如何為應(yīng)用程序選擇嵌入式系統(tǒng)

摘要
　　眾所周知，許多系統(tǒng)集成商和最終用戶都會繼續(xù)為某些類型的嵌入式應(yīng)用程序選擇標準 PC平臺。盡管過去標準 PC 的確擁有一些勝過定制設(shè)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“類似 PC”的性能和能力的應(yīng)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(yīng)用程序：
　?。?）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和設(shè)計的演進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(yīng)用程序中開發(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。在這種充滿挑戰(zhàn)的全球經(jīng)濟環(huán)境中，系統(tǒng)集成商面對日益增長的壓力，以降低成本、加快上市時間 （TTM），在實現(xiàn)利潤最大化的同時降低風(fēng)險。本文探索了商用 PC 平臺在嵌入式應(yīng)用程序中使用時的隱藏費用，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高端嵌入式應(yīng)用程序選擇嵌入式系統(tǒng)提供的卓越之選。
　　簡介
　　嵌入式是IDC預(yù)測的一個巨大市場，到 2015 年底全球收入將增長到 2 萬6 千億美元，并且 CAGR 將達到10%。大部分人沒有認識到 PC 只占當前使用的所有計算設(shè)備的約2%。據(jù) Artemis Embedded Computing Systems Initiativeii 估計，今天所有計算設(shè)備中的 98% 都是嵌入其他類型的電子設(shè)備，并且到 2020年，將有超過400 億臺的嵌入式設(shè)備。
　　當今嵌入式平臺的誤會和誤解
　　至關(guān)重要的是通過澄清有關(guān)嵌入式平臺的一些常見誤會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(qū)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。
　　誤會 1：與相當一部分嵌入式系統(tǒng)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(yīng)用程序中）。
　　今天的主流 PC 處理子系統(tǒng)（CPU、圖形和視頻）具有高 MHz、多核、大緩存、快速廣泛的系統(tǒng)總線。盡管目前大部分 PC 的確能在運行 PC 應(yīng)用程序和基準方面擊敗嵌入式平臺，但問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格？在今 天眾多嵌入式應(yīng)用程序向著更加交互、連接和多媒體豐富的使用情況（即“智能系統(tǒng)”）演進的同時，嵌入式 CPU 和 GPU 日益緊跟這些不斷增長的性能需求。今天生產(chǎn)的許多設(shè)備具備多核、快速專用的 2D 和 3D 顯卡以及支持多種高清視頻流的硬件。這些設(shè)備的架構(gòu)提供針對特定嵌入式應(yīng)用程序的性能級別，并經(jīng)過高度優(yōu)化，提供勝過傳統(tǒng) PC 的每美元和每瓦特的卓越性能。
　　操作系統(tǒng)還在系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)存才能有效運行 Windows?或 Linux? 操作系統(tǒng)，以及并發(fā)執(zhí)行一些苛刻的應(yīng)用程序和后臺任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)通常擁有一組需要它們運行的預(yù)先定義的應(yīng)用程序，所以硬件的總體性能要求通常低于一 臺 PC，而不會影響用戶體驗。一個有限的應(yīng)用程序組還允許嵌入式系統(tǒng)運行為其專門構(gòu)造的操作系統(tǒng)，例如 Windows Embedded（及其所有衍生產(chǎn)品）和 Embedded Linux。盡管這些操作系統(tǒng)完全具有特征，它們也可用作組成軟件包，能通過構(gòu)建匹配嵌入式硬件，但這卻意味著產(chǎn)生的“圖像”只包含支持特定硬件配置和有 限應(yīng)用程序組所需的模塊、資源和驅(qū)動程序。嵌入式操作系統(tǒng)也“更單薄”，這意味著應(yīng)用程序擁有更多的直接控制力以及對硬件的更快訪問，可對總體系統(tǒng)性能做 出重大貢獻。想象一下任何時候為 PC 安裝一個新的設(shè)備驅(qū)動程序都會顯著提高其運行一個特定應(yīng)用程序的性能（特別是圖形密集的應(yīng)用程序）。這是軟件的多個層駐留在應(yīng)用程序之間以及典型 PC 中的硬件會影響性能和用戶體驗的一個范例。
　　誤會 2：嵌入式系統(tǒng)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，VITA 一直是嵌入式系統(tǒng)市場的開放系統(tǒng)架構(gòu)冠軍。隨后是 PC/104 Embedded Consortium（1992）、PCI Industrial ComputerManufacturers Group（PICMG）（1994）、Khronos Group（2000）、Embedded Linux Consortium（2000），以及更多最近的實體，例如 Small Form Factor Special Interest Group（2007），ProSE（歐洲Standards Working Group of ARTEMIS 推進的一項計劃，建立于 2008 年）一直吸引著業(yè)界最大的廠商，并在嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的方方面面推動開放標準。盡管許多這些實體（或它們的子協(xié)會）都有明確的市場（例如消費品、儀器和汽 車），但它們卻擁有共同的目標，例如建立簡化開發(fā)工具創(chuàng)建的標準；實現(xiàn)更高性能和功能豐富的軟件；改善系統(tǒng)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(gòu)遷移到嵌入式空間。今天許多高端嵌入式系統(tǒng)（主流是 x86）結(jié)合了眾多 PC技術(shù)和界面標準，例如 OpenGL ES（OpenGL 的一個嵌入式版本）用于圖形加速；SATA 用于硬件驅(qū)動；PCIe? 用于離散圖形硬件和其他擴展功能；USB 用于外設(shè)；10/100base-T 用于以太網(wǎng)；而DDR2/3 SDRAM 用于系統(tǒng)內(nèi)存。PC 技術(shù)的這些適應(yīng)性配合特定嵌入式技術(shù)標準的進步實現(xiàn)了商用操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序更廣泛的多樣性，以便為嵌入式系統(tǒng)更輕松地遷移和優(yōu)化。
