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關(guān)鍵字：ATOM 工控主板 X86 In 945GSE+ICH7M 嵌入式
一、嵌入式系統(tǒng)發(fā)展脈絡(luò)及趨勢(shì)
嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，并經(jīng)歷了從裁剪到應(yīng)用延伸的發(fā)展過程。
70年代末，工業(yè)控制領(lǐng)域引入了智能控制，體積、功耗、價(jià)格過大的微型機(jī)被裁剪成只有某一特定用途的單片機(jī)，此時(shí)的嵌入式系統(tǒng)使用8位的CPU芯片來執(zhí)行一些單線程的程序，系統(tǒng)并沒有操作系統(tǒng)，只能通過匯編語言對(duì)其進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后再清除內(nèi)存，具有監(jiān)測(cè)、伺服、設(shè)備指示等功能，通常應(yīng)用于各類工業(yè)控制和飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備中。
發(fā)展到80年代，簡單的操作系統(tǒng)被移植到系統(tǒng)中，IC制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一片VLSI中，制造出面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器。此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核的精巧性、兼容性、擴(kuò)展性都得到大大的改進(jìn)。
20世紀(jì)90年代，智能家用電器等消費(fèi)類電子產(chǎn)品發(fā)展迅速，由于這類產(chǎn)品直接關(guān)系到終端消費(fèi)者的利益，因此智能家電嵌入式系統(tǒng)被的關(guān)注起來。除此之外，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信方面，嵌入式系統(tǒng)也取得了飛速的發(fā)展。此時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了文件和目錄管理、設(shè)備管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、圖形用戶界面（GUI）等功能，應(yīng)用已經(jīng)得到了很大的延伸。
如今，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給嵌入式系統(tǒng)注入了新的生機(jī)，網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了控制后臺(tái)與應(yīng)用終端的高速對(duì)接與通信，這有利于兩大模塊的明確分工和智能管理。而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù)則由獨(dú)立的存儲(chǔ)模塊承擔(dān)起來。在控制后臺(tái)和存儲(chǔ)模塊的支持下，嵌入式應(yīng)用終端可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的應(yīng)用延伸和更加強(qiáng)悍的環(huán)境適應(yīng)能力，真正實(shí)現(xiàn)無處不在的嵌入式。
嵌入式市場的發(fā)展趨勢(shì)給擴(kuò)展靈活、功能移植能力強(qiáng)的X86結(jié)構(gòu)產(chǎn)品提供了發(fā)展契機(jī)，然而目前ARM結(jié)構(gòu)的主板仍然以其強(qiáng)勢(shì)的姿態(tài)占據(jù)著嵌入式市場的絕大多數(shù)份額。
二、X86與ARM的對(duì)比
X86與ARM產(chǎn)品的優(yōu)劣勢(shì)比較是很明顯的，ARM的優(yōu)勢(shì)在于它是RISC體系，可以提供更高的抗干擾和更低的成本。其低至1W的功耗能使主板保持常溫，可以常年累月地開機(jī)在線工作而基本上不需要維護(hù)。由于功能單一，ARM主板的開機(jī)速度非?？欤话阒灰獛酌刖涂梢粤?。另外ARM主板的購買成本也比X86結(jié)構(gòu)的主板要低。
X86結(jié)構(gòu)相較于ARM結(jié)構(gòu)的主板優(yōu)勢(shì)在于功能的多樣性和擴(kuò)展的靈活性，X86對(duì)特種需求的適用性之外的延伸性也比ARM結(jié)構(gòu)的主板更強(qiáng)。
