当X86嵌入式工控主板孰强孰弱市场做主

X86嵌入式工控主板——孰强孰弱,市场做主

一、嵌入式系统发展脉络及趋势嵌入式系统诞生于微型机时代，并经历了从裁剪到应用延伸的发展过程。 70年代末，工业控制领域引入了智能控制，体积、功耗、价格过大的微型机被裁剪成只有某一特定用途的单片机，此时的嵌入式系统使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，系统并没有操作系统，只能通过汇编语言对其进行直接控制，运行结束后再清除内存，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中。发展到80年代，简单的操作系统被移植到系统中，IC制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I/O设计的微控制器。此时系统内核的精巧性、兼容性、扩展性都得到大大的改进。 20世纪90年代，智能家用电器等消费类电子产品发展迅速，由于这类产品直5、总结接关系到终端消费者的利益，因此智能家电嵌入式系统被前所未有的关注起来。除此之外，在分布控制、柔性制造、数字化通信方面，嵌入式系统也取得了飞速的发展。此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、络、图形用户界面（GUI）等功能，应用已经得到了很大的延伸。如今，互联的发展给嵌入式系统注入了新的生机，络实现了控制后台与应用终端的高速对接与通信，这有利于两大模块的明确分工和智能管理。而数据存储的任务则由独立的存储模块承担起来。在控制后台和存储模块的支持下，嵌入式应用终端可以实现更加灵活的应用延伸和更加强悍的环境适应能力，真正实现无处不在的嵌入式。嵌入式市场的发展趋势给扩展灵活、功能移植能力强的X86结构产品提供了发展契机，然而目前ARM结构的主板仍然以其强势的姿态占据着嵌入式市场的绝大多数份额。二、X86与ARM的对比 X86与ARM产品的优劣势比较是很明显的，ARM的优势在于它是RISC体系，可以提供更高的抗干扰和更低的成本。其低至1W的功耗能使主板保持常温，可以常年累月地开机工作而基本上不需要维护。由于功能单一，ARM主板的开机速度非常快，一般只要几秒就可以了。另外ARM主板的购买成本也比X86结构的主板要低。 X86结构相较于ARM结构的主板优势在于功能的多样性和扩展的灵活性，X86对特种需求的适用性之外的延伸性也比ARM结构的主板更强。随着终端应用的需求越来越花样百出，在一些嵌入式领域如媒体终端机、移动设备、络设备、POS机等与最终用户直接接触的领域，多重触摸、3D播放等等各种新的需求已经在呼唤着适合嵌入式领域应用X86结构CPU。而在工业控制等传统领域，更加人性化的交互界面和更强的扩展能力发展需求也需要X86结构CPU的支持。在这样的背景下，X86结构产品要解决的问题是如何在保持性能与降低功耗之前取得平衡。ATOM等一系列低功耗X86结构的产品的出现，无疑是一很大的突破，笔者相信，技术的进步只会给ATOM之类的产品在保持甚至提升性能的同时，带来更低的功耗和适应能力，X86结构产品在嵌入式市场的崛起指日可待。同时我们也应看到目前ARM有X86结构所无法取代的优势，如成本更低、功耗更低等，在一些功能长期固定而购买成本比较敏感的领域，ARM主板相对于X86主板是拥有绝对优势的。三、低功耗处理器的三国演义 Intel、AMD、VIA 嵌入式市场对X86结构产品的召唤，使Intle、AMD、VIA三大X86结构厂商不断努力探求出路。Intel2003年的Pentium M，2004年AMD Athlon处理器Geode NX的嵌入式版本，都是对这一领域的有力尝试。其中表现良好的AMD的LX800，和VIA的C7系列都曾在嵌入式市场取得了良好的成绩，但这些产品一直无法实现普遍的运用，前者是通过降低性能来适应低功耗需求的, LX800虽然只有1W，但仅有500M的主频，400MHZ的前端总线，128KB的二级缓存的性能很难适应现在终端丰富多彩的应用，例如LX800播放普通电影CPU占用率就会达到90%多。后者则是用较高的性能和较高的功耗在对功耗不那么敏感的设备市场上取得一定份额。C7是基于90nm工艺的处理器1.8GHZ/800MHZ/128KB，但是功耗高达20W。