嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)比通用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)有更多的限制，因?yàn)?a href="http://m.makelele.cn/soft/data/21-22/" target="_blank">嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的要求根本不同。出于成本、可靠性、熱管理、支持和生命周期的原因，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一切都必須保持簡(jiǎn)單。由于這些限制，嵌入式系統(tǒng)很少有應(yīng)急儲(chǔ)備，性能升級(jí)通常僅限于處理模塊更換?？偟膩?lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)需要處理器和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。多核處理器的擴(kuò)展性能很少是一種選擇。它是可用的，但通常保留給更高端的系統(tǒng)。

這即將改變。新興的多核處理器平臺(tái)通過(guò)解決和消除許多傳統(tǒng)的嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì)限制，正在改寫(xiě)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)則。以下討論描述了新工藝和節(jié)能技術(shù)如何在不影響或違反嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則的情況下，使更靈活、更強(qiáng)大的多核處理器能夠在嵌入式平臺(tái)中使用。

提高性能和效率

最近的技術(shù)發(fā)展為嵌入式計(jì)算提供了許多好處。首先，處理器設(shè)計(jì)不再僅僅關(guān)注時(shí)鐘速度的顯著提高。它還在考慮提高效率、降低功耗和更強(qiáng)大的集成圖形性能——嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和硬件供應(yīng)商聽(tīng)的所有音樂(lè)。

半導(dǎo)體工藝技術(shù)現(xiàn)在已降至 22 nm，由于在分子水平上傳輸距離更短，這提高了效率，但也接近了平面晶體管設(shè)計(jì)可能達(dá)到的物理極限。因此，市場(chǎng)現(xiàn)在看到了向 3D 工藝技術(shù)的轉(zhuǎn)變，它為電子的傳播提供了更大的表面積，解決了泄漏問(wèn)題，并允許快速切換。

所有這些都有助于在相同性能水平下降低功耗（或在相同消耗水平下提高性能）。從本質(zhì)上講，從 2D 到 3D 晶體管的轉(zhuǎn)變將使摩爾定律（該定律指出，可以放置在集成電路中的晶體管數(shù)量每 18 個(gè)月翻一番）在未來(lái)幾年內(nèi)仍然有效。借助現(xiàn)代工藝技術(shù)，用戶(hù)將看到最新一代多核處理器在相同時(shí)鐘速度下的 CPU 性能提高 15%。

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，同樣重要的是集成圖形引擎不斷提高的性能。過(guò)去，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只有兩種選擇：以額外的成本和復(fù)雜性添加獨(dú)立的外部圖形子系統(tǒng)，或者使用處理器集成圖形的適度性能。

隨著最新一代多核處理器的出現(xiàn)，這種情況正在發(fā)生變化，這些處理器包括更多更快的執(zhí)行單元，從而大大提高了 3D 性能和轉(zhuǎn)碼速度。這些多核處理器還支持最新版本的 Microsoft DirectX，以及 OpenGL、OpenCL 和其他圖形標(biāo)準(zhǔn)。因此，嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在可以處理更高的數(shù)據(jù)負(fù)載，并在多個(gè)獨(dú)立顯示器上提供更快、更豐富和更復(fù)雜的視覺(jué)效果。盡管工藝技術(shù)發(fā)生了變化，但芯片制造商越來(lái)越多地在插槽和引腳級(jí)別上提供與前幾代產(chǎn)品的交叉兼容性，從而允許在不增加設(shè)計(jì)成本的情況下升級(jí)芯片和/或芯片組。

使能技術(shù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)

除了提供先進(jìn)的工藝技術(shù)和具有更高性能的集成子系統(tǒng)之外，當(dāng)今的多核處理器還配備了多種支持技術(shù)，為改進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)打開(kāi)了大門(mén)。

首先是可擴(kuò)展熱設(shè)計(jì)功率 （TDP） 的新興可用性，它測(cè)量設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)必須消散的最大功率。過(guò)去，TDP 是靜態(tài)的，任何給定的設(shè)計(jì)都必須在熱方面處理最大的熱量輸出。英特爾最近向移動(dòng)處理器引入了可擴(kuò)展的 TDP，因此如果有額外的冷卻，可以增加 TDP；如果可用的較少，則可以對(duì)其進(jìn)行限制。這為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了相當(dāng)大的設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)楦呒?jí)功能和性能儲(chǔ)備可以擴(kuò)展到低、中和高功率封裝。

第二個(gè)主要特點(diǎn)是在現(xiàn)代多核處理器中改進(jìn)集成顯卡的趨勢(shì)。這在歷史上一直是集成圖形芯片的一個(gè)弱點(diǎn)，并且通常使離散圖形成為專(zhuān)門(mén)的嵌入式計(jì)算應(yīng)用程序所必需的。最新的設(shè)計(jì)提供了更多更強(qiáng)大的執(zhí)行單元，以及大量的架構(gòu)性能改進(jìn)和特定于圖形的緩存。

在芯片組方面，更多的多核處理器整合了原生 USB 3.0 和 PCI Express 3.0 支持。這意味著經(jīng)常困擾低功耗系統(tǒng)的吞吐量瓶頸將成為過(guò)去。