隨著終端應(yīng)用的需求越來越花樣百出，在一些嵌入式領(lǐng)域如媒體終端機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、POS機(jī)等與zui終用戶直接接觸的領(lǐng)域，多重觸摸、3D播放等等各種新的需求已經(jīng)在呼喚著適合嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用X86結(jié)構(gòu)CPU。而在工業(yè)控制等傳統(tǒng)領(lǐng)域，更加人性化的交互界面和更強(qiáng)的擴(kuò)展能力發(fā)展需求也需要X86結(jié)構(gòu)CPU的支持。
在這樣的背景下，X86結(jié)構(gòu)產(chǎn)品要解決的問題是如何在保持性能與降低功耗之前取得平衡。ATOM等一系列低功耗X86結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的出現(xiàn)，無疑是一很大的突破，筆者相信，技術(shù)的進(jìn)步只會(huì)給ATOM之類的產(chǎn)品在保持甚至提升性能的同時(shí)，帶來更低的功耗和適應(yīng)能力，X86結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在嵌入式市場的崛起指日可待。同時(shí)我們也應(yīng)看到目前ARM有X86結(jié)構(gòu)所無法取代的優(yōu)勢(shì)，如成本更低、功耗更低等，在一些功能長期固定而購買成本比較敏感的領(lǐng)域，ARM主板相對(duì)于X86主板是擁有優(yōu)勢(shì)的。
三、低功耗處理器的三國演義——In、AMD、VIA
嵌入式市場對(duì)X86結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的召喚，使Intle、AMD、VIA三大X86結(jié)構(gòu)廠商不斷努力探求出路。In2003年的Pentium M，2004年AMD Athlon處理器Geode NX的嵌入式版本，都是對(duì)這一領(lǐng)域的有力嘗試。其中表現(xiàn)良好的AMD的LX800，和VIA的C7系列都曾在嵌入式市場取得了良好的成績，但這些產(chǎn)品一直無法實(shí)現(xiàn)普遍的運(yùn)用，前者是通過降低性能來適應(yīng)低功耗需求的, LX800雖然只有1W，但僅有500M的主頻，400MHZ的前端總線，128KB的二級(jí)緩存的性能很難適應(yīng)現(xiàn)在終端豐富多彩的應(yīng)用，例如LX800播放普通電影CPU占用率就會(huì)達(dá)到90%多。后者則是用較高的性能和較高的功耗在對(duì)功耗不那么敏感的設(shè)備市場上取得一定份額。C7是基于90nm工藝的處理器1.8GHZ/800MHZ/128KB，但是功耗高達(dá)20W。這些嘗試的結(jié)果表明，嵌入式市場需要X86的性能和功能，卻對(duì)功耗問題心有余悸。
隨后，In于2008年推出ATOM平臺(tái)產(chǎn)品， VIA緊隨其后，推出了低功耗平臺(tái)NANO處理器。AMD也推出了BOBcat低功耗處理器發(fā)展計(jì)劃。三家都在宣揚(yáng)自己是低功耗時(shí)代保持高性能的*。
VIA——nano
VIA nano是基于VIA Isaiah架構(gòu)、隸屬于C7家族的處理器的一款單核心處理器，nano是VIA針對(duì)X86桌面平臺(tái)推出的64bit處理器，它采用nano BGA2封裝，封裝面積為21mm×21mm，處理器DIE size為7.65mm×8.275mm＝63.3mm2。VIA Nano處理器現(xiàn)有五款型號(hào)，分為L系列和U系列，主頻1.0-1.8GHz，前端總線800MHz，2×64KB一級(jí)緩存、1MB二級(jí)緩存。這款采用VIA Isaiah架構(gòu)、隸屬于C7家族的處理器均采用65nm工藝制程，但在頻率和功耗上存在較大差異。zui低頻的U2300是*一款外頻為133Mhz的VIA nano處理器，TDP（熱設(shè)計(jì)功耗）也zui低，僅為5W。其余幾款VIA nano處理器均具備了200Mhz外頻，主頻從1.2G至1.8G不等，其中L2100的TDPzui高，達(dá)到了25W。（TDP的英文全稱是“Thermal Design Power”，中文為“熱設(shè)計(jì)功耗”，是反應(yīng)一顆處理器（CPU或GPU）熱量釋放的指標(biāo)，它的含義是當(dāng)處理器達(dá)到負(fù)荷zui大的時(shí)候，釋放出的熱量，單位為瓦（W）。
VIA Nano屬于單核心處理器。
| 型號(hào) | 工藝 | 主頻 | 二級(jí)緩存 | V4總線 | zui大TDP | 待機(jī)功耗 |
| L2100 | 65nm | 1.8GHz | 1MB | 800MHz | 25W | 500mW |
| L2200 | 65nm | 1.6GHz | 1MB | 800MHz | 17W | 100mW |
| U2400 | 65nm | 1.3+GHz | 1MB | 800MHz | 8W | 100mW |