这些尝试的结果表明，嵌入式市场需要X86的性能和功能，却对功耗问题心有余悸。随后，Intel于2008年推出ATOM平台产品， VIA紧随其后，推出了低功耗平台NANO处理器。AMD也推出了BOBcat低功耗处理器发展计划。三家都在宣扬自己是低功耗时代保持高性能的佼佼者。 VIA nano VIA nano是基于VIA Isaiah架构、隶属于C7家族的处理器的一款单核心处理器，nano是VIA针对X86桌面平台推出的首款64bit处理器，它采用nano BGA2封装，封装面积为21mm 21mm，处理器DIE size为7.65mm 8.275mm＝63.3mm2。VIA Nano处理器现有五款型号，分为L系列和U系列，主频1..8GHz，前端总线800MHz，2 64KB一级缓存、1MB二级缓存。这款采用VIA Isaiah架构、隶属于C7家族的处理器均采用65nm工艺制程，但在频率和功耗上存在较大差异。最低频的U2300是唯一一款外频为133Mhz的VIA nano处理器，TDP（热设计功耗）也最低，仅为5W。其余几款VIA nano处理器均具备了200Mhz外频，主频从1.2G至1.8G不等，其中L2100的TDP最高，达到了25W。（TDP的英文全称是 Thermal Design Power ，中文为 热设计功耗 ，是反应一颗处理器（CPU或GPU）热量释放的指标，它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位为瓦（W）。 VIA Nano属于单核心处理器。

VIA nano处理器家族一览 Intel ATOM ATOM是第一款采用45nm High-K CMOS工艺制造的处理器，无铅无卤封装，体积只有13 14 1.6（mm），DIE核心面积控制在25平方毫米（7.8 3.1）以下，其内部共集成4700万个晶体管，并配备512KB二级缓存，支持SSE3和SSSE3指令集，支其法律效率无可置疑持Intel Virtualization Technology（VT虚拟化技术）、Intel Advanced Thermal Manager（高级散热管理技术），此外还具备Execute Disable Bit（EDB防毒）技术。 Atom包括两种核心，代号分别是Diamondville与Silverthorne。Diamondville主要产品型号有Atom N230/N270/N330，Silverthorne产品型号有Z500（800MHz）、Z510（1.1GHz）、Z520（1.33GHz）、Z530（1.6GHz）、Z540（1.86GHz）。 ATOM家族最小TDP为0.65W，最大功耗也仅为8实验数据准确可靠W。

ATOM处理器家族一览 AMD BobCAT 低功耗市场巨大的吸引力也将AMD吸引过来，AMD的Bobcat计划从2007年开始公布，但由于AMD内部原因屡次推迟发布，现阶段仅知频率为1GHz，低于Atom及Nano。综上所述，在性能方面，以目前三者的最高频率来比较（Nano L2100 1.8GHz/1MB L2/800MHZ,Atom N330 1.6GHz/1MB L2/533 MHZ，bobcat 1GHZ），目前Nano L（L系列，另有U系列）较Atom N为佳，而Bobcat又差于ATOM，在各测试项上几乎也都是Nano L略胜Atom N。然而在功耗控制方面，ATOM比nano相较优势十分明显，拿两者性能相差无多的型号：ATOM N270和L2200相比较，N270的TDP仅为2.5w，而L2200的TDP高达17W。由此我们可以看出，ATOM是将功耗与性能平衡处理得最为出色的处理器。四、ATOM的典型嵌入式应用 BM945GSE ATOM工控主板自从ATOM推出以后，其在嵌入式市场上引起了广泛的关注，基于ATOM的工控主板出现，笔者在此举一例 智慧工控的BM945GSE进行阐述，此板代表了ATOM典型的嵌入式应用，很好的利用了ATOM的优势。智慧工控于2009年二月份发布BM945GSE ATOM工控主板，此板采用的ATOM N270，搭配Intel 945GSE+ICH7M芯片组。详情请参考：《智慧科技发布5.25寸ATOM嵌入式工控主板》 BM945GSE ATOM工控主板设计的第一个特色是将CPU和芯片组放在主板的背面，从中我们可以窥见此板的设计者对于无风扇设计的考虑。