如何為您的下一個應用程序選擇嵌入式系統 - 全文

　　電子發燒友網核心提示：本文重點闡述了部分工程師對嵌入式平臺的一些常見誤會和誤解；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發生的重要演進；告訴大家如何給自己的下一個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都會繼續為某些類型的嵌入式應用程序選擇標準 PC平臺。盡管過去標準 PC 的確擁有一些勝過定制設計的嵌入式平臺的優勢，特別是對于那些以較低的費用而需要“類似 PC”的性能和能力的應用程序。嵌入式解決方案的前景發生了翻天覆地的變化，一切只為更好地服務于這些應用程序：

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

　　（2）在嵌入式應用程序中開發典型的商用 PC，與之關聯的隱性使用壽命管理費用并非始終為人所知。在這種充滿挑戰的全球經濟環境中，系統集成商面對日益增長的壓力，以降低成本、加快上市時間（TTM），在實現利潤最大化的同時降低風險。本文探索了商用 PC 平臺在嵌入式應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用程序選擇嵌入式系統提供的卓越之選。

　　簡介

　　嵌入式是IDC預測的一個巨大市場，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% 都是嵌入其他類型的電子設備，并且到 2020年，將有超過400 億臺的嵌入式設備。

　　當今嵌入式平臺的誤會和誤解

　　至關重要的是通過澄清有關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的重要演進。

　　誤會 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。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”）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。今天生產的許多設備具備多核、快速專用的 2D 和 3D 顯卡以及支持多種高清視頻流的硬件。這些設備的架構提供針對特定嵌入式應用程序的性能級別，并經過高度優化，提供勝過傳統 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，以及并發執行一些苛刻的應用程序和后臺任務。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，而不會影響用戶體驗。一個有限的應用程序組還允許嵌入式系統運行為其專門構造的操作系統，例如 Windows Embedded（及其所有衍生產品）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，能通過構建匹配嵌入式硬件，但這卻意味著產生的“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、資源和驅動程序。嵌入式操作系統也“更單薄”，這意味著應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 安裝一個新的設備驅動程序都會顯著提高其運行一個特定應用程序的性能（特別是圖形密集的應用程序）。這是軟件的多個層駐留在應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 一直是嵌入式系統市場的開放系統架構冠軍。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）一直吸引著業界最大的廠商，并在嵌入式系統技術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，例如建立簡化開發工具創建的標準；實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 用于硬件驅動；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；而DDR2/3 SD RAM 用于系統內存。PC 技術的這些適應性配合特定嵌入式技術標準的進步實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化。

　　誤會 3：嵌入式系統不是 x86，會增加開發成本和 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份額，基于 x86 的處理器將從成本批量發運的層面主導嵌入式市場。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發 PC 存在隱藏的成本，會讓它們在使用壽命更長的應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。

　　嵌入式系統的重要優勢

　　如上文提到的，在規劃系統開發時，無論尺寸如何，不只看到硬件和軟件的初始成本非常重要，還要看到持續的操作費用，它在整個開發壽命中占據 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期的出色價值：

　　（1）系統可靠性：因為嵌入式應用程序擁有長期使用壽命并且通常需要系統在嚴酷的環境（包括高溫環境）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，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），預計壽命達到 16,000 個小時或連續（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，預計壽命達到 64,000 個小時或連續（24x7x365）工作壽命超過 7 年。換言之，將電容的額定溫度提高 20℃，會將其預期壽命降低 4 倍。盡管看起來無關緊要，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，以降低設備故障的可能性以及可能的主板故障。

　　（2）功耗：低功耗始終勝過高功耗，但不只是節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，關鍵組件的低功耗會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，同時提高如上所述的系統壽命。低功耗通常不再需要風扇，讓系統更安靜地運行、實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還緩解了軟件工程師的負擔，讓他們為管理系統功耗進行更多的開發成熟應用程序和技巧的任務。

　　（3）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更改數次，需要預先購買附加系統，或產生在整個部署壽命內支持和保持多種系統配置的額外費用。而嵌入式系統的長期可用性允許一種系統配置用于在整個部署壽命內購買替代品，從而簡化并降低與庫存、支持和介質維護以及大規模部署相關的成本。

