張立為 陳浩 陳堅(jiān)

【摘要】 嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)制造、汽車制造，工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、航空航天及軍事領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)在現(xiàn)代智能產(chǎn)業(yè)中起著舉足輕重，不可替代的關(guān)鍵作用。嵌入式系統(tǒng)的核心是主處理器。主處理器的選取是決定嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目成功與否的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文作者試圖總結(jié)多年實(shí)際工 作中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)選擇嵌入式系統(tǒng)主處理器時(shí)應(yīng)該注意的幾個(gè)關(guān)鍵因素加以分享和討論，以供嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師們參考、借鑒。

【關(guān)鍵詞】 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式主處理器 主處理芯片 智能制造

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍布各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。而且，隨著現(xiàn)代智能產(chǎn)業(yè)大跨步，飛躍式發(fā)展趨勢(shì)，嵌入式系統(tǒng)在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用再一次呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用形形色色。其規(guī)模，存在方式，復(fù)雜程度等都會(huì)隨應(yīng)用的不同而千變?nèi)f化。作為嵌入式系統(tǒng)的核心，主處理器的選擇也應(yīng)當(dāng)視其所屬系統(tǒng)的規(guī)模，作用，復(fù)雜程度等而相應(yīng)變化，評(píng)估和選擇合適的嵌入式主處理器成為項(xiàng)目是否成功的關(guān)鍵要素。

一、首要選擇因素是項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求

嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求基本上確定了該系統(tǒng)的規(guī)模，作用和復(fù)雜程度。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)首先要考慮主處理器的性能是否足夠驅(qū)動(dòng)目標(biāo)應(yīng)用程序，而衡量嵌入式主處理器的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)為MIPS（million instructions per second，每秒所能處理的百萬(wàn)指令數(shù)），而對(duì)應(yīng)MIPS指標(biāo)就非常關(guān)注主時(shí)鐘頻率，其實(shí)頻率和MIPS不能直接考慮為等號(hào)或者成比例關(guān)系。查看STM32F107為ARM 32bit Cortex-M3核，主頻最高為72MHz，1.25 DMIPS/MHz，選擇時(shí)候以具體數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。還需要進(jìn)一步考慮的是如果對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目在應(yīng)用層就需要嵌入式處理器消耗較大的任務(wù)，需要綜合評(píng)估對(duì)應(yīng)的處理器的MIPS能否匹配應(yīng)用層的需求、是否會(huì)犧牲其他子系統(tǒng)的性能？例如《網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒播放器》，如果選擇的主處理器沒(méi)有硬件視頻解碼能力，就需要考慮軟件解碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻對(duì)處理器占用的比例。

當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)要求很高的實(shí)時(shí)性，那么選擇主處理器時(shí)就不光要考慮主MIPS、主時(shí)鐘頻率而且還要考慮是選單核還是多核芯片。如果設(shè)計(jì)要求連接多種不同外圍設(shè)備，針對(duì)特定的處理任務(wù)，那就要考慮放棄通用型芯片而多考慮可以滿足多種不同外圍設(shè)備的專用處理芯片。

從設(shè)計(jì)要求的任務(wù)可以大致決定系統(tǒng)軟件/固件所需要采用的模式。是否需要多任務(wù)OS還是Stand alone編程就可以滿足要求。是否需要考慮uCOS III這樣的RTOS， 或者嵌入式Linux系統(tǒng)？主處理器的選擇需要配合系統(tǒng)軟件/固件模式的選擇。由于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)往往對(duì)啟動(dòng)時(shí)間有要求，如果一個(gè)帶液晶顯示器（LCD）的產(chǎn)品，2-3分鐘內(nèi)LCD還處于黑屏狀態(tài)，這樣的設(shè)計(jì)就表現(xiàn)為比較糟糕。所以在選擇主處理器的時(shí)候還需要關(guān)注是否支持NOR /NAND/SD卡等不同的啟動(dòng)模式及對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)速度，能尋址最大的DRAM、SRAM、NOR、NAND等存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)地址空間范圍。

從嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目的規(guī)模上看，微/小型類應(yīng)用采用低/中端單核芯片即可勝任，這樣的應(yīng)用無(wú)需太多種類的外圍驅(qū)動(dòng)支持。也無(wú)需多任務(wù)OS， Stand alone編程即可。一般類規(guī)模的應(yīng)用可能需用高端單核處理器（如TI AM335x），或雙核處理器（如ZYNQ-7000）。這樣的項(xiàng)目需要一定種類的外圍驅(qū)動(dòng)支持。OS可選Stand alone，uCOS III， 或者嵌入式Linux系統(tǒng)。而復(fù)雜類的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用就需雙核處理器（如ZYNQ-7000），需較多種類的外圍驅(qū)動(dòng)支持。OS首選嵌入式Linux系統(tǒng)，或uCOS III。 高端移動(dòng)通信設(shè)備類應(yīng)用則需要通用型雙核甚至多核高速處理器。它們需要一定種類的外圍驅(qū)動(dòng)支持。OS首選Android， iOS等。

項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求會(huì)對(duì)外圍設(shè)備提出各種要求。例如要求GBit的以太網(wǎng)，USB OTG， I2C總線支持等。是否需要電池？有電池則需考慮電源管理。主處理器及周邊支持硬件必須滿足這些要求。有時(shí)候我們非常關(guān)注了主芯片的價(jià)格，而遺漏了外圍的成本。是否在主芯片選擇上節(jié)約了1美元，有可能導(dǎo)致在外圍電子元器件上多花費(fèi)2美元，這個(gè)是需要明確主處理器內(nèi)置了多少控制器？同時(shí)，由于芯片都是要焊接在PCB上，主芯片的管腳個(gè)數(shù)及封裝也是選擇的一個(gè)重要點(diǎn)，有可能會(huì)帶來(lái)PCB層數(shù)的增加、焊接密集度增高、批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性降低。在明確了主芯片的性能、接口等技術(shù)細(xì)節(jié)后，還需要考慮對(duì)應(yīng)的主處理器的行業(yè)定位，這涉及到產(chǎn)品的硬件可靠性和可行性。一般來(lái)說(shuō)商業(yè)級(jí)的主處理器，使用在工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)，或者航空級(jí)是非常不合理的。當(dāng)然在認(rèn)可價(jià)格體系的前提下，把航空級(jí)別的主芯片應(yīng)用在商業(yè)級(jí)的產(chǎn)品中性能是有保證的。同時(shí)由于嵌入式處理器細(xì)分了處理器市場(chǎng)，所以智能手機(jī)、航天應(yīng)用、工業(yè)控制、消費(fèi)類電子、POS機(jī)等等這些行業(yè)，當(dāng)我們項(xiàng)目設(shè)計(jì)的需求非常清晰的應(yīng)用在這個(gè)行業(yè)，就優(yōu)先選擇對(duì)應(yīng)的行業(yè)主芯片，這樣的選擇是可行的，由于每個(gè)行業(yè)的特殊性，細(xì)節(jié)還是有差別的。作者幾年前參與一個(gè)移動(dòng)POS項(xiàng)目，從技術(shù)緯度采用消費(fèi)類產(chǎn)品方案疊加打印機(jī)從理論上是可行的，但隨著項(xiàng)目的深入，發(fā)現(xiàn)需要在消費(fèi)類主芯片上花費(fèi)很大的技術(shù)工作完成對(duì)各種銀行卡協(xié)議的支持，但對(duì)應(yīng)在POS機(jī)行業(yè)的主芯片就是他們的強(qiáng)項(xiàng)。至此，主處理芯片的基本選擇原則和范圍就可以大致圈定了，選擇考慮的重點(diǎn)為性能、操作系統(tǒng)支持、封裝、接口、行業(yè)定位和可靠性。

二、處理芯片的市場(chǎng)特性

進(jìn)一步的就要了解考慮中的芯片是否成熟？是否已經(jīng)被業(yè)界或應(yīng)用市場(chǎng)所認(rèn)可？還需要了解業(yè)界采用該芯片的反應(yīng)如何？滿意程度高嗎？尤其要關(guān)注不滿意的方面是和芯片本身設(shè)計(jì)相關(guān)嗎？芯片設(shè)計(jì)有硬件缺陷嗎？對(duì)硬件缺陷是否已經(jīng)提供軟件補(bǔ)丁彌補(bǔ)？