由于主板11.5W的功耗还不能完全摒弃散热装置，因此无风扇设计就要考虑散热片等热传导散热装置的设计问题。而将散热量最大的CPU和芯片组放在主板背面，一方面可以使主板与和机箱相结合的散热片紧密结合，避免对主板其他电子元器件的影响，另一方面也可以将机箱作为一个大的散热体，达到更加优秀的散热效果。BM945GSE ATOM工控主板的这一设计将ATOM 的低功耗优势极大的发挥出来，使设备可以在密封的机箱设计前提下保持高效稳定性能。 BM945GSE ATOM工控主板的第二个特色在于使用贴片式的电子元器件，嵌入式系统与一般的通用设备不同，嵌入式系统需要长时间运行，甚至不间断地处理高负荷的任务。而电解电容容易因为腐蚀和运行超载而发生爆破，轻则中断业务，重则烧毁主板。贴片式的元器件相较于普通元器件的成本更高，但是从长远来看，贴片式的电容能使主板有更长的寿命和更少的维护，节约下来的隐形成本较其差价更甚如今铁矿石价格狂跌。 BM945GSE ATOM工控主板的第三个特色在于多接口设计，由于ATOM的性能强悍，因此可以处理多个接口任务。这也是ATOM主板区别于ARM主板的优势所在，工控主板主板的多接口意味着主板的扩展性强。BM945GSE ATOM工控主板设置有丰富的I/O接口：COM (其中1SUPPLY 5V/12V/TTL，1可定义485，422) 6、CAN 1、USB 2.0 6、PCI 1、PCI 104 1、Mini PCI Express 1、GPIO 8 IN 6 OUT 1，同时还设有多个视频接口：VGA、DVI、TV-OUT，支持LVDS，同时支持数字和模拟视频信号输出，支持双屏显示。而在系统扩展方面，BM945GSE ATOM工控主板同样表现不凡，设有SATA 4，最大可提供6TB存储空间，DDRII SO-DIMM x2，最大可支持4GB内存，44PIN IDE 1、CF卡接口 1。同时BM945GSE ATOM工控主板设置有两个10~1000M 自适应络接口，可以实现系统的高速络通信。（各接口的详解请参照《强悍的5.25寸ATOM嵌入式工控主板》） BM945GSE ATOM工控主板的第四个特色在于实现了优质的电源管理，在一些嵌入式领域如车载环境，供电环境十分恶劣，经常会因为电压不稳造成电子元器件的烧毁，甚至是整个主板的烧毁，由于ATOM的功耗极低，因此主板在电源供应上可采用12V 19v的宽单电压输入，宽单电压的输入可使整个系统的电路设计更为稳定，避免由于电源输入不稳造成的电子元器件的损伤，延长了工控主板的使用寿命，减少系统维护。另外BM945GSE ATOM工控主板设计了一个后备电源模块，后备电源保证了系统能够在一些突发状况下保持系统的的运行和业务的续航，比如当智能公交终端在路上抛锚时，后备电源就能支持调度终端的持续运行，将车子的状况和具体位置发送回总部，并能接收总部传回的命令，实现高效的公交调度。 BM945GSE ATOM工控主板第五个特色在于优秀的视音频表现能力，BM945GSE ATOM工控主板集成了intel GMA950的显示芯片，GMA950拥有400MHz的核心频率，像素填充率为1.6 GP/s，具有高品质的3D设置，提供高品质的材质贴图单元和LD/iDCT，允许双倍Intel高精度MPEG回放。BM945GSE ATOM工控主板可支持多种视屏输出格式，如avi、mpeg、mp3等等，各种输出格式的流媒体播放能力都可以达到720P。另一方面BM945GSE ATOM工控主板集成了realtek ALC662芯片，ALC 662是Realtek推出的高精准音频解码芯片，通过微软Microsoft WLP 3.08规格认证，支持3个DAC通道和2个立体声ADC通道，可提供5.1声道环场音效，提供音讯串流速率达96kHz/24 bit以上。ALC 662的2个立体声ADC通道可支持麦克风、回音消除（Acoustic Echo Cancellation）、波束成形（Beam Forming）与噪声滤除（Noise Suppression）等功能。最后，智慧工控表示，BM945GSE ATOM工控主板采取准ODM的经营模式，即可根据具体的应用删减功能设计主板，删减版可比标准版（full size）的价格更低。