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          ARM和X86嵌入式工控機比較分析

          發布時間:2018-03-01來源:瑞迅科技瀏覽量:

            CISC的典型代表是各種X86的CPU,ARM則是RISC最常見的處理器。關于ARM和X86架構上的比較也就代表了CISC和RISC的發展趨勢。RISC架構系統在嵌入式領域廣泛應用(比X86有更大的出貨量)比較重要的有幾個原因:
          (1)因為有成熟的處理器IP可以直接加以利用,可以減少芯片的研發周期、降低開發難度,開發周期比較短,芯片做得針對性很強;        
          (2)功耗低,嵌入式系統大多都是在很多特定場合使用的,譬如手持設備。
                 
            在有限的空間里面,散熱也是個大問題。X86的CPU需要南橋和北橋來擴展內存控制器、PCI控制器、AGP控制器、ATA控制器、USB控制器等,這樣系統結構復雜,但是擴展性很好,不適合專用設備,但是很適合通用設備,因此在PC和服務器中得到了廣泛的應用。
          ARM處理器更接近于SOC(System on Chip),一顆芯片上集成一個系統,事實上正是如此,譬如專門的手持設備的ARM,就是一個ARM Core,然后集成SDRAM Controller、FLASH Controller、LCD Controller和Uart等,然后集成以太網MAC或者專門的Network Engine,甚至還會集成專門的AC97、MMX等迎合不同的應用需要。采用 ARM 處理器的結果就是,在板級的時候,硬件結構非常簡單,可以簡單的把ARM平臺的嵌入式系統認為是:CPU + SDRAM + Flash +
          I/O + Power Supply。
                 
            軟件上,X86系統復位以后,首先運行的是BIOS,根據硬件的具體設置對I/O、 IRQ、地址空間等進行初步的分配管理;接著是 boot manager,譬如 NT Loader 或者Linux,它會對CPU系統進行進一步的設置,然后 Load OS kernel &root filesystem,把硬件的控制權交給OS。
                 
            對于ARM嵌入式的系統,基本上過程存在一些差異,在Flash的某個特定地址存儲了boot loader,這里的boot loader相當于集成了X86系統的BIOS + Boot Manager的功能,復位啟動boot loader,然后加載load Linux kernel & root filesystem。

          比較ARM和X86這兩個架構之間的差異包括如下幾點:
          (1)ARM處理器本身集成了豐富的常用控制器接口;X86沒有提供控制器接口,通過南北橋擴展外設。ARM平臺的架構比較簡單,不需要太多的硬件電路,X86系統則比較復雜。

          (2)ARM處理器的外設空間是統一制定的,由存儲器控制器進行管理;X86的外設空間由Mem和I/O這兩套獨立的空間構成,并分別由不同的控制器控制,結構略顯復雜。

          (3)ARM采用先進的RISC技術,并輔上獨特設計,保證其超低功耗的品質;X86因為其CISC結構,始終存在大功耗的毛病,并據此而伴隨散熱、噪聲等一系列問題需要解決。

          (4)ARM作為先進的微控制器,芯片的集成度非常高,采用了SOC的設計思路,降低了系統的復雜度;X86集成度相對較低、結構龐大,造成的結果是無法在速度、可裁減性、穩定性等方面進行性能的總體提升。

            因此ARM處理器在嵌入式應用上的優勢是相當明顯的,用ARM架構取代傳統的X86架構是嵌入式應用中的必然趨勢。

          X86的發展壁壘
           開發X86平臺的設備還是有很多困難需要解決的:
          (1)現在 X86 已經發展到很高的水平,如奔騰 4 的晶體管數超過四千萬,生產上也需采用最先進的 0.13 微米工藝,只有Intel 等少數公司有這樣的設計和生產能力。這樣高水平的設計難度對設計工具和設計經驗的要求,以及對半導體生產工藝的要求等等方面都遠超過目前能實際掌握的技術水平。

          (2)要兼容X86存在著知識產權壁壘,因為這里牽涉到Intel的某些專利,為此,其他想 Intel 的專利是非常困難的。

          (3)盡管微軟和英特爾公司在X86架構的壟斷地位是無法突破的。Intel的X86處理器能夠發展到今天的地步,微軟的OS支持起了關鍵作用。可以說,沒有微軟在OS方面的支持就沒有X86。在這樣的模式下,開發X86的OS就是一個黑盒子,開發這樣的嵌入式設備就失去了意義。

          ARM技術的有利條件
          目前對國內的大多數公司、實驗室、研究院而言,切實可行的做法是為各種信息設備開發嵌入式的CPU,它不必有很高的性能,也不必和X86結構兼容,這樣做的有利條件如下:

          (1)信息設備種類眾多,每類中的各種新產品也層出不窮,與高度標準化的X86只有基本采用南北橋的經典結構完全不同,信息設備產品的這種特點使大公司很難壟斷,小公司容易找到自己的發展空間。

          (2)芯片設計技術、第三方工具已有很大發展。所有 ARM 都將一個完整的系統集成在一個芯片上,稱為單芯片系統,即 SOC。這一技術使開發速度大大加快,掌握 SOC 技術就可以實現跨越式發展,不必走外國公司已走過的老路。

          (3)與 ARM 相配套的軟件,從嵌入式OS(包括Linux和其他自主OS)到在它上面運行的應用程序,不像 X86 的軟件那樣受到微軟壟斷的影響,完全可以在國內自主開發。

          (4)嵌入式處理器對半導體生產工藝的要求較低,多數不必采用最先進、昂貴的半導體工藝,解決了國內半導體生產能力的問題。對于復雜性相對較低的嵌入式處理器,在芯片面積由引線數決定時,用較低的工藝生產反而比用較高的工藝生產更為經濟,因此發展嵌入式處理器符合我國半導體生產水平的現狀。

          (5)我國有信息設備的巨大市場和強大的 IT 制造業,一旦開發出有效的應用產品,可以迅速實現產業化。掌握了信息設備的核心技術,就可以有較高的技術附加值,這些設備的出口也將有很好的前景。
           
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