使用离散的高性能图形处理器开发嵌入式系统

与更主流的独立显卡相比，为嵌入式应用设计基于独立显卡处理器的系统面临着截然不同的挑战，尤其是当这些系统经常用于工业自动化、现场数字标牌、医学成像等领域时和赌场游戏。诸如此类的嵌入式系统通常必须承受极端温度，并满足额外的冲击和振动、冷却和生命周期要求。

三种标准嵌入式显卡格式——直接安装在主板上的多芯片模块 （MCM）、连接到主板的移动 PCI Express 模块 （MXM） 和外围组件互连 Express （PCIe） 显卡——每种都有自己独特的设计考虑，并且许多应用程序都有自己独特的要求和挑战。

高性能 3D 图形和计算性能

当今的嵌入式应用程序具有旧解决方案所没有的高性能 3D 图形和计算能力。例如，工业制造设施中的操作员不断监控系统上的流程，这些流程已从基于文本的静态显示变为更精细和直观的 3D 图形表示。赌场游戏解决方案现在需要更多的处理能力和身临其境的 3D 图形来吸引玩家的注意力。先进的独立图形处理器现在支持具有改进的 3D 和视频性能的多个显示器，这对于许多工业车间监控应用和赌场游戏机来说是必不可少的。

医学影像行业也在迅速采取行动，在护理点采用 3D 可视化。例如，牙医以前提供基于传统 2D X 射线胶片和灯箱照明器的静态渲染的诊断和治疗建议，牙医及其患者现在可以通过新一代更清晰地观察牙齿和牙龈连接到牙科椅的视频和图形优化的 3D 触摸屏面板。

图形处理器选项

希望在紧凑、节能的嵌入式系统中提供诸如此类的高清视觉体验的开发人员可以利用 GPU 的并行处理性能。一些 GPU 集成了片上内存，无需外部图形内存，这进一步降低了 PCB 设计和布局、内存调整和内存采购物流的复杂性。GPU 可以支持3D 应用程序编程接口 （API），例如OpenGL ES，以及基于硬件的视频压缩和解码。如果图形处理器支持多种行业标准操作系统，包括 VxWorks、Green Hills 和 Linux，开发人员还可以拥有更大的灵活性。

2014 年 2 月推出的 AMD 嵌入式 Radeon E8860 GPU 就是提供这些功能的 GPU 示例，可帮助开发人员从小型嵌入式系统交付桌面级图形。

设计实现

开发人员如何决定实施离散嵌入式图形解决方案通常取决于应用程序将受到多少冲击和振动，以及升级要求。

MCM 是所有设计选项中最坚固且可能最小的。MCM 由封装在单个基板上的独立图形半导体芯片和内存组成，该基板直接安装在主板上。MCM 在 PCB （33 mm x 33 mm） 上占用的空间更少，可实现最佳、低功耗、紧凑的设计。MCM 解决方案通常是加固环境的最佳选择，因为图形芯片安装在主板上，因此对于必须应对冲击和振动的应用来说非常安全。

从设计的角度来看，使用 MXM 解决方案为开发人员提供了比 MCM 解决方案更多的设计灵活性。MXM 最初旨在为笔记本电脑创建一个行业标准的插座，以确保用户可以轻松升级其图形处理器，而无需购买新系统。MXM 通过专门的 MXM 接口连接到主板，并且比典型的 PCIe 卡更小。但是，从设计的角度来看，与 MCM 相比，接口和模块在主板上占用的空间更大。该解决方案的优点是可以互换。开发人员可以稍后将其替换为性能更高的模型或创建自定义版本。

MXM 解决方案不如 MCM 解决方案坚固耐用；可能有一定程度的移动，但由于 MXM 包含在一个相当小的包装中，因此不太可能移动。但是，MXM 模块可以物理地固定在主板上以适应冲击和振动。

当开发人员需要更高分辨率的 3D 渲染或视频播放等高端图形以及额外的显示输出（从两个或三个显示器增加到六个或八个显示器）时，他们通常会选择 PCIe 解决方案作为选项。该卡连接到主板上的 PCIe 插槽，在物理上是三个选项中最大的一个，长度为 6.5 英寸到 13 英寸。它也很重，通常是 MXM 或 MCM 重量的两倍，重达数磅时重五倍，因此可能存在冲击和振动问题。开发有可能在压力环境中部署的系统的设计人员应确保牢固安装以最大程度地减少过度振动，并应努力识别压力点。

极端温度、冷却和生命周期要求

在冲击和振动之后，其余变量涵盖所有三种设计架构：极端温度、冷却和生命周期要求。

在恶劣环境中运行的系统的极端温度标准为 -4 0 °C至 +12 0 °C。设计人员应确保其 GPU 供应商的处理器符合这些标准，这意味着超出标准0 °C至 +10 5 °C的额外测试和认证水平。

设计人员可以通过连接有源风扇或使用无源散热器来散热来冷却 GPU。任何一种解决方案都可能需要必须考虑系统环境的专用版本。如果它破坏了气流设计，则可能无法采用主动解决方案。在特定温度下需要特定气流的被动解决方案可能无法充分冷却图形设备。有时需要定制解决方案，例如当无源散热器需要物理连接到系统的金属外壳以使用系统更大的金属表面作为冷却介质时。

虽然标准的消费图形系统可能会持续几年，但许多嵌入式项目的生命周期为 7 到 10 年。这意味着零件也必须在很长一段时间内可用。一些 GPU 供应商（例如 AMD）为嵌入式部件提供更长的使用寿命。如果没有这样的支持，设计人员需要清点他们的零件并将它们保存在特殊的存储中以确保长期生存能力（他们还必须计划潜在的产量损失）。

这是一个图形世界

基于源自主流商业图形解决方案的技术，嵌入式独立图形解决方案取得了巨大进步。对于某些应用——例如数字标牌、医学成像和赌场游戏——它们必须在一些相当具有挑战性的环境中运行。通过正确的设计选择，开发人员可以创建提供下一代惊人 3D 图形的新型嵌入式系统。

审核编辑：郭婷