| U2500 | 65nm | 1.2GHz | 1MB | 800MHz | 6.8W | 100mW |
| U2300 | 65nm | 1.0GHz | 1MB | 800MHz | 5W | 100mW |
VIA nano處理器家族一覽
In——ATOM
ATOM是*款采用45nm High-K CMOS工藝制造的處理器，無鉛無鹵封裝，體積只有13×14×1.6（mm），DIE核心面積控制在25平方毫米（7.8×3.1）以下，其內(nèi)部共集成4700萬個(gè)晶體管，并配備512KB二級(jí)緩存，支持SSE3和SSSE3指令集，支持In Virtualization Technology（VT虛擬化技術(shù)）、In Advanced Thermal Manager（散熱管理技術(shù)），此外還具備Execute Disable Bit（EDB防毒）技術(shù)。
Atom包括兩種核心，代號(hào)分別是Diamondville與Silverthorne。Diamondville主要產(chǎn)品型號(hào)有Atom N230/N270/N330，Silverthorne產(chǎn)品型號(hào)有Z500（800MHz）、Z510（1.1GHz）、Z520（1.33GHz）、Z530（1.6GHz）、Z540（1.86GHz）。
ATOM家族zui小TDP為0.65W，zui大功耗也僅為8W。
| 名稱 | 二級(jí)緩存 | 工作時(shí)鐘 | 前端總線 | 熱設(shè)計(jì)功耗 |
| Z540 | 512kB | 1.86GHz | 533MHz | 2.4 W |
| Z530 | 512kB | 1.60GHz | 533MHz | 2 W |
| Z520 | 512kB | 1.33GHz | 533MHz | 2 W |
| Z510 | 512kB | 1.10GHz | 400MHz | 2 W |
| Z500 | 512kB | 800MHz | 400MHz | 0.65W |
| N270 | 512kB | 1.60GHz | 533MHz | 2.5 W |
| 330 | 1MB | 1.60GHz | 533MHz | 8 W |
| 230 | 512kB | 1.60GHz | 533MHz | 4 W |
ATOM處理器家族一覽
AMD——BobCAT
低功耗市場巨大的吸引力也將AMD吸引過來，AMD的Bobcat計(jì)劃從2007年開始公布，但由于AMD內(nèi)部原因?qū)掖瓮七t發(fā)布，現(xiàn)階段僅知頻率為1GHz，低于Atom及Nano。
綜上所述，在性能方面，以目前三者的zui高頻率來比較（Nano L2100 1.8GHz/1MB L2/800MHZ,Atom N330 1.6GHz/1MB L2/533 MHZ，bobcat 1GHZ），目前Nano L（L系列，另有U系列）較Atom N為佳，而Bobcat又差于ATOM，在各測(cè)試項(xiàng)上幾乎也都是Nano L略勝Atom N。然而在功耗控制方面，ATOM比nano相較優(yōu)勢(shì)十分明顯，拿兩者性能相差無多的型號(hào)：ATOM N270和L2200相比較，N270的TDP僅為2.5w，而L2200的TDP高達(dá)17W。由此我們可以看出，ATOM是將功耗與性能平衡處理得zui為出色的處理器。
四、ATOM的典型嵌入式應(yīng)用——BM945GSE ATOM工控主板
自從ATOM推出以后，其在嵌入式市場上引起了廣泛的關(guān)注，基于ATOM的工控主板出現(xiàn)，筆者在此舉一例——智慧工控的BM945GSE進(jìn)行闡述，此板代表了ATOM典型的嵌入式應(yīng)用，很好的利用了ATOM的優(yōu)勢(shì)。
智慧工控于2009年二月份發(fā)布BM945GSE ATOM工控主板，此板采用的ATOM N270，搭配In 945GSE+ICH7M芯片組。詳情請(qǐng)參考：《智慧科技發(fā)布5.25寸ATOM嵌入式工控主板》
BM945GSE ATOM工控主板設(shè)計(jì)的*個(gè)特色是將CPU和芯片組放在主板的背面，從中我們可以窺見此板的設(shè)計(jì)者對(duì)于無風(fēng)扇設(shè)計(jì)的考慮。由于主板11.5W的功耗還不能*摒棄散熱裝置，因此無風(fēng)扇設(shè)計(jì)就要考慮散熱片等熱傳導(dǎo)散熱裝置的設(shè)計(jì)問題。而將散熱量zui大的CPU和芯片組放在主板背面，一方面可以使主板與和機(jī)箱相結(jié)合的散熱片緊密結(jié)合，避免對(duì)主板其他電子元器件的影響，另一方面也可以將機(jī)箱作為一個(gè)大的散熱體，達(dá)到更加的散熱效果。BM945GSE ATOM工控主板的這一設(shè)計(jì)將ATOM 的低功耗優(yōu)勢(shì)極大的發(fā)揮出來，使設(shè)備可以在密封的機(jī)箱設(shè)計(jì)前提下保持穩(wěn)定性能。
