如何为您的下一个应用程序选择嵌入式系统 - 全文

　　电子发烧友网核心提示：本文重点阐述了部分工程师对嵌入式平台的一些常见误会和误解；在此基础上提出了正确的讨论框架；明确区分今天的嵌入式解决方案和 5 年或 10 年前那些方案的不同之处；认识到当前嵌入式技术发生的重要演进；告诉大家如何给自己的下一个应用程序选择嵌入式系统。

　　摘要

　　众所周知，许多系统集成商和最终用户都会继续为某些类型的嵌入式应用程序选择标准 PC平台。尽管过去标准 PC 的确拥有一些胜过定制设计的嵌入式平台的优势，特别是对于那些以较低的费用而需要“类似 PC”的性能和能力的应用程序。嵌入式解决方案的前景发生了翻天覆地的变化，一切只为更好地服务于这些应用程序：

　　（1）嵌入式系统技术和设计的演进包括基于标准的界面和平台的扩展、配合 CPU 的快速发展、并且以图形性能弥补与 PC之间的差距。

　　（2）在嵌入式应用程序中开发典型的商用 PC，与之关联的隐性使用寿命管理费用并非始终为人所知。在这种充满挑战的全球经济环境中，系统集成商面对日益增长的压力，以降低成本、加快上市时间（TTM），在实现利润最大化的同时降低风险。本文探索了商用 PC 平台在嵌入式应用程序中使用时的隐藏费用，以及今天的嵌入式平台，如 AMD 启用的那些，是您为自己的下一个高端嵌入式应用程序选择嵌入式系统提供的卓越之选。

　　简介

　　嵌入式是IDC预测的一个巨大市场，到 2015 年底全球收入将增长到 2 万6 千亿美元，并且 CAGR 将达到10%。大部分人没有认识到 PC 只占当前使用的所有计算设备的约2%。据 Artemis Embedded Computing Systems Initiativeii 估计，今天所有计算设备中的 98% 都是嵌入其他类型的电子设备，并且到 2020年，将有超过400 亿台的嵌入式设备。

　　当今嵌入式平台的误会和误解

　　至关重要的是通过澄清有关嵌入式平台的一些常见误会和误解以便提出正确讨论框架。要达到这样的目的，我们首先需要明确区分今天的嵌入式解决方案和 5 年或 10 年前那些方案的不同之处，并认识到当前嵌入式技术的重要演进。

　　误会 1：与相当一部分嵌入式系统相比，PC 始终拥有更高的性能（特别是在图形和视频密集的应用程序中）。

　　今天的主流 PC 处理子系统（CPU、图形和视频）具有高 MHz、多核、大缓存、快速广泛的系统总线。尽管目前大部分 PC 的确能在运行 PC 应用程序和基准方面击败嵌入式平台，但问题是您真正需要多少性能，以及您真正需要何种性能？并且在尺寸和功耗方面，您准备为性能水平支付怎样的价格？在今天众多嵌入式应用程序向着更加交互、连接和多媒体丰富的使用情况（即“智能系统”）演进的同时，嵌入式 CPU 和 GPU 日益紧跟这些不断增长的性能需求。今天生产的许多设备具备多核、快速专用的 2D 和 3D 显卡以及支持多种高清视频流的硬件。这些设备的架构提供针对特定嵌入式应用程序的性能级别，并经过高度优化，提供胜过传统 PC 的每美元和每瓦特的卓越性能。

　　操作系统还在系统性能中扮演重要的角色。今天的主流 PC 需要额外的马力和系统内存才能有效运行 Windows®或 Linux® 操作系统，以及并发执行一些苛刻的应用程序和后台任务。由于嵌入式系统通常拥有一组需要它们运行的预先定义的应用程序，所以硬件的总体性能要求通常低于一台 PC，而不会影响用户体验。一个有限的应用程序组还允许嵌入式系统运行为其专门构造的操作系统，例如 Windows Embedded（及其所有衍生产品）和 Embedded Linux。尽管这些操作系统完全具有特征，它们也可用作组成软件包，能通过构建匹配嵌入式硬件，但这却意味着产生的“图像”只包含支持特定硬件配置和有限应用程序组所需的模块、资源和驱动程序。嵌入式操作系统也“更单薄”，这意味着应用程序拥有更多的直接控制力以及对硬件的更快访问，可对总体系统性能做出重大贡献。想象一下任何时候为 PC 安装一个新的设备驱动程序都会显著提高其运行一个特定应用程序的性能（特别是图形密集的应用程序）。这是软件的多个层驻留在应用程序之间以及典型 PC 中的硬件会影响性能和用户体验的一个范例。