作者幾年前曾經(jīng)參與的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)選用的是一款當(dāng)時(shí)剛發(fā)布不久的雙核處理器。其性能，價(jià)格等都滿足我們的評(píng)估。研發(fā)過(guò)程也相對(duì)比較順利。到了研發(fā)后期進(jìn)行產(chǎn)品強(qiáng)化測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)有的產(chǎn)品運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)死機(jī)。而且沒(méi)有明顯規(guī)律可供查詢故障起因?；舜罅咳肆?，精力和時(shí)間，最終同廠家共同確定了故障起因是芯片設(shè)計(jì)缺陷造成的。而且，該硬件缺陷并未出現(xiàn)在廠家的芯片缺陷報(bào)告中。這是一個(gè)選取最新產(chǎn)品而后引發(fā)不良后果的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。雖然最終問(wèn)題得以解決，但我們耗時(shí)耗力也不得不推后了產(chǎn)品推出的日期。所以選擇新發(fā)布的產(chǎn)品有可能會(huì)承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

芯片的標(biāo)準(zhǔn)性，規(guī)范性如何？是否采用通用規(guī)范？比如ARM架構(gòu)。芯片市場(chǎng)保障周期如何？如果芯片在比如說(shuō)3年后將停止供貨，怎么辦？消費(fèi)電子，個(gè)人移動(dòng)通訊設(shè)備如智能手機(jī)等市場(chǎng)更新很快，供貨保障周期算不上需要嚴(yán)重考慮的問(wèn)題。可是其它行業(yè)比如醫(yī)療設(shè)備則有可能會(huì)有一個(gè)較長(zhǎng)的從產(chǎn)品研發(fā)成功到測(cè)試，以及獲得上市認(rèn)證許可（譬如美國(guó)FDA）等待期間。研發(fā)需幾個(gè)月至1-2年，加上測(cè)試和申請(qǐng)?jiān)S可需幾個(gè)月至1年，加起來(lái)會(huì)有2到3年的時(shí)間。這些就需要考慮在供貨保障周期之內(nèi)。

總之，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)特性，成本就是非常敏感的指標(biāo)。對(duì)應(yīng)主芯片廠商能否有完備的商業(yè)計(jì)劃，主芯片廠商的企業(yè)能否健康發(fā)展？能否提供引腳兼容的系列化芯片供升級(jí)或者替換？選擇考慮的重點(diǎn)為商業(yè)計(jì)劃、供應(yīng)體系、生命周期。

三、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境和技術(shù)支持

芯片生產(chǎn)廠家是否提供系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境？該環(huán)境是否對(duì)用戶友好？環(huán)境是否便于使用，是否宜于學(xué)習(xí)掌握？是否提供足夠的功能幫助開(kāi)發(fā)人員編程，調(diào)試，版本控制等。所需花費(fèi)如何？是否需要交技術(shù)支持年費(fèi)？

芯片生產(chǎn)廠家對(duì)芯片硬件和開(kāi)發(fā)環(huán)境的技術(shù)支持力度如何？尋求技術(shù)求助是否得到快速回復(fù)，是否及時(shí)解答疑問(wèn)，幫助解決問(wèn)題等等。

作者曾經(jīng)初步選擇并測(cè)試過(guò)一家國(guó)際知名公司的一款新出品的功能比較強(qiáng)勁的嵌入式主處理器。在對(duì)該芯片進(jìn)行基本應(yīng)用測(cè)試的初期，尋求技術(shù)問(wèn)題解答就未曾得到及時(shí)回復(fù)。公司提供的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境并不算對(duì)用戶友好。需要研發(fā)人員自己花很多時(shí)間才能通過(guò)上網(wǎng)找到所要的答案。感覺(jué)很不好，也很花時(shí)間。最后不得不決定放棄該芯片而選用其他公司的產(chǎn)品。

在決定選用主處理器前，運(yùn)用其開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)目標(biāo)芯片作多方面的測(cè)試，了解和評(píng)估是很有必要的。盡早設(shè)定一些技術(shù)要點(diǎn)，向芯片供應(yīng)商的技術(shù)支持確定答案會(huì)幫助自己了解該處理器的應(yīng)用特性，同時(shí)也確認(rèn)技術(shù)支持的力度。

