学文网前言:在超便携设备的应用,手机、智能家电上面无不看到嵌入式的身影。可能读者对嵌入式还不太了解,但是在字面上以及实际的生活体验当中相信也初步的了解到它包含了微型化、便携、省电、智能等特征。在下文中,笔者将为详细展现嵌入式的世界以及它在日常生活中的各种应用。
嵌入式是一个庞大的世界,在文中只对其做关键的介绍,它涉及的领域之广也是前所未有的。下面让我们一起走进神秘又熟悉的嵌入世界。
何为嵌入式系统
什么是嵌入式系统?对于它,现在还没有一个被广泛接受的定义。它的传统定义是:嵌入在其他设备中、起智能控制作用的专用计算机系统。这也可以说明,它包含了任意一个可编程的计算机设备,当然这个设备并不是通用计算机而设计的,是为了满足某些局限功能。
很明显,传统的定义过于模糊而且并不能突出现在嵌入式系统的特性,下面笔者引入现在比较流行的定义:嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
在它的定义当中,我们可以归结出它几个关键性的特点
(1)嵌入式系统通常是面向特定应用的;
(2)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物;
(3)嵌入式系统的硬件和软件必须是高效率的设计、并且是可裁剪、去冗余在单位面积和同样功耗下实现高性能;
(4)为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储芯片和单片机本身当中;
编辑观点:随着硬件性能的不断发展以及先进的工艺不断成熟,嵌入式系统不再单单是专用的计算机系统,它的通用性也越来越强。例如现在的平板电脑iPad已经具备十分强悍的通用性能。同时嵌入式和通用计算机设备之间的界限越来越模糊,就像现在的上网本、UMPC、平板电脑、凌动平台等已经模糊了通用计算机和嵌入式的界限。
嵌入式的发展
随着后PC时代到临大家也渐渐地接触到这个流行的名词――嵌入式。对于普通的读者这可能是一个新鲜的名词,不过它早已经在业界中存在,而且它早已在我们身边,譬如手机、PDA、智能家电、数码相机,还有现在流行的MP4、平板电脑、电子书、MID设备等都嵌入式系统的具体应用。
经过几十年的发展,嵌入式技术已经越来越成熟。一般简单的嵌入式系统可以通过普通单片机完成,譬如简单的智能玩具、智能家电等。不过在一些对性能要求较高的场合,譬如手机、手持终端、医疗、***事等应用上就需要用到一些具备通用能力的微处理器来完成。
嵌入式无处不在
嵌入式的概念在20世纪70年代就存在,在微处理器诞生的同时便出现了嵌入式系统。到现在为止80%以上的微处理器芯片都是为嵌入式而制造的。可以说嵌入式一直围绕着我们的世界。嵌入式系统的应用覆盖航天、航空、交通、网络、电子、通讯、金融、智能电器、智能建筑、仪器仪表、工业自动控制、数控机床、掌上型电脑、智能IC卡、第二代身份证验证、公共交通收费系统、医药系统以及***事等等各种领域,但目前最值得关注的嵌入式产品市场主要有如下几类:
(1)家庭信息网络;
(2)移动计算设备;
(3)网络设备;
(4)自动化与测控仪器仪表;
(5)交通电子设备。
其中移动计算设备是现在消费级市场最热门的领域,绝大多数的产品还是基于x86体系,基于ARM的还刚刚起步。并且已经有一些厂商着手研发ARM体系的上网本,不过ARM体系要基于Linux内核的应用,所以难度比用于Windows内核的x86大。
编辑观点:说到嵌入式就不得不提ARM,它几乎是嵌入式系统的代名词。它微架构的设计就是为了在有限的面积下实现高效的性能而且超低功耗。Intel的x86体系在节能方面也十分出色,不过相对于毫瓦级别的ARM,还有一定的差距。
主宰处理器微架构的两大体系
虽然当今嵌入式微处理器体系数量也不少,其中嵌入式微处理器目前主要有x86、Am186/88、ARM、MIPS、PowerPC68K等系列。不过起到霸主地位还是ARM以及x86处理器。
其中x86的优势在于庞大的软件支持,因为经过了x86与Windows OS多年来的互相支撑在硬件与软件体系上已经形成了一种相互的适应以及相互优化。但是x86碍于硬件架构缺乏灵活性,因此在每瓦特性能以及单位面积性能远不如ARM处理器。
ARM自身并不做芯片,只卖芯片设计授权,因此它架构的开放性和体系的灵活性让它可以根据不同的情况来实现极好的优化。ARM体系并没得到Windows 7 OS内核的支持,不过开源的Linux内核和ARM结合得天衣无缝。而且Apple OS也渐渐地“爱上”了ARM,其中iPad的出现便证明了ARM的强大生命力。
编辑点评:相对于x86来说,ARM的指令代码比x86灵活而且精简。其中指令中灵活使用标志位可以实现代码高效的编写以及执行。从架构上看,x86体系的寄存器使用远不及ARM架构的多样灵活,这也大大地影响到了指令的执行效率。