BM945GSE ATOM工控主板的第二個(gè)特色在于使用貼片式的電子元器件，嵌入式系統(tǒng)與一般的通用設(shè)備不同，嵌入式系統(tǒng)需要長時(shí)間運(yùn)行，甚至不間斷地處理高負(fù)荷的任務(wù)。而電解電容容易因?yàn)楦g和運(yùn)行超載而發(fā)生爆破，輕則中斷業(yè)務(wù)，重則燒毀主板。貼片式的元器件相較于普通元器件的成本更高，但是從長遠(yuǎn)來看，貼片式的電容能使主板有更長的壽命和更少的維護(hù)，節(jié)約下來的隱形成本較其差價(jià)更甚。
BM945GSE ATOM工控主板的第三個(gè)特色在于多接口設(shè)計(jì)，由于ATOM的性能強(qiáng)悍，因此可以處理多個(gè)接口任務(wù)。這也是ATOM主板區(qū)別于ARM主板的優(yōu)勢(shì)所在，工控主板主板的多接口意味著主板的擴(kuò)展性強(qiáng)。BM945GSE ATOM工控主板設(shè)置有豐富的I/O接口：COM （其中1SUPPLY 5V/12V/TTL，1可定義485，422） ×6、CAN×1、USB 2.0×6、PCI×1、PCI 104×1、Mini PCI Express×1、GPIO 8 IN 6 OUT×1，同時(shí)還設(shè)有多個(gè)視頻接口：VGA、DVI、TV-OUT，支持LVDS，同時(shí)支持?jǐn)?shù)字和模擬視頻信號(hào)輸出，支持雙屏顯示。而在系統(tǒng)擴(kuò)展方面，BM945GSE ATOM工控主板同樣表現(xiàn)不凡，設(shè)有SATA×4，zui大可提供6TB存儲(chǔ)空間，DDRII SO-DIMM x2，zui大可支持4GB內(nèi)存，44PIN IDE×1、CF卡接口×1。同時(shí)BM945GSE ATOM工控主板設(shè)置有兩個(gè) 10~1000M 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速網(wǎng)絡(luò)通信。（各接口的詳解請(qǐng)參照《強(qiáng)悍的5.25寸ATOM嵌入式工控主板》）
BM945GSE ATOM工控主板的第四個(gè)特色在于實(shí)現(xiàn)了的電源管理，在一些嵌入式領(lǐng)域如車載環(huán)境，供電環(huán)境十分惡劣，經(jīng)常會(huì)因?yàn)殡妷翰环€(wěn)造成電子元器件的燒毀，甚至是整個(gè)主板的燒毀，由于ATOM的功耗極低，因此主板在電源供應(yīng)上可采用12V—19v的寬單電壓輸入，寬單電壓的輸入可使整個(gè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)更為穩(wěn)定，避免由于電源輸入不穩(wěn)造成的電子元器件的損傷，延長了工控主板的使用壽命，減少系統(tǒng)維護(hù)。另外BM945GSE ATOM工控主板設(shè)計(jì)了一個(gè)后備電源模塊，后備電源保證了系統(tǒng)能夠在一些突發(fā)狀況下保持系統(tǒng)的的運(yùn)行和業(yè)務(wù)的續(xù)航，比如當(dāng)智能公交終端在路上拋錨時(shí)，后備電源就能支持調(diào)度終端的持續(xù)運(yùn)行，將車子的狀況和具體位置發(fā)送回總部，并能接收總部傳回的命令，實(shí)現(xiàn)的公交調(diào)度。
BM945GSE ATOM工控主板第五個(gè)特色在于的視音頻表現(xiàn)能力，BM945GSE ATOM工控主板集成了in GMA950的顯示芯片，GMA950擁有400MHz的核心頻率，像素填充率為1.6 GP/s，具有高品質(zhì)的3D設(shè)置，提供高品質(zhì)的材質(zhì)貼圖單元和LD/iDCT，允許雙倍In高精度MPEG回放。BM945GSE ATOM工控主板可支持多種視屏輸出格式，如avi、mpeg、mp3等等，各種輸出格式的流媒體播放能力都可以達(dá)到720P。另一方面BM945GSE ATOM工控主板集成了realtek ALC662芯片，ALC 662是Realtek推出的高音頻解碼芯片，通過微軟Microsoft WLP 3.08規(guī)格認(rèn)證，支持3個(gè)DAC通道和2個(gè)立體聲ADC通道，可提供5.1聲道環(huán)場音效，提供音訊串流速率達(dá)96kHz/24 bit以上。ALC 662的2個(gè)立體聲ADC通道可支持麥克風(fēng)、回音消除（Acoustic Echo Cancellation）、波束成形（Beam Forming）與噪聲濾除（Noise Suppression）等功能。
zui后，智慧工控表示，BM945GSE ATOM工控主板采取準(zhǔn)ODM的經(jīng)營模式，即可根據(jù)具體的應(yīng)用刪減功能設(shè)計(jì)主板，刪減版可比標(biāo)準(zhǔn)版（full size）的價(jià)格更低。
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