四、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期及人員培訓(xùn)

選用嵌入式主處理器還應(yīng)該考慮是否影響項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。研發(fā)人員學(xué)習(xí)和熟練掌握開(kāi)發(fā)環(huán)境所需要花費(fèi)的時(shí)間，技術(shù)培訓(xùn)要求是否復(fù)雜，供應(yīng)商是否有比較成熟的樣板程序供參考使用等等。這些因素對(duì)短期，乃至中長(zhǎng)期項(xiàng)目的研發(fā)都會(huì)有影響。選擇提供標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)環(huán)境的嵌入式主處理器會(huì)幫助我們縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期和研發(fā)人員技術(shù)培訓(xùn)時(shí)間。比如選擇可以提供基于Eclipse的開(kāi)發(fā)環(huán)境就是目前業(yè)界比較標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)。以該嵌入式主處理器為基礎(chǔ)的硬件設(shè)計(jì)是否可以搭建成參照類/標(biāo)準(zhǔn)類研發(fā)平臺(tái)？如果可以的話，這將充分發(fā)揮其作用而使公司其他類似研發(fā)項(xiàng)目可以從中受益。所以嵌入式主處理器的選擇應(yīng)該盡可能地爭(zhēng)取考慮可以搭建成標(biāo)準(zhǔn)型研發(fā)平臺(tái)。

五、實(shí)用綜合案例說(shuō)明

舉一個(gè)實(shí)用案例。要求設(shè)計(jì)一個(gè)分布式多通道鏡頭圖像測(cè)量處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求各測(cè)量單元和控制單元要在時(shí)間上精密同步。

IEEE1588 PTP是基于局部以太網(wǎng)的精密時(shí)間同步協(xié)議?；谒O(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)測(cè)控單元在時(shí)間上有精密同步的要求，選擇支持IEEE1588 PTP的主處理器毫無(wú)疑問(wèn)是必要的。支持以太網(wǎng)也是必不可少的。之外，嵌入式Linux系統(tǒng)配有豐富周邊設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持，有實(shí)時(shí)處理能力，具備很強(qiáng)的靈活性。所以它是該項(xiàng)目OS的優(yōu)選目標(biāo)之一。（圖1）

處理多通道鏡頭圖像需要較強(qiáng)的芯片運(yùn)算處理能力。數(shù)據(jù)傳輸量大就需要快速DMA 的配合。應(yīng)該考慮選擇雙核或多核芯片。再結(jié)合了解和分析市場(chǎng)現(xiàn)有嵌入式處理器的供貨情況，以ARM為核心的Xilinx ZYNQ雙核處理器很好的集成了應(yīng)用處理單元和可編程邏輯單元并支持眾多外圍設(shè)備總線。這些特性強(qiáng)有力的支持項(xiàng)目對(duì)多通道鏡頭圖像采集通訊和數(shù)據(jù)處理的要求。它支持高速以太網(wǎng)并配有對(duì)IEEE1588 PTP協(xié)議的支持。（圖2）

而且，Xilinx和PetaLinux相配合提供了比較完善的嵌入式Linux系統(tǒng)交叉編譯環(huán)境。為應(yīng)用軟/固件的研發(fā)提供了良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

綜合以上考慮，該系統(tǒng)可以考慮采用Xilinx ZYNQ芯片并由嵌入式Linux來(lái)完成系統(tǒng)應(yīng)用。

六、結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)主處理器是系統(tǒng)的核心部件。選擇嵌入式系統(tǒng)主處理器需要綜合考慮各種因素。其中重點(diǎn)要考慮項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，處理芯片的成熟度、可靠性等關(guān)鍵市場(chǎng)特性，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境和技術(shù)支持，以及開(kāi)發(fā)人員對(duì)處理芯片和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境的熟悉程度與學(xué)習(xí)周期等。

只有充分的考慮了這些因素并加以研究分析才能更好地確定項(xiàng)目所需的處理芯片。盡可能地減少研發(fā)后期可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以及有效的降低項(xiàng)目研發(fā)和生產(chǎn)成本。