多核對嵌入式設(shè)計原則造成哪些影響

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計比通用計算機(jī)設(shè)計有更多的限制，因為嵌入式系統(tǒng)平臺的要求根本不同。出于成本、可靠性、熱管理、支持和生命周期的原因，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的一切都必須保持簡單。由于這些限制，嵌入式系統(tǒng)很少有應(yīng)急儲備，性能升級通常僅限于處理模塊更換。總的來說，嵌入式系統(tǒng)需要處理器和設(shè)計簡單。多核處理器的擴(kuò)展性能很少是一種選擇。它是可用的，但通常保留給更高端的系統(tǒng)。

這即將改變。新興的多核處理器平臺通過解決和消除許多傳統(tǒng)的嵌入式計算設(shè)計限制，正在改寫嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)則。以下討論描述了新工藝和節(jié)能技術(shù)如何在不影響或違反嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基本原則的情況下，使更靈活、更強(qiáng)大的多核處理器能夠在嵌入式平臺中使用。

提高性能和效率

最近的技術(shù)發(fā)展為嵌入式計算提供了許多好處。首先，處理器設(shè)計不再僅僅關(guān)注時鐘速度的顯著提高。它還在考慮提高效率、降低功耗和更強(qiáng)大的集成圖形性能——嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員和硬件供應(yīng)商聽的所有音樂。

半導(dǎo)體工藝技術(shù)現(xiàn)在已降至 22 nm，由于在分子水平上傳輸距離更短，這提高了效率，但也接近了平面晶體管設(shè)計可能達(dá)到的物理極限。因此，市場現(xiàn)在看到了向 3D 工藝技術(shù)的轉(zhuǎn)變，它為電子的傳播提供了更大的表面積，解決了泄漏問題，并允許快速切換。

所有這些都有助于在相同性能水平下降低功耗（或在相同消耗水平下提高性能）。從本質(zhì)上講，從 2D 到 3D 晶體管的轉(zhuǎn)變將使摩爾定律（該定律指出，可以放置在集成電路中的晶體管數(shù)量每 18 個月翻一番）在未來幾年內(nèi)仍然有效。借助現(xiàn)代工藝技術(shù)，用戶將看到最新一代多核處理器在相同時鐘速度下的 CPU 性能提高 15%。

對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員而言，同樣重要的是集成圖形引擎不斷提高的性能。過去，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員只有兩種選擇：以額外的成本和復(fù)雜性添加獨立的外部圖形子系統(tǒng)，或者使用處理器集成圖形的適度性能。

隨著最新一代多核處理器的出現(xiàn)，這種情況正在發(fā)生變化，這些處理器包括更多更快的執(zhí)行單元，從而大大提高了 3D 性能和轉(zhuǎn)碼速度。這些多核處理器還支持最新版本的 Microsoft DirectX，以及 OpenGL、OpenCL 和其他圖形標(biāo)準(zhǔn)。因此，嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在可以處理更高的數(shù)據(jù)負(fù)載，并在多個獨立顯示器上提供更快、更豐富和更復(fù)雜的視覺效果。盡管工藝技術(shù)發(fā)生了變化，但芯片制造商越來越多地在插槽和引腳級別上提供與前幾代產(chǎn)品的交叉兼容性，從而允許在不增加設(shè)計成本的情況下升級芯片和/或芯片組。

使能技術(shù)增強(qiáng)設(shè)計

除了提供先進(jìn)的工藝技術(shù)和具有更高性能的集成子系統(tǒng)之外，當(dāng)今的多核處理器還配備了多種支持技術(shù)，為改進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計打開了大門。

首先是可擴(kuò)展熱設(shè)計功率 （TDP） 的新興可用性，它測量設(shè)計的冷卻系統(tǒng)必須消散的最大功率。過去，TDP 是靜態(tài)的，任何給定的設(shè)計都必須在熱方面處理最大的熱量輸出。英特爾最近向移動處理器引入了可擴(kuò)展的 TDP，因此如果有額外的冷卻，可以增加 TDP；如果可用的較少，則可以對其進(jìn)行限制。這為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員提供了相當(dāng)大的設(shè)計靈活性，因為高級功能和性能儲備可以擴(kuò)展到低、中和高功率封裝。

第二個主要特點是在現(xiàn)代多核處理器中改進(jìn)集成顯卡的趨勢。這在歷史上一直是集成圖形芯片的一個弱點，并且通常使離散圖形成為專門的嵌入式計算應(yīng)用程序所必需的。最新的設(shè)計提供了更多更強(qiáng)大的執(zhí)行單元，以及大量的架構(gòu)性能改進(jìn)和特定于圖形的緩存。