　　误会 2：嵌入式系统缺乏确保兼容性、互操作性和可升级性的标准

　　自 1982 年 VMEbus Manufacturers Group 成立（2005 年更名为 VITA）以来，VITA 一直是嵌入式系统市场的开放系统架构冠军。随后是 PC/104 Embedded Consortium（1992）、PCI Industrial ComputerManufacturers Group（PICMG）（1994）、Khronos Group（2000）、Embedded Linux Consortium（2000），以及更多最近的实体，例如 Small Form Factor Special Interest Group（2007），ProSE（欧洲Standards Working Group of ARTEMIS 推进的一项计划，建立于 2008 年）一直吸引着业界最大的厂商，并在嵌入式系统技术的方方面面推动开放标准。尽管许多这些实体（或它们的子协会）都有明确的市场（例如消费品、仪器和汽车），但它们却拥有共同的目标，例如建立简化开发工具创建的标准；实现更高性能和功能丰富的软件；改善系统的测试和耐用性；提高平台的可扩展性、可升级性和互操作性。

　　此外，用于基于 PC 的 CPU 架构迁移到嵌入式空间。今天许多高端嵌入式系统（主流是 x86）结合了众多 PC技术和界面标准，例如 OpenGL ES（OpenGL 的一个嵌入式版本）用于图形加速；SATA 用于硬件驱动；PCIe® 用于离散图形硬件和其他扩展功能；USB 用于外设；10/100base-T 用于以太网；而DDR2/3 SDRAM 用于系统内存。PC 技术的这些适应性配合特定嵌入式技术标准的进步实现了商用操作系统和应用程序更广泛的多样性，以便为嵌入式系统更轻松地迁移和优化。

　　误会 3：嵌入式系统不是 x86，会增加开发成本和 TTM。

　　尽管传统嵌入式 CPU 架构，例如 ARM 和 MIP，的确继续占有大部分市场份额，基于 x86 的处理器将从成本批量发运的层面主导嵌入式市场。此外，诸如 AMD 和 Microsoft 这样的公司，以及开放源代码 Linux（包括 Embedded Linux）正在推进成熟的和高水平开发工具的提高可用性，包括 Integrated Development Environments（IDE），以及帮助加快针对基于 x86 的 TTM 的技术支持。

　　误会 4：嵌入式解决方案始终比基于 PC 的相当解决方案昂贵。

　　尽管对比某些商用现成 PC 解决方案的初始成本的确是这样，但重要的是考虑已开发解决方案使用寿命的总体所有权成本（TCO）。为嵌入式应用程序开发 PC 存在隐藏的成本，会让它们在使用寿命更长的应用程序中的成本效益更低，我们会在接下来深入探讨这一概念。

　　嵌入式系统的重要优势

　　如上文提到的，在规划系统开发时，无论尺寸如何，不只看到硬件和软件的初始成本非常重要，还要看到持续的操作费用，它在整个开发寿命中占据 TCO 的最大份额。这些成本是由许多因素造成的，而正确的嵌入式系统通常能提供长期的出色价值：

　　（1）系统可靠性：因为嵌入式应用程序拥有长期使用寿命并且通常需要系统在严酷的环境（包括高温环境）中操作，嵌入式系统通常采用额定温度/电压更高的组件。相反，商用 PC 系统设计通常采用温度/ 电压额定值更低的组件，因为那些组件价格低廉、容易使用并且通常适用 PC 的操作条件。任何电子设备的使用寿命都和其工作温度息息相关，并且通过在低于额定温度或电压条件下操作可显著提高使用寿命（即降额）。我们此处讨论的设备不限于“主要功能”，因为许多都是通用组件，通常大量使用，例如铝制电解旁路电容。比如，一个铝制电解旁路电容在 85℃的最不利情况保证的额定寿命为 2000 个小时，但在 55℃ 操作（通常在低于正常条件的 PC 主板上），预计寿命达到 16,000 个小时或连续（24x7x365）工作寿命接近 2 年。相反，一个电容在 105℃的最不利情况保证的额定寿命为 2000 个小时，但在 55℃ 操作，预计寿命达到 64,000 个小时或连续（24x7x365）工作寿命超过 7 年。换言之，将电容的额定温度提高 20℃，会将其预期寿命降低 4 倍。尽管看起来无关紧要，但这些电容在保持稳定的电压水平和抑制高速印刷电路板（PCB）设计的噪音方面非常关键。如果电容在低于额定温度的情况未能良好工作，那一块典型的主板很可能采用超过 100 个这样的电容，以降低设备故障的可能性以及可能的主板故障。

　　（2） 功耗：低功耗始终胜过高功耗，但不只是节约能源成本和提高电池寿命的显著原因。低功耗会带来许多其他好处，对于无心之人可能不那么显而易见。首先，关键组件的低功耗会让整套系统以更低的温度工作，让其余系统组件的压力更小，同时提高如上所述的系统寿命。低功耗通常不再需要风扇，让系统更安静地运行、实现更小的机箱并降低执行和支持成本。低功耗结合内置到硅自身中的能源管理技术还缓解了软件工程师的负担，让他们为管理系统功耗进行更多的开发成熟应用程序和技巧的任务。