　　誤會 3：嵌入式系統(tǒng)不是 x86，會增加開發(fā)成本和 TTM。
　　盡管傳統(tǒng)嵌入式 CPU 架構(gòu)，例如 ARM 和 MIP，的確繼續(xù)占有大部分市場份額，基于 x86 的處理器將從成本批量發(fā)運的層面主導(dǎo)嵌入式市場。此外，諸如 AMD 和 Microsoft 這樣的公司，以及開放源代碼 Linux（包括 Embedded Linux）正在推進成熟的和高水平開發(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 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(xiàn)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發(fā)解決方案使用壽命的總體所有權(quán)成本（TCO）。為嵌入式應(yīng)用程序開發(fā) PC 存在隱藏的成本，會讓它們在使用壽命更長的應(yīng)用程序中的成本效益更低，我們會在接下來深入探討這一概念。
　　嵌入式系統(tǒng)的重要優(yōu)勢
　　如上文提到的，在規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)時，無論尺寸如何，不只看到硬件和軟件的初始成本非常重要，還要看到持續(xù)的操作費用，它在整個開發(fā)壽命中占據(jù) 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(tǒng)通常能提供長期的出色價值：
　?。?）系統(tǒng)可靠性：因為嵌入式應(yīng)用程序擁有長期使用壽命并且通常需要系統(tǒng)在嚴酷的環(huán)境（包括高溫環(huán)境）中操作，嵌入式系統(tǒng)通常采用額定溫度/電壓更高 的組件。相反，商用 PC 系統(tǒng)設(shè)計通常采用溫度/ 電壓額定值更低的組件，因為那些組件價格低廉、容易使用并且通常適用 PC 的操作條件。任何電子設(shè)備的使用壽命都和其工作溫度息息相關(guān)，并且通過在低于額定溫度或電壓條件下操作可顯著提高使用壽命（即降額）。我們此處討論的設(shè)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 個小時，但在 55℃ 操作（通常在低于正常條件的 PC 主板上），預(yù)計壽命達到 16，000 個小時或連續(xù)（24x7x365）工作壽命接近 2 年。相反，一個電容在 105℃的最不利情況保證的額定壽命為 2000 個小時，但在 55℃ 操作，預(yù)計壽命達到 64，000 個小時或連續(xù)（24x7x365）工作壽命超過 7 年。換言之，將電容的額定溫度提高 20℃，會將其預(yù)期壽命降低 4 倍。盡管看起來無關(guān)緊要，但這些電容在保持穩(wěn)定的電壓水平和抑制高速印刷電路板（PCB）設(shè)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 100 個這樣的電容，以降低設(shè)備故障的可能性以及可能的主板故障。
　　
　?。?） 功耗：低功耗始終勝過高功耗，但不只是節(jié)約能源成本和提高電池壽命的顯著原因。低功耗會帶來許多其他好處，對于無心之人可能不那么顯而易見。首先，關(guān)鍵組 件的低功耗會讓整套系統(tǒng)以更低的溫度工作，讓其余系統(tǒng)組件的壓力更小，同時提高如上所述的系統(tǒng)壽命。低功耗通常不再需要風(fēng)扇，讓系統(tǒng)更安靜地運行、實現(xiàn)更 小的機箱并降低執(zhí)行和支持成本。低功耗結(jié)合內(nèi)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(tǒng)功耗進行更多的開發(fā)成熟應(yīng)用程序和技 巧的任務(wù)。
　?。?） 長期可用性：PC 在特定的型號/配置中，通常可用時間為 9-12 個月。相反，許多嵌入式系統(tǒng)的可用時間為 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間段內(nèi)更改數(shù)次，需要預(yù)先購買附加系統(tǒng)，或產(chǎn)生在整個部署壽命內(nèi)支持和保持多種系統(tǒng)配置的額外費用。而嵌入式系統(tǒng)的長期可用性允許 一種系統(tǒng)配置用于在整個部署壽命內(nèi)購買替代品，從而簡化并降低與庫存、支持和介質(zhì)維護以及大規(guī)模部署相關(guān)的成本。
　　數(shù)字標志示例：與上一代的嵌入式系統(tǒng)不可同日而語
　　隨著基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序和服務(wù)（包括云計算的出現(xiàn)）的持續(xù)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(tǒng)正在用于高度交互、高度連接、視覺模擬以及在許多情況高度移動的應(yīng)用程序中。
　　數(shù)字標志應(yīng)用程序是嵌入式系統(tǒng)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需求，在任何地方都能發(fā)現(xiàn)它們的身影，包括學(xué)校、機場、大型購物中心和酒店等等。
　　數(shù)字標志系統(tǒng)的尺寸和功能集可能千差萬別，但通常具有以下共性：
　　（1） 一個媒體播放器，能播放預(yù)先錄制的或?qū)崟r視頻（通常為高清）、flash 動畫、2D/3D 圖形、text ticker、Microsoft? PowerPoint 文件、RSS feed、基于網(wǎng)絡(luò)的最新內(nèi)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型，如 VGA、LVDS、DVI 和 HDMI 等等。
　　（3） 聯(lián)網(wǎng)功能，包括 WiFi 和 LAN：許多設(shè)備單獨操作，但大部分通常聯(lián)網(wǎng)到一臺管理內(nèi)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驅(qū)動器。