在硬件设计上,x86架构由于每一代都要兼容前一代的指令,所以制约了x86微处理器的灵活变动。令笔者最深刻的就是x86体系为了在寄存器向下兼容,而选择了寄存器复用技术。当然,x86体系在往后发展上也加入了功能更加强大的指令,譬如Intel为了高效处理密集型数据而加进的SIMD指令集。
ARM方面,由于是基于简单指令集的思想设计,因此大多数硬件的单元是为了多数使用概率大的指令而优化,而且ARM拥有出色的性能功耗比。ARM更支持硬件的深度睡眠,在功耗控制上极其出色。
小知识:什么是x86
x86或80x86是英特尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。该系列较早期的处理器名称是以数字来表示,并以“86”作为结尾,包括Intel 8086、80186、80286、8按0386以及80486,因此其架构被称为“x86”由于数字并不能作为注册商标,因此Intel及其竞争者均在新一代处理器使用可注册的名称,如Pentium。现时Intel把x86-32称为IA-32,全名为“Intel Architecture,32-bit”。
同时往后的处理器的微架构设计也是基于对于前代芯片的兼容性所以一直延伸到了一种体系的称呼。
Intel的x86阵营:Atom处理器火力强劲
Intel虽然在酷睿以及Nehelam上都支持嵌入式计算,不过数十瓦的功耗让他们的实现不太现实,因为x86体系的限制,Intel的基于此架构的处理器和ARM还不具有可比性。但是,Intel在架构上另谋对策,通过对处理器流水线的精简便得到了一块假想敌为ARM的处理器Atom(凌动)。
Atom处理器推出良久,而且在各方应用都取得了不少口碑。尤其在广大的上网本应用上更取得了压倒性的优势。同时Atom更将应用到汽车嵌入式的系统当中。并且在NVIDIA的ION平台上,同样用到Atom作为核心的通用处理器。
在规格上Atom已经拥有不少的型号,并且经过了两代的更新。第一代支持SSE3指令集、VT虚拟化技术、EDB防毒技术、高级散热管理技术等等,而第二次更新时,处理器便把内存控制器也集成到了CPU内部。
Silverthorne Atom系列共有五款型号,属于新的Z500家族,分别是Z500、Z510、Z520、Z530和Z540。最低端的Z500主频只有800MHz,前端总线400MHz,但热设计功耗也仅仅0.65W,平均功耗和C6状态待机功耗更是不过160mW和80mW。Z510、Z520、Z530和Z540主频1.10/1.33/1.60/1.86GHz,热设计功耗除了Z540能达到2.4W之外均为2W,平均功耗和C6状态待机功耗都是220mW、100mW,前端总线除Z510外都是533MHz。另外,533MHz前端总线的Z520、Z530和Z540还支持超线程技术。
AMD力度欠缺
AMD在嵌入式上也有发展,不过它和一般嵌入式微处理器的功耗以及可剪裁性相比并不具备优势。而且和自身的同类产品区别不大。在架构上,AMD的嵌入式方案同样是基于x86体系的K8/10架构。
AMD因为具备***形、芯片以及处理器3大业务,所以嵌入式方面也同时存在嵌入式处理器、嵌入式芯片组以及嵌入式***形处理器。其中AMD的重点嵌入式方案在于处理器上面,产品上拥有皓龙、速龙、炫龙、闪龙、ASB1、Geode等系列。
由于AMD在此方面的力度不足,因此在市场上的难觅踪影。不过随着AMD Fusion的到来是否为此带来巨大的改变?我们拭目以待。
NVIDIA救命稻草: Tegra芯片力争上游
如果说NVIDIA的ION平台受到Intel处理器的制约,那么Tegra便在ARM中得到重生。Tegra出色的性能受到各方的好评,并且首次得到了微软Zune播放器的采纳。在NVIDIA推出Tegra第一代处理器和Tegra第二代处理器时,我们便看到了NVIDIA把ARM处理器完美地结合在片上计算机的应用上面。
NVIDIA除了没有通用处理器业务外,其在芯片组以及***形领域上的研发力都超过了其余两家的对手。现在Tegra是一种SoC体系,它融合了处理器、芯片、***形处理器、总线设计,IO设计等一体的综合应用。当中关键的处理器部分NVIDIA选择了心仪已久的ARM架构,这当然是可以摆脱x86的制约,同时在操作系统的选择上会有更多的自主性。
Nvidia的第二代Tegra是用所谓的8个核心组成,不过真正做通用处理的是一个双核的Cortex-A9处理器,它基于ARM11架构,另加一个ARM7的处理器作为任务负载的平衡分配,而且还包括了其他协处理器:***像处理器、***形处理器、音频处理器、高清编码/解码处理器等。在应用上,Tegra已经逐步进入了播放器、电视等领域。在未来当中,更有可能在MID设备,上网本、平板电脑、智能家具当中呈现出巨大的生命力。