　　數字標志示例：與上一代的嵌入式系統不可同日而語

　　隨著基于互聯網的應用程序和服務（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、視覺模擬以及在許多情況高度移動的應用程序中。

　　數字標志應用程序是嵌入式系統日益普及的不錯例子。服務于教育、零售和接待等廣泛的市場需求，在任何地方都能發現它們的身影，包括學校、機場、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別，但通常具有以下共性：

　　（1）一個媒體播放器，能播放預先錄制的或實時視頻（通常為高清）、flash 動畫、2D/3D 圖形、text ticker、Microsoft? PowerPoint 文件、RSS feed、基于網絡的最新內容和視頻等等。

　　（2）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）聯網功能，包括 WiFi 和 LAN：許多設備單獨操作，但大部分通常聯網到一臺管理內容和軟件更新的集中服務器。

　　（4）用于媒體播放列表的本地存儲的硬盤驅動器。

　　
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，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（并且曾有廣泛的著述），我們將在本文中使用一個簡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：

　　（1）要部署什么類型的系統？

　　（2）預計整套部署存在和得到支持的時間（即“使用壽命”）？

　　（3）考慮每套系統可用和得到支持的時間？

　　（4）軟件是否需要更新，頻率如何？

　　（5）部署的規模是否隨著時間的推移更改？

　　（6）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），即可考慮每個系統解決方案的預計 TCO。要計算 TCO，必須考慮以下各項：

　　（1）主要系統的采購成本

　　（2）要保持在庫存中的附加系統的采購和儲運成本

　　（3）基于每套系統功耗的能源成本（根據使用型號確定）

　　（4）支持費用，包括技術支持、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）

　　（5）由于修理或更換故障系統造成的停機成本

　　下面是一個嵌入式應用程序部署的示例，包含 100 個數字標志系統組成的相對小規模網絡。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境中進行可靠 24/7 操作設計的嵌入式廠商解決方案，而典型 PC 沒有設計在這種相同的環境中 24/7 操作。典型數字標志環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。實際故障率可能存在差異。

　　注 2：單價只反映廠商硬件的典型成本，不包括顯示屏、軟件、網絡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，遠程產品服務的演進 – 2009 年 4 月。發現服務派遣的平均費用為 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 個月的不可用性總計要更換 30 套系統，并且目前必須在網絡中支持 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 介紹簡化的成本對比，并示范嵌入式解決方案在 5 年時間內可提供的潛在成本節省：　　

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絡之間的簡化年成本對比。

　

　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絡之間的累計成本對比表明，嵌入式系統的 TCO 最早從第 2 年開始下降，并在 5 年后實現節約超過 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。當您開始將有關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的產品？

　　AMD 最近從擁有晶圓過渡為一家運營的無晶圓半導體公司。實際上，AMD 現在是全球第 3 大無晶圓半導體公司。這允許 AMD 將更多力量集中在技術和產品創新方面，包括高價值的嵌入式產品，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行業標準 x86 微處理器的唯一一家公司，同時設計和交付先進的圖形技術，允許您為客戶提供創新和與眾不同的產品。AMD 承諾其服務于嵌入式市場的客戶長期取得成功，并在日常基礎上通過提供技術、產品、服務和支持的獨特組合展示這種承諾，允許客戶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。交付手段：

　　（1）確保嵌入式應用程序要求完全“符合”AMD 中的總體產品規劃和開發流程。在集中規劃流程中構建嵌入式要求，允許產生的嵌入式產品充分利用當前的先進高性能/低功耗的 CPU 和 GPU 內核、芯片集以及為其他市場開發的其他 I/O 模塊。AMD 目前為嵌入式市場提供廣泛的產品組合，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。

　　（2）對產品使用壽命的前端投入巨資。AMD 擁有世界范圍的支持組織，專注于滿足嵌入式客戶的獨特需求。通過在解決方案到達 OEM 和/或 ISV 之前將集成工作轉換到開發流程的前端，努力緩解下游系統集成問題造成的更多負擔。專注于合作并支持關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的設計，在后端實現最大可靠性和最低的支持成本。下面的圖 6 介紹 AMD 支持并且與技術合作伙伴和客戶協作的位置以確保成功。

　　
圖 6：嵌入式市場多級價值鏈