多核对嵌入式设计原则造成哪些影响

嵌入式系统设计比通用计算机设计有更多的限制，因为嵌入式系统平台的要求根本不同。出于成本、可靠性、热管理、支持和生命周期的原因，嵌入式系统设计中的一切都必须保持简单。由于这些限制，嵌入式系统很少有应急储备，性能升级通常仅限于处理模块更换。总的来说，嵌入式系统需要处理器和设计简单。多核处理器的扩展性能很少是一种选择。它是可用的，但通常保留给更高端的系统。

这即将改变。新兴的多核处理器平台通过解决和消除许多传统的嵌入式计算设计限制，正在改写嵌入式系统设计的规则。以下讨论描述了新工艺和节能技术如何在不影响或违反嵌入式系统设计基本原则的情况下，使更灵活、更强大的多核处理器能够在嵌入式平台中使用。

提高性能和效率

最近的技术发展为嵌入式计算提供了许多好处。首先，处理器设计不再仅仅关注时钟速度的显着提高。它还在考虑提高效率、降低功耗和更强大的集成图形性能——嵌入式系统设计人员和硬件供应商听的所有音乐。

半导体工艺技术现在已降至 22 nm，由于在分子水平上传输距离更短，这提高了效率，但也接近了平面晶体管设计可能达到的物理极限。因此，市场现在看到了向 3D 工艺技术的转变，它为电子的传播提供了更大的表面积，解决了泄漏问题，并允许快速切换。

所有这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）。从本质上讲，从 2D 到 3D 晶体管的转变将使摩尔定律（该定律指出，可以放置在集成电路中的晶体管数量每 18 个月翻一番）在未来几年内仍然有效。借助现代工艺技术，用户将看到最新一代多核处理器在相同时钟速度下的 CPU 性能提高 15%。

对于嵌入式系统设计人员而言，同样重要的是集成图形引擎不断提高的性能。过去，嵌入式系统设计人员只有两种选择：以额外的成本和复杂性添加独立的外部图形子系统，或者使用处理器集成图形的适度性能。

随着最新一代多核处理器的出现，这种情况正在发生变化，这些处理器包括更多更快的执行单元，从而大大提高了 3D 性能和转码速度。这些多核处理器还支持最新版本的 Microsoft DirectX，以及 OpenGL、OpenCL 和其他图形标准。因此，嵌入式系统现在可以处理更高的数据负载，并在多个独立显示器上提供更快、更丰富和更复杂的视觉效果。尽管工艺技术发生了变化，但芯片制造商越来越多地在插槽和引脚级别上提供与前几代产品的交叉兼容性，从而允许在不增加设计成本的情况下升级芯片和/或芯片组。

使能技术增强设计

除了提供先进的工艺技术和具有更高性能的集成子系统之外，当今的多核处理器还配备了多种支持技术，为改进的嵌入式系统设计打开了大门。

首先是可扩展热设计功率 （TDP） 的新兴可用性，它测量设计的冷却系统必须消散的最大功率。过去，TDP 是静态的，任何给定的设计都必须在热方面处理最大的热量输出。英特尔最近向移动处理器引入了可扩展的 TDP，因此如果有额外的冷却，可以增加 TDP；如果可用的较少，则可以对其进行限制。这为嵌入式系统设计人员提供了相当大的设计灵活性，因为高级功能和性能储备可以扩展到低、中和高功率封装。

第二个主要特点是在现代多核处理器中改进集成显卡的趋势。这在历史上一直是集成图形芯片的一个弱点，并且通常使离散图形成为专门的嵌入式计算应用程序所必需的。最新的设计提供了更多更强大的执行单元，以及大量的架构性能改进和特定于图形的缓存。

在芯片组方面，更多的多核处理器整合了原生 USB 3.0 和 PCI Express 3.0 支持。这意味着经常困扰低功耗系统的吞吐量瓶颈将成为过去。

嵌入式设计的基本原则

为了了解这些进步将如何影响嵌入式计算以及向更强大的多核处理器实现的转变，让我们研究一下传统的嵌入式系统设计原则以及现代多核平台如何影响它们。

目标绩效

与性能越多越好的通用计算机不同，嵌入式系统通常被设计为执行狭义定义的任务，这些任务在系统的生命周期内不会改变。从好的方面来说，这使设计人员能够以不超过热限制的最少硬件精确匹配组件性能与工艺要求。不利的一面是，选择可以完成工作的最简单的处理器没有任何保留，并且通常需要添加外部功能。新兴的 22 nm 多核处理器有助于满足热限制，提供功率储备，并确保 CPU 和芯片组中的高级功能不断增加。

简单

由于它们专注于定义明确的任务，嵌入式系统本质上比通用计算系统更简单。从好的方面来说，这使嵌入式系统设计人员能够最大限度地简化简单性，并远离不必要的硬件和软件复杂性。不利的一面是，随着嵌入式系统要求变得越来越复杂，当必须添加外部子系统时，那些简单的设计也会变得复杂。一个典型的例子是添加独立的外部图形子系统，提供基本集成设计根本无法产生的图形性能。借助最新的多核处理器，工业级显卡现已成为封装的一部分。

热约束

在大多数嵌入式计算设计项目中，管理热量很重要。热应力是系统故障的主要原因之一，在必须在极端温度范围内运行的嵌入式系统中尤为重要。此外，在选择主动式和被动式热冷却系统时，还会对可靠性产生重大影响。同样，复杂性是敌人，任何机械（例如基于风扇的冷却）都可能而且将会失败。新的 22 nm 工艺技术可实现更高的性能和功能，同时保持在大多数热设计限制范围内。

可靠性

与通用计算系统不同，许多嵌入式系统不易进行检查和维护。同时，大多数嵌入式系统对正常运行时间的要求比通用系统要严格得多；24/7/365 正常运行时间通常是必须的。同样，通过消除尽可能多的可能故障点来最小化复杂性是主要设计目标。在这里，可配置 TDP 和组件集成等现代多核技术通过减少外部故障点重新定义了规则。

延长生命周期

虽然消费计算产品可以接受快速过时，但嵌入式系统的生命周期要长得多，通常为 3-5 年，甚至更多。这主要是由于底层解决方案物流的固有寿命；例如，ATM 或游戏系统的工作方式可能在几年内都不会改变。然而，系统负载经常会因增加的软件功能或需要升级 CPU 模块的特性而发生变化。新兴的多核模块可以拥有更大的性能储备，从而降低升级频率。

采用最新多核处理器技术的嵌入式板的一个示例是研华的 SOM-5892（图 1），这是一种 COM Express 基本 CPU 模块，可配置标准、低压和超低压移动 Core i3、i5 ，以及带有集成英特尔高清显卡和新移动英特尔 QM77 Express 芯片组的 i7 处理器。SOM-5892 支持多种 I/O，包括七个 PCI Express x1、一个 PCI Express x16、两个 300 MBps 和两个 600 MBps SATA 通道、八个 USB 2.0、四个 USB 3.0、8 位 GPIO、高清音频和一个看门狗定时器，以及两个 SODIMM 插槽中高达 16 GB 的 DDR3 或 DDR3L RAM。

坚持设计原则

一类新的功能强大、功能丰富但超高效的多核处理器正在带来更强大的性能和功能，而不会违反上述基本嵌入式系统设计原则。嵌入式系统设计人员的影响是巨大的，嵌入式供应商及其客户现在强烈倾向于多核系统。

审核编辑：郭婷