智能手机开拓嵌入式应用的巅峰
手机已经是现代人的必需品,同时它也是嵌入式应用中最广泛的体现。其中手机的处理器几乎都采用了ARM架构,当然这也是ARM出色的硬件支撑所决定。随着智能手机的发,展现在无论是魅族的M8,联想的乐Phone、Google的GPhone以及现在火热的iPhone4都无疑体现了ARM处理器帝国的庞大阵容。
采用ARM体系的嵌入式的操作系统拥有Windows CE、Apple OS、Android、Symbian等强大的支持。随着各方应用的不断加强,ARM建立在Linux内核上的应用将会越来越巩固。当然,这也渐渐地威胁到了x86+Windows的阵营。
在应用上,一般强悍的手机几乎都拥有了普通电脑的功能,譬如上网、播放视频、文本操作、游戏等等。当然,这需要嵌入式的操作系统来支撑,现在Nexus使用的Android和iPhone采用的iOS4就是当中较为出色的操作系统。
便携设备引领新潮流
自从Atom引领了上网本风暴之后,各种MID设备以及智能家电也随即得到了较大的发展。虽然在一个IA体系之下拥有极其出色的软硬件环境,不过IA体系中的功耗问题还没达到嵌入式的真正性能功耗比的高度。
MID(Mobile Internet Device)是Intel 一直倡导的移动互联网设备,当然与移动PC产品相比,MID在尺寸上都非常小巧,它不仅能访问互联网,满足个人日常的娱乐办公,在软件的丰富程度方面也颇为优秀。一般情况下,MID会采用Atom处理器并且配合开源的Linux操作系统。
现在移动互联网设备不但在个人日常生活中应用频繁,并且在高档汽车的应用也日益明显。MID设备最大的用途就是一台互联设备,当然它区别于一般的上网本,在功耗和待机方具有较大优势。近期由于Google的Android带来巨大的应用,因此基于ARM的MID也不断地进入人们的视线。
以苹果的名义领衔:平板电脑展露苗头
苹果从iPod、iPhone到现在前卫的iPad一直都走在嵌入式应用的最前端。凭借着苹果庞大的应用软件以及出色的工业设计,是其用户拥有着庞大的忠实用户群。在iPad方面苹果可谓是一个大胆的尝试,虽然之前平板电脑出现过,但当时时机并不成熟。现在苹果抓住了一个移动潮流的趋势,适时地了精心设计的iPad。
iPad是一款基于ARM处理器体系的平板电脑,它核心采用苹果的A4 SoC方案。系统采用苹果自己的操作系统,并且可以兼容苹果的绝大多数软件。供电方面,iPad使用锂聚合物电芯,电压3.75V,总容量24.8Wh,这相对于省电的ARM体系来说已经绰绰有余。规格上,iPad拥有16GB、32GB、64GB等多个版本。显示屏幕方面采用9.7 英寸 IPS 触摸屏,处理器频率达到1GHz之高,性能上已经接近普通的上网本。
写在最后:说到底,嵌入式就是一个微型系统。当然,这个系统包括了硬件系统以及软件系统。在硬件上,现在较为流行的是ARM体系以及x86体系。其中常见的ARM处理器有Cortex,ARM11等架构。而x86方面,现在较为有影响力的是Atom处理器,其中Intel的超低压系列也达到了嵌入式低功耗的要求。基于x86的Atom虽然占领了上网本绝大多数的份额,但是功耗层面上与为简单指令集优化的ARM体系相比还有很大差距。在销量上,ARM却已经占领了智能手机巨大的份额,然而,还在上网本、MID、UMPC、平板电脑等不断“蔓延”。Atom的假想敌是ARM,但是是否可以在嵌入式层面上动摇拥有霸主地位的ARM?还是一个未知数。其中,功耗是x86最大的障碍。
在软件系统的层面上,除了驱动软件外,操作系统便是软件体系的底层。当中,较为主流的是Windows CE、VxWorks、Palm OS、Symbian,Mac OS以及各种基于Linux内核衍生出来的操作系统。Google的Android便是一款基于Linux内核的操作系统。由于Linux的开放性和灵活的裁剪性,它在嵌入式的世界里的作用越来越明显。当中,x86体系的Meego也爱上了Linux内核,在自由灵活的OS里,嵌入式得到了很好的发展。
现在随着人们对移动性,便携性的高要求,嵌入式的应用也将渐渐地取代过去传统的固定设备模式。并且微处理器性能的不断增强,也在模糊嵌入式和通用电脑的一些界限。另外,云计算的应用也慢慢地弱化客户端设备的性能要求,这也为超便携移动终端提供了良好的环境。
笔者预测,未来的后PC时代是一个深度互联的世界、一个以云端计算为中心、客户终端为访问端的“生态”体系。其中,嵌入式的应用便在个人的移动设备上面。
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