入式系統，由于故障只需更換 15  套系統，并完全采用最初的硬件/軟件配置。

　　到第 5 年年底，基于 PC 的部署現在只包含其原始系統的一半，并且要維護 5 種獨特的配置，而嵌入式部署保持其原始系統的 75%，所有系統仍擁有相同的配置。

圖3 商用 PC 和定制嵌入式解決方案之間的 5 年部署情況對比

　　下面的圖 4 和圖 5 介紹簡(jiǎn)化的成本對比，并示范嵌入式解決方案在 5 年時(shí)間內可提供的潛在成本節?。骸　?/p>

圖 4：100 套基于 PC 的數字標志系統和 100 套基于嵌入式系統的數字標志系統的網(wǎng)絡(luò )之間的簡(jiǎn)化年成本對比。

圖 5：100 套基于 PC 的數字標志系統和 100 套基于嵌入式數字標志系統的網(wǎng)絡(luò )之間的累計成本對比表明，嵌入式系統的 TCO 最早從第 2 年開(kāi)始下降，并在 5 年后實(shí)現節約超過(guò) 49，000 美元。

　　您可以看到，嵌入式系統最早可從第 2 年提供更低的 TCO，只是因為它更可靠，并且能耗更低。當您開(kāi)始將有關(guān)管理和支持多種配置的費用計算在內，以及 PC 在連續工作 5 年后日益提高的故障率，嵌入式系統的 TCO 優(yōu)勢甚至變得更加明顯。

為何給您的下一嵌入式應用程序選擇 AMD的產(chǎn)品？

　　AMD 最近從擁有晶圓過(guò)渡為一家運營(yíng)的無(wú)晶圓半導體公司。實(shí)際上，AMD 現在是全球第 3 大無(wú)晶圓半導體公司。這允許 AMD  將更多力量集中在技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng )新方面，包括高價(jià)值的嵌入式產(chǎn)品，而非只是嘗試以低利潤的 PC 處理器保持晶圓的完整功能。AMD  是全球批量設計和生產(chǎn)行業(yè)標準 x86 微處理器的唯一一家公司，同時(shí)設計和交付先進(jìn)的圖形技術(shù)，允許您為客戶(hù)提供創(chuàng )新和與眾不同的產(chǎn)品。AMD  承諾其服務(wù)于嵌入式市場(chǎng)的客戶(hù)長(cháng)期取得成功，并在日?；A上通過(guò)提供技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)和支持的獨特組合展示這種承諾，允許客戶(hù)跨越廣泛的應用程序，迅速將 具有競爭力和成本效益的平臺推向市場(chǎng)。交付手段：

　?。?） 確保嵌入式應用程序要求完全“符合”AMD  中的總體產(chǎn)品規劃和開(kāi)發(fā)流程。在集中規劃流程中構建嵌入式要求，允許產(chǎn)生的嵌入式產(chǎn)品充分利用當前的先進(jìn)高性能/低功耗的 CPU 和 GPU  內核、芯片集以及為其他市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的其他 I/O 模塊。AMD 目前為嵌入式市場(chǎng)提供廣泛的產(chǎn)品組合，包括超低功耗的 AMD GeodeTM LX  處理器、64 位嵌入式 CPU、全新的 AMD Fusion APU 和高端獨立的 AMD RadeonTM 圖形處理器等。

　?。?）對產(chǎn)品使用壽命的前端投入巨資。AMD 擁有世界范圍的支持組織，專(zhuān)注于滿(mǎn)足嵌入式客戶(hù)的獨特需求。通過(guò)在解決方案到達 OEM 和/或  ISV  之前將集成工作轉換到開(kāi)發(fā)流程的前端，努力緩解下游系統集成問(wèn)題造成的更多負擔。專(zhuān)注于合作并支持關(guān)鍵組件和軟件提供商，以及設計和集成合作伙伴。這有助 于確保高品質(zhì)的設計，在后端實(shí)現最大可靠性和最低的支持成本。下面的圖 6 介紹 AMD 支持并且與技術(shù)合作伙伴和客戶(hù)協(xié)作的位置以確保成功。

圖 6：嵌入式市場(chǎng)多級價(jià)值鏈

　?。?） 通過(guò)與我們的全球制造伙伴合作，以成熟、批量和成本優(yōu)化的流程制造我們的產(chǎn)品，確保我們的嵌入式產(chǎn)品的長(cháng)期可用性。AMD  已在我們的路線(xiàn)圖上為嵌入式產(chǎn)品規劃了 7  年可用性，并與客戶(hù)和開(kāi)發(fā)合作伙伴攜手，確保包括主板、軟件、系統和平臺在內的整個(gè)生態(tài)系統也支持擴展的可用性。

　?。?） 通過(guò)創(chuàng )新架構、高度集成向上推進(jìn)性能，向下驅動(dòng)功耗，同時(shí)充分利用為高性能和低功耗優(yōu)化的具有成本效益的加工技術(shù)，如絕緣體上硅（SOI）。

　總結

　　在高性能、大批量的嵌入式應用程序中，標準商用 PC 平臺是嵌入式平臺誘人的替代品。嵌入式技術(shù)的前景發(fā)生了翻天覆地的變化，今天的高性能、低功耗的嵌入式平臺，如 AMD 啟用的那些，為長(cháng)期使用壽命的應用程序提供低風(fēng)險和卓越的 TCO。

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