為什么工業(yè)領域ARM處理器必然超越X86？

作者：ZLG致遠電子時間：2017-12-01 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　工業(yè)4.0快速發(fā)展，ARM處理器的應用也越來越廣泛，是什么讓ARM處理器在工業(yè)領域分掉X86的那杯羹呢?

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201712/372405.htm

　　從51單片機到ARM處理器，嵌入式微控制領域不斷更替交疊，伴隨而來的是技術的不斷發(fā)展和生產(chǎn)力水平的不斷提高。

　　目前在工業(yè)控制系統(tǒng)中大量應用了嵌入式ARM，如工業(yè)過程控制、電力系統(tǒng)、石油化工、數(shù)控機床等，ARM嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展促進了工業(yè)控制自動化程度的提高。

　　圖 1 ARM的廣泛應用

　　多方業(yè)內(nèi)人士表示，ARM會是趨勢，未來嵌入式市場可能會形成中高端會是X86主導，低端由ARM的產(chǎn)品蠶食的雙雄格局。

　　但你知道ARM和X86架構(gòu)是什么嗎，有什么區(qū)別，你能清楚的表述出嗎?

　　大學一本《微機原理和接口技術》教會了我們什么是CPU——中央控制器，它是一個執(zhí)行部件，它之所以能執(zhí)行，也是因為人們在里面制作了執(zhí)行各種功能的硬件電路，然后再用一定的邏輯讓它按照一定的順序工作，這樣就能完成人們給它的任務。

　　所以它主要由運算單元、控制單元、寄存單元三部分組成，從字面意思看運算單元就是起著運算的作用，控制單元就是負責發(fā)出CPU每條指令所需要的信息，寄存單元就是保存運算或者指令的一些臨時文件，這樣可以保證更高的速度。

　　圖 2 CPU內(nèi)部架構(gòu)和工作原理

　　CPU的速度和功率效率是至關重要的。速度影響用戶體驗，而效率影響電池壽命。最完美的設備是高性能和低功耗相結(jié)合。

　　從CPU發(fā)明到現(xiàn)在，有多種架構(gòu)，從最基本的邏輯角度來分類的話，它們可以被分為兩大類，即“復雜指令集”與“精簡指令集”系統(tǒng)，而X86和ARM處理器的第一個區(qū)別是，前者使用復雜指令集(CISC)，而后者使用精簡指令集(RISC)。

　　表 1 CISC與RISC對比表

　　網(wǎng)上有個有趣的例子來說明兩者的不同。比如說我們要命令一個人吃飯，那么我們應該怎么命令呢?

　　我們可以直接對他下達“吃飯”的命令，也可以命令他“先拿勺子，然后舀起一勺飯，然后張嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。

　　從這里可以看到，對于命令別人做事這樣一件事情，不同的人有不同的理解，有人認為，如果我首先給接受命令的人以足夠的訓練，讓他掌握各種復雜技能(即在硬件中實現(xiàn)對應的復雜功能)，那么以后就可以用非常簡單的命令讓他去做很復雜的事情——比如只要說一句“吃飯”，他就會吃飯。

　　但是也有人認為這樣會讓事情變的太復雜，畢竟接受命令的人要做的事情很復雜，如果你這時候想讓他吃菜怎么辦?難道繼續(xù)訓練他吃菜的方法?

　　我們?yōu)槭裁床豢梢园咽虑榉譃樵S多非?；镜牟襟E，這樣只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同樣的工作，無非是下達命令的人稍微累一點——比如現(xiàn)在我要他吃菜，只需要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”，問題就解決了，多么簡單。

　　這就是“復雜指令集”和“精簡指令集”的邏輯區(qū)別。

　　而作為ARM與X86在嵌入式市場對決的主戰(zhàn)場，在工業(yè)4.0中哪個有更有優(yōu)勢呢?