在芯片組方面，更多的多核處理器整合了原生 USB 3.0 和 PCI Express 3.0 支持。這意味著經(jīng)常困擾低功耗系統(tǒng)的吞吐量瓶頸將成為過去。

嵌入式設(shè)計的基本原則

為了了解這些進(jìn)步將如何影響嵌入式計算以及向更強(qiáng)大的多核處理器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)變，讓我們研究一下傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原則以及現(xiàn)代多核平臺如何影響它們。

目標(biāo)績效

與性能越多越好的通用計算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)通常被設(shè)計為執(zhí)行狹義定義的任務(wù)，這些任務(wù)在系統(tǒng)的生命周期內(nèi)不會改變。從好的方面來說，這使設(shè)計人員能夠以不超過熱限制的最少硬件精確匹配組件性能與工藝要求。不利的一面是，選擇可以完成工作的最簡單的處理器沒有任何保留，并且通常需要添加外部功能。新興的 22 nm 多核處理器有助于滿足熱限制，提供功率儲備，并確保 CPU 和芯片組中的高級功能不斷增加。

簡單

由于它們專注于定義明確的任務(wù)，嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上比通用計算系統(tǒng)更簡單。從好的方面來說，這使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員能夠最大限度地簡化簡單性，并遠(yuǎn)離不必要的硬件和軟件復(fù)雜性。不利的一面是，隨著嵌入式系統(tǒng)要求變得越來越復(fù)雜，當(dāng)必須添加外部子系統(tǒng)時，那些簡單的設(shè)計也會變得復(fù)雜。一個典型的例子是添加獨立的外部圖形子系統(tǒng)，提供基本集成設(shè)計根本無法產(chǎn)生的圖形性能。借助最新的多核處理器，工業(yè)級顯卡現(xiàn)已成為封裝的一部分。

熱約束

在大多數(shù)嵌入式計算設(shè)計項目中，管理熱量很重要。熱應(yīng)力是系統(tǒng)故障的主要原因之一，在必須在極端溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)中尤為重要。此外，在選擇主動式和被動式熱冷卻系統(tǒng)時，還會對可靠性產(chǎn)生重大影響。同樣，復(fù)雜性是敵人，任何機(jī)械（例如基于風(fēng)扇的冷卻）都可能而且將會失敗。新的 22 nm 工藝技術(shù)可實現(xiàn)更高的性能和功能，同時保持在大多數(shù)熱設(shè)計限制范圍內(nèi)。

可靠性

與通用計算系統(tǒng)不同，許多嵌入式系統(tǒng)不易進(jìn)行檢查和維護(hù)。同時，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)對正常運(yùn)行時間的要求比通用系統(tǒng)要嚴(yán)格得多；24/7/365 正常運(yùn)行時間通常是必須的。同樣，通過消除盡可能多的可能故障點來最小化復(fù)雜性是主要設(shè)計目標(biāo)。在這里，可配置 TDP 和組件集成等現(xiàn)代多核技術(shù)通過減少外部故障點重新定義了規(guī)則。

延長生命周期

雖然消費計算產(chǎn)品可以接受快速過時，但嵌入式系統(tǒng)的生命周期要長得多，通常為 3-5 年，甚至更多。這主要是由于底層解決方案物流的固有壽命；例如，ATM 或游戲系統(tǒng)的工作方式可能在幾年內(nèi)都不會改變。然而，系統(tǒng)負(fù)載經(jīng)常會因增加的軟件功能或需要升級 CPU 模塊的特性而發(fā)生變化。新興的多核模塊可以擁有更大的性能儲備，從而降低升級頻率。

采用最新多核處理器技術(shù)的嵌入式板的一個示例是研華的 SOM-5892（圖 1），這是一種 COM Express 基本 CPU 模塊，可配置標(biāo)準(zhǔn)、低壓和超低壓移動 Core i3、i5 ，以及帶有集成英特爾高清顯卡和新移動英特爾 QM77 Express 芯片組的 i7 處理器。SOM-5892 支持多種 I/O，包括七個 PCI Express x1、一個 PCI Express x16、兩個 300 MBps 和兩個 600 MBps SATA 通道、八個 USB 2.0、四個 USB 3.0、8 位 GPIO、高清音頻和一個看門狗定時器，以及兩個 SODIMM 插槽中高達(dá) 16 GB 的 DDR3 或 DDR3L RAM。

堅持設(shè)計原則

一類新的功能強(qiáng)大、功能豐富但超高效的多核處理器正在帶來更強(qiáng)大的性能和功能，而不會違反上述基本嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原則。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員的影響是巨大的，嵌入式供應(yīng)商及其客戶現(xiàn)在強(qiáng)烈傾向于多核系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