　　（3） 长期可用性：PC 在特定的型号/配置中，通常可用时间为 9-12 个月。相反，许多嵌入式系统的可用时间为 5 年或更久。对于使用寿命为 5 年或更久的大型部署，PC 平台配置可能必须在该时间段内更改数次，需要预先购买附加系统，或产生在整个部署寿命内支持和保持多种系统配置的额外费用。而嵌入式系统的长期可用性允许一种系统配置用于在整个部署寿命内购买替代品，从而简化并降低与库存、支持和介质维护以及大规模部署相关的成本。

　　数字标志示例：与上一代的嵌入式系统不可同日而语

　　随着基于互联网的应用程序和服务（包括云计算的出现）的持续扩展，以及消费者需要丰富的多媒体体验，今天许多嵌入式系统正在用于高度交互、高度连接、视觉模拟以及在许多情况高度移动的应用程序中。

　　数字标志应用程序是嵌入式系统日益普及的不错例子。服务于教育、零售和接待等广泛的市场需求，在任何地方都能发现它们的身影，包括学校、机场、大型购物中心和酒店等等。

　　数字标志系统的尺寸和功能集可能千差万别，但通常具有以下共性：

　　（1） 一个媒体播放器，能播放预先录制的或实时视频（通常为高清）、flash 动画、2D/3D 图形、text ticker、Microsoft® PowerPoint 文件、RSS feed、基于网络的最新内容和视频等等。

　　（2） 支持多种灵活的显示配置和各种显示接头类型，如 VGA、LVDS、DVI 和 HDMI 等等。

　　（3） 联网功能，包括 WiFi 和 LAN：许多设备单独操作，但大部分通常联网到一台管理内容和软件更新的集中服务器。

　　（4）用于媒体播放列表的本地存储的硬盘驱动器。

　　
图1 典型嵌入式数字标志播放器的方框图

　　使用寿命规划和 TCO 密切相关，使用寿命规划流程和该流程中所作的决策直接影响 TCO。尽管使用寿命规划和TCO 计算本身就是巨大的主题（并且曾有广泛的著述），我们将在本文中使用一个简化的示例解释基本概念，以便在基于 PC 的解决方案和典型数字标志部署中的嵌入式系统解决方案之间对比 TCO。在使用寿命规划流程中考虑的一些主要因素：

　　（1） 要部署什么类型的系统？

　　（2）预计整套部署存在和得到支持的时间（即“使用寿命”）？

　　（3） 考虑每套系统可用和得到支持的时间？

　　（4）软件是否需要更新，频率如何？

　　（5） 部署的规模是否随着时间的推移更改？

　　（6） 每套系统的主要组件的预计故障率如何？

　　一旦完成使用寿命规划流程（或至少做出主要决策），即可考虑每个系统解决方案的预计 TCO。要计算 TCO，必须考虑以下各项：

　　（1）主要系统的采购成本

　　（2）要保持在库存中的附加系统的采购和储运成本

　　（3） 基于每套系统功耗的能源成本（根据使用型号确定）

　　（4） 支持费用，包括技术支持、维护、保险、更换和修理费用（注意由于引入了多种硬件和/或软件配置，这种情况可能变得非常复杂）

　　（5） 由于修理或更换故障系统造成的停机成本

　　下面是一个嵌入式应用程序部署的示例，包含 100 个数字标志系统组成的相对小规模网络。让我们对比使用基于标准商用 PC 解决方案和真正的嵌入式解决方案的解决方案，在操作前 5 年的部署和支持情况。

　　下面的表 1 显示我们在本例中使用的假设：

　　注 1：故障率假设基于为在典型的数字标志环境中进行可靠 24/7 操作设计的嵌入式厂商解决方案，而典型 PC 没有设计在这种相同的环境中 24/7 操作。典型数字标志环境通常包括封闭的机箱以阻止灰尘，并且安装在温度不受控制的区域。实际故障率可能存在差异。

　　注 2：单价只反映厂商硬件的典型成本，不包括显示屏、软件、网络带宽或内容授权费用。

　　注 3：根据美国能源部的指导原则，能源成本基于美国平均 0.01 美元/kwh 的商用能源成本。典型 PC 系统的功耗理论为 190w（150w 用于系统组件，另外40w 基于额定为 80% 效率的能源之星电源）。典型的基于 AMD 的嵌入式系统功耗理论为 66w（60w 用于系统组件，另外 6w 基于 90% 效率的典型DC/DC 电源）。

