如何為您的下一個應用程序選擇嵌入式系統(tǒng)

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(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；認識到當前嵌入式技術(shù)發(fā)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(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(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于這些應用程序：

　?。?）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)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(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(tǒng)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(jù) 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(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(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(gòu)提供針對特定嵌入式應用程序的性能級別，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)行一些苛刻的應用程序和后臺任務。由于嵌入式系統(tǒng)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(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  安裝一個新的設備驅(qū)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(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；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：

　　（1）系統(tǒng)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(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(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(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?？捎脮r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)的應用程序和服務（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用程序中。

　　數(shù)字標志應用程序是嵌入式系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)它們的身影，包括學校、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：

　?。?） 一個媒體播放器，能播放預先錄制的或?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。

　?。?） 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(nèi)容和軟件更新的集中服務器。

　?。?）用于媒體播放列表的本地存儲的硬盤驅(qū)動器。

圖1 典型嵌入式數(shù)字標志播放器的方框圖

　　使用壽命規(guī)劃和 TCO 密切相關(guān)，使用壽命規(guī)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(guī)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(shù)字標志部署中的嵌入式系統(tǒng)解決方案之間對比 TCO。在使用壽命規(guī)劃流程中考慮的一些主要因素：

　?。?） 要部署什么類型的系統(tǒng)？

　　（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(tǒng)可用和得到支持的時間？

　　（4）軟件是否需要更新，頻率如何？

　?。?） 部署的規(guī)模是否隨著時間的推移更改？

　?。?） 每套系統(tǒng)的主要組件的預計故障率如何？

　　一旦完成使用壽命規(guī)劃流程（或至少做出主要決策），即可考慮每個系統(tǒng)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(tǒng)的采購成本

　?。?）要保持在庫存中的附加系統(tǒng)的采購和儲運成本

　?。?） 基于每套系統(tǒng)功耗的能源成本（根據(jù)使用型號確定）

　　（4） 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(tǒng)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(shù)字標志系統(tǒng)組成的相對小規(guī)模網(wǎng)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(shù)字標志環(huán)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(huán)境中  24/7 操作。典型數(shù)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(qū)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(wǎng)絡帶寬或內(nèi)容授權(quán)費用。

　　注 3：根據(jù)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(tǒng)的功耗理論為  190w（150w 用于系統(tǒng)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(tǒng)功耗理論為  66w（60w 用于系統(tǒng)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)品服務的演進 – 2009 年 4 月。發(fā)現(xiàn)服務派遣的平均費用為 276 美元。

　　第 1 年年底，基于 PC 的系統(tǒng)由于故障將更換 10 臺設備，而嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)，并且目前必須在網(wǎng)絡中支持 3 種獨特的硬件/軟件配置。相反，對于嵌入式系統(tǒng)，由于故障只需更換 15  套系統(tǒng)，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(xiàn)在只包含其原始系統(tǒng)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(tǒng)的 75%，所有系統(tǒng)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(nèi)可提供的潛在成本節(jié)省：　　

圖 4：100 套基于 PC 的數(shù)字標志系統(tǒng)和 100 套基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字標志系統(tǒng)的網(wǎng)絡之間的簡化年成本對比。

圖 5：100 套基于 PC 的數(shù)字標志系統(tǒng)和 100 套基于嵌入式數(shù)字標志系統(tǒng)的網(wǎng)絡之間的累計成本對比表明，嵌入式系統(tǒng)的 TCO 最早從第 2 年開始下降，并在 5 年后實現(xiàn)節(jié)約超過 49，000 美元。

　　您可以看到，嵌入式系統(tǒng)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(guān)管理和支持多種配置的費用計算在內(nèi)，以及 PC 在連續(xù)工作 5 年后日益提高的故障率，嵌入式系統(tǒng)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 最近從擁有晶圓過渡為一家運營的無晶圓半導體公司。實際上，AMD 現(xiàn)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(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新方面，包括高價值的嵌入式產(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，同時設計和交付先進的圖形技術(shù)，允許您為客戶提供創(chuàng)新和與眾不同的產(chǎn)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(shù)、產(chǎn)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：

　?。?） 確保嵌入式應用程序要求完全“符合”AMD  中的總體產(chǎn)品規(guī)劃和開發(fā)流程。在集中規(guī)劃流程中構(gòu)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高性能/低功耗的 CPU 和 GPU  內(nèi)核、芯片集以及為其他市場開發(fā)的其他 I/O 模塊。AMD 目前為嵌入式市場提供廣泛的產(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(zhuǎn)換到開發(fā)流程的前端，努力緩解下游系統(tǒng)集成問題造成的更多負擔。專注于合作并支持關(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，在后端實現(xiàn)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)合作伙伴和客戶協(xié)作的位置以確保成功。

圖 6：嵌入式市場多級價值鏈

　　（3） 通過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)品的長期可用性。AMD  已在我們的路線圖上為嵌入式產(chǎn)品規(guī)劃了 7  年可用性，并與客戶和開發(fā)合作伙伴攜手，確保包括主板、軟件、系統(tǒng)和平臺在內(nèi)的整個生態(tài)系統(tǒng)也支持擴展的可用性。

　?。?） 通過創(chuàng)新架構(gòu)、高度集成向上推進性能，向下驅(qū)動功耗，同時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(jié)

　　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，為長期使用壽命的應用程序提供低風險和卓越的 TCO。

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