　　圖 3 (此圖無題注)

　　1. 運算性能：

　　X86架構(gòu)的工業(yè)電腦比ARM架構(gòu)的工業(yè)電腦在性能方面要快，綜合運算能力強，但由于不具有實時系統(tǒng)，無法做到快速零啟動;

　　ARM的優(yōu)勢在于效率，在完成綜合性工作處于劣勢，而ARM可快速啟動進入狀態(tài)，在任務相對固定的工業(yè)應用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。

　　2. 操作系統(tǒng)兼容性：

　　幾乎所有X86硬件平臺都可以直接使用微軟的視窗系統(tǒng)及現(xiàn)在流行的幾乎所有工具軟件，所以X86系統(tǒng)在兼容性方面具有無可比擬的優(yōu)勢;

　　ARM幾乎都采用Linux的操作系統(tǒng)，而且?guī)缀跛械挠布到y(tǒng)都要單獨構(gòu)建自己的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導致其應用軟件不能方便移植，也制約了ARM的發(fā)展和應用;

　　3. 系統(tǒng)安全性：

　　這是由于Windows軟件平臺的高兼容性，軟件病毒容易侵入，引起電腦藍屏或者死機，危害系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全;

　　而linux系統(tǒng)作為開放源代碼構(gòu)架，用戶可以找出自己系統(tǒng)所存在的安全問題，并采取相應的防范措施以應對潛在的安全威脅;

　　圖 4 windows系統(tǒng)遭受勒索病毒

　　圖 5 linux用戶及時更新補丁

　　4. 系統(tǒng)功能

　　X86硬件資源一般不接受客戶個性化定制，定制化程度低，多作為整機銷售，容易為客戶造成接口資源浪費;

　　嵌入式ARM產(chǎn)品多為定制化產(chǎn)品，可根據(jù)客戶具體需求開放接口資源，為用戶提供更合適優(yōu)質(zhì)的方案;

　　圖 6 X86工控機資源豐富，功能裁剪耗費精力，造成資源浪費

　　圖 7 ARM豐富的接口資源，定制化程度高

　　5. 二次開發(fā)

　　X86硬件多為高速信號，各種接口工控擴展需要復雜的電路設計及高難度的PCB設計，硬件的高度集成，導致擴展電路復雜難懂，穩(wěn)定性難以保證;

　　ARM硬件設計簡單，CPU集成多種接口功能，設計開發(fā)難度低，常規(guī)電子工程師就能完成ARM工控板的二次開發(fā)，穩(wěn)定性高。

　　6. 生產(chǎn)工藝

　　X86主頻高、高頻信號多、而工業(yè)現(xiàn)場對電磁兼容性、電磁干擾要求較苛刻。高頻信號同時導致功耗較大，進而對生產(chǎn)工藝提出高要求，目前如奔騰 4 的晶體管數(shù)超過四千萬，生產(chǎn)上也需采用最先進的 0.13 微米工藝，只有Intel 等少數(shù)公司有這樣的設計和生產(chǎn)能力;

　　ARM的架構(gòu)功能簡單，EMC保護等級較高，對半導體生產(chǎn)工藝的要求較低，多數(shù)不必采用最先進、昂貴的半導體工藝，解決了國內(nèi)半導體生產(chǎn)能力的問題。

　　7. 工業(yè)品質(zhì)

　　X86工控機主要領域為商用和家用行業(yè)，相對于民用來講，工業(yè)控制對嵌入式系統(tǒng)各方面的要求相對較高，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場可能是高溫、高壓、易燃易爆、高噪音、高電磁輻射、帶有腐蝕性氣體或液體等的極其惡劣的環(huán)境，若處理不當或不及時，隨處隱藏著可以釀成重大安全事故的隱患，如下圖 9所示：

　　致遠電子精心推出的ARM核心板和工控整板都是完全符合工業(yè)級要求，工作溫度可在-40℃-﹢85℃，在高溫高壓密封容器、高速運轉(zhuǎn)機器、高強度作業(yè)機械等領域得到了事實驗證。