嵌入式設(shè)計(jì)的基本原則

為了了解這些進(jìn)步將如何影響嵌入式計(jì)算以及向更強(qiáng)大的多核處理器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變，讓我們研究一下傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則以及現(xiàn)代多核平臺(tái)如何影響它們。

目標(biāo)績(jī)效

與性能越多越好的通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)為執(zhí)行狹義定義的任務(wù)，這些任務(wù)在系統(tǒng)的生命周期內(nèi)不會(huì)改變。從好的方面來(lái)說(shuō)，這使設(shè)計(jì)人員能夠以不超過(guò)熱限制的最少硬件精確匹配組件性能與工藝要求。不利的一面是，選擇可以完成工作的最簡(jiǎn)單的處理器沒(méi)有任何保留，并且通常需要添加外部功能。新興的 22 nm 多核處理器有助于滿(mǎn)足熱限制，提供功率儲(chǔ)備，并確保 CPU 和芯片組中的高級(jí)功能不斷增加。

簡(jiǎn)單

由于它們專(zhuān)注于定義明確的任務(wù)，嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上比通用計(jì)算系統(tǒng)更簡(jiǎn)單。從好的方面來(lái)說(shuō)，這使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠最大限度地簡(jiǎn)化簡(jiǎn)單性，并遠(yuǎn)離不必要的硬件和軟件復(fù)雜性。不利的一面是，隨著嵌入式系統(tǒng)要求變得越來(lái)越復(fù)雜，當(dāng)必須添加外部子系統(tǒng)時(shí)，那些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)也會(huì)變得復(fù)雜。一個(gè)典型的例子是添加獨(dú)立的外部圖形子系統(tǒng)，提供基本集成設(shè)計(jì)根本無(wú)法產(chǎn)生的圖形性能。借助最新的多核處理器，工業(yè)級(jí)顯卡現(xiàn)已成為封裝的一部分。

熱約束

在大多數(shù)嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，管理熱量很重要。熱應(yīng)力是系統(tǒng)故障的主要原因之一，在必須在極端溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)中尤為重要。此外，在選擇主動(dòng)式和被動(dòng)式熱冷卻系統(tǒng)時(shí)，還會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生重大影響。同樣，復(fù)雜性是敵人，任何機(jī)械（例如基于風(fēng)扇的冷卻）都可能而且將會(huì)失敗。新的 22 nm 工藝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的性能和功能，同時(shí)保持在大多數(shù)熱設(shè)計(jì)限制范圍內(nèi)。

可靠性

與通用計(jì)算系統(tǒng)不同，許多嵌入式系統(tǒng)不易進(jìn)行檢查和維護(hù)。同時(shí)，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)對(duì)正常運(yùn)行時(shí)間的要求比通用系統(tǒng)要嚴(yán)格得多；24/7/365 正常運(yùn)行時(shí)間通常是必須的。同樣，通過(guò)消除盡可能多的可能故障點(diǎn)來(lái)最小化復(fù)雜性是主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這里，可配置 TDP 和組件集成等現(xiàn)代多核技術(shù)通過(guò)減少外部故障點(diǎn)重新定義了規(guī)則。

延長(zhǎng)生命周期

雖然消費(fèi)計(jì)算產(chǎn)品可以接受快速過(guò)時(shí)，但嵌入式系統(tǒng)的生命周期要長(zhǎng)得多，通常為 3-5 年，甚至更多。這主要是由于底層解決方案物流的固有壽命；例如，ATM 或游戲系統(tǒng)的工作方式可能在幾年內(nèi)都不會(huì)改變。然而，系統(tǒng)負(fù)載經(jīng)常會(huì)因增加的軟件功能或需要升級(jí) CPU 模塊的特性而發(fā)生變化。新興的多核模塊可以擁有更大的性能儲(chǔ)備，從而降低升級(jí)頻率。

采用最新多核處理器技術(shù)的嵌入式板的一個(gè)示例是研華的 SOM-5892（圖 1），這是一種 COM Express 基本 CPU 模塊，可配置標(biāo)準(zhǔn)、低壓和超低壓移動(dòng) Core i3、i5 ，以及帶有集成英特爾高清顯卡和新移動(dòng)英特爾 QM77 Express 芯片組的 i7 處理器。SOM-5892 支持多種 I/O，包括七個(gè) PCI Express x1、一個(gè) PCI Express x16、兩個(gè) 300 MBps 和兩個(gè) 600 MBps SATA 通道、八個(gè) USB 2.0、四個(gè) USB 3.0、8 位 GPIO、高清音頻和一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，以及兩個(gè) SODIMM 插槽中高達(dá) 16 GB 的 DDR3 或 DDR3L RAM。

堅(jiān)持設(shè)計(jì)原則

一類(lèi)新的功能強(qiáng)大、功能豐富但超高效的多核處理器正在帶來(lái)更強(qiáng)大的性能和功能，而不會(huì)違反上述基本嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的影響是巨大的，嵌入式供應(yīng)商及其客戶(hù)現(xiàn)在強(qiáng)烈傾向于多核系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