　　注 4：Aberdeen Group，远程产品服务的演进 – 2009 年 4 月。发现服务派遣的平均费用为 276 美元。

　　第 1 年年底，基于 PC 的系统由于故障将更换 10 台设备，而嵌入式系统将更换 5 台设备。

　　但到第 3 年年底，情况将明显改变。对于基于 PC 的系统，第 2 年和第三 3 年（10 次/年）的额外故障和原始平台在前 12 个月的不可用性总计要更换 30 套系统，并且目前必须在网络中支持 3 种独特的硬件/软件配置。相反，对于嵌入式系统，由于故障只需更换 15 套系统，并完全采用最初的硬件/软件配置。

　　到第 5 年年底，基于 PC 的部署现在只包含其原始系统的一半，并且要维护 5 种独特的配置，而嵌入式部署保持其原始系统的 75%，所有系统仍拥有相同的配置。

　
　图3 商用 PC 和定制嵌入式解决方案之间的 5 年部署情况对比

　　下面的图 4 和图 5 介绍简化的成本对比，并示范嵌入式解决方案在 5 年时间内可提供的潜在成本节省：　　

图 4：100 套基于 PC 的数字标志系统和 100 套基于嵌入式系统的数字标志系统的网络之间的简化年成本对比。

　

　图 5：100 套基于 PC 的数字标志系统和 100 套基于嵌入式数字标志系统的网络之间的累计成本对比表明，嵌入式系统的 TCO 最早从第 2 年开始下降，并在 5 年后实现节约超过 49，000 美元。

　　您可以看到，嵌入式系统最早可从第 2 年提供更低的 TCO，只是因为它更可靠，并且能耗更低。当您开始将有关管理和支持多种配置的费用计算在内，以及 PC 在连续工作 5 年后日益提高的故障率，嵌入式系统的 TCO 优势甚至变得更加明显。

　　为何给您的下一嵌入式应用程序选择 AMD的产品？

　　AMD 最近从拥有晶圆过渡为一家运营的无晶圆半导体公司。实际上，AMD 现在是全球第 3 大无晶圆半导体公司。这允许 AMD 将更多力量集中在技术和产品创新方面，包括高价值的嵌入式产品，而非只是尝试以低利润的 PC 处理器保持晶圆的完整功能。AMD 是全球批量设计和生产行业标准 x86 微处理器的唯一一家公司，同时设计和交付先进的图形技术，允许您为客户提供创新和与众不同的产品。AMD 承诺其服务于嵌入式市场的客户长期取得成功，并在日常基础上通过提供技术、产品、服务和支持的独特组合展示这种承诺，允许客户跨越广泛的应用程序，迅速将具有竞争力和成本效益的平台推向市场。交付手段：

　　（1） 确保嵌入式应用程序要求完全“符合”AMD 中的总体产品规划和开发流程。在集中规划流程中构建嵌入式要求，允许产生的嵌入式产品充分利用当前的先进高性能/低功耗的 CPU 和 GPU 内核、芯片集以及为其他市场开发的其他 I/O 模块。AMD 目前为嵌入式市场提供广泛的产品组合，包括超低功耗的 AMD GeodeTM LX 处理器、64 位嵌入式 CPU、全新的 AMD Fusion APU 和高端独立的 AMD RadeonTM 图形处理器等。

　　（2）对产品使用寿命的前端投入巨资。AMD 拥有世界范围的支持组织，专注于满足嵌入式客户的独特需求。通过在解决方案到达 OEM 和/或 ISV 之前将集成工作转换到开发流程的前端，努力缓解下游系统集成问题造成的更多负担。专注于合作并支持关键组件和软件提供商，以及设计和集成合作伙伴。这有助于确保高品质的设计，在后端实现最大可靠性和最低的支持成本。下面的图 6 介绍 AMD 支持并且与技术合作伙伴和客户协作的位置以确保成功。

　　
图 6：嵌入式市场多级价值链

　　（3） 通过与我们的全球制造伙伴合作，以成熟、批量和成本优化的流程制造我们的产品，确保我们的嵌入式产品的长期可用性。AMD 已在我们的路线图上为嵌入式产品规划了 7 年可用性，并与客户和开发合作伙伴携手，确保包括主板、软件、系统和平台在内的整个生态系统也支持扩展的可用性。

　　（4） 通过创新架构、高度集成向上推进性能，向下驱动功耗，同时充分利用为高性能和低功耗优化的具有成本效益的加工技术，如绝缘体上硅（SOI）。

　　总结

　　在高性能、大批量的嵌入式应用程序中，标准商用 PC 平台是嵌入式平台诱人的替代品。嵌入式技术的前景发生了翻天覆地的变化，今天的高性能、低功耗的嵌入式平台，如 AMD 启用的那些，为长期使用寿命的应用程序提供低风险和卓越的 TCO。