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系统处理器平台赛灵思和ARM联手出击 英特尔嵌入式市场前景不明

英特尔目前在PC和笔记本电脑市场上是无可争辩的处理器平台领导供应商,但它意欲称雄嵌入式应用市场的野心也可谓是路人皆知,因为英特尔在计算机市场的增长潜力已不大,而嵌入式应用市场远大于电脑市场,因此很自然地英特尔将下一个市场增长点放在了嵌入式市场。目前其主要依仗的武器是x86架构的Atom处理器平台,在客户眼里,该平台的主要优势有三:一是计算、控制和处理能力很强;二是客户在PC x86架构下开发的资源不会浪费,可以重复利用;三是生态系统非常成熟,熟悉x86架构CPU编程的工程师资源比较多,而且市场上可资利用的现成工程资源也比较多。

ARM最早是在手机市场发家的,这几年发展势头非常迅猛,在生态系统方面也搭建得比较成熟,在嵌入式市场覆盖的领域也越来越多,目前在高端嵌入式应用市场(如汽车电子医疗电子和通信基础设施)的客户也越来越多,但与Atom平台相比,很多客户觉得它的计算能力还不够,尤其在处理高清和3D图像方面。

Xilinx(赛灵思公司)这几年明显也已将庞大的嵌入式应用市场作为自己的发展重心之一,FPGA在嵌入式应用市场的优势是并行数据计算能力非常强,通信基站、路由器、HD视频广播设备、直接矩阵式LED背光TV和智能视频分析监控设备都必须依靠FPGA来满足其庞大的数据处理需求,例如,Xilinx Spartan FPGA产品好几年前就已被HD LED TV客户所采用,目前出货量也开始往上升。不过,大多数客户不太愿意将FPGA作为主处理平台,因为它的功耗较大,而且内嵌MicroBlaze处理器内核编程和FPGA编程与ARM和x86架构处理器相比还比较复杂。

很显然,要阻挡英特尔在嵌入式应用处理器平台市场的野心,Xilinx和ARM必须联合起来互相弥补各自不足,才有可能在这一庞大的市场格局尚未完全确定的领域创造双赢局面。也正是在这样的一个背景下,Xilinx最近宣布将在其最新的28nm FPGA平台上推出全新的基于ARM Cortex-A9 MPCore内核的可扩展处理平台架构。这一平台不仅可为各种嵌入式系统的开发人员在满足他们功率预算前提下提供差异化的系统性能、灵活性和集成度,而且能够实现更低成本和更小尺寸的市场需求。

目前在高端的嵌入式应用市场上,如汽车驾驶员辅助系统、智能视频监控、工业控制、遥测与导航、企业级毫微微蜂窝基站、广播级摄像机、多功能打印机和航空航天航海电子设备上,全球系统架构师和嵌入式软件开发人员面临的一个极具挑战性的系统需求是:以更低的成本、更低的功耗、更小的尺寸处理日益复杂的功能。

赛灵思全球市场营销与业务开发高级副总裁 Vin Ratford表示:“嵌入式市场现在需要的是一个新型的嵌入式处理平台,因为传统的微处理器/ASIC/ASSP+DSP+FPGA的处理架构已不能满足新的系统需求。微处理器的信号处理能力很有限,ASIC/ASSP不能适应快速变化的市场需求,不能实现完全的差异化,多芯片实现方案不仅占用太大的空间和成本非常昂贵,而且消耗的功率也太大。”

赛灵思可扩展式处理平台为嵌入式系统设计人员提供以处理器为核心的设计和开发方法,以实现强大的计算与处理能力,让那些需要高速接入到实时输入、高性能处理、复杂数字信号处理,或上述各种功能组合的任务,达到他们特定应用的各种需求,包括降低成本与功耗。该处理平台使他们能够同时拥有串行和并行处理能力来满足这一新的系统需求。

Vin Ratford指出:“当前嵌入式软件开发人员肩负的任务是在严苛的成本、时间和功耗预算控制下,构建需要强大系统性能水平的复杂应用。通过在人们熟悉的ARM处理器开发框架内构建一个架构,这种全新的可扩展式处理平台为目前受困于性能瓶颈的众多设计团队,带来全新的创新动力。”

赛灵思可扩展式处理平台彻底改变了以往FPGA的开发模式,它不再是一个以FPGA硬件为核心的设计方法,而是一个以处理器为核心的设计方法,它可以支持一个以软件为核心的开发流程,这种设计方法提供完整的处理器系统,包括高速缓存、存储控制器以及常用的连接和 IO 外设,并能在开机时启动并运行各种不同的操作系统 ,如 Linux、风河系统(Wind River)的VxWorks、Micrium的uC-OSII 等。

ARM架构及ARM Connected Community行业生态系统进一步帮助嵌入式系统开发人员最大化生产力,同时通过在ARM每个内核速度高达800MHz的双核 Cortex-A9 MPCore 处理器构建赛灵思的子系统架构,并结合赛灵思的高性能、低功耗 28nm可编程逻辑的并行处理能力,可以实现无与伦比的高性能。

Xilinx全新可扩展处理平台的另一大亮点是采用了Xilinx和ARM合作研制的AMBA-AXI高带宽接口。Xilinx亚太区市场及应用总监张宇清指出:“以前的多芯片实现方案常常因为接口方面的设计问题要损失30-50%的性能,但现在ARM处理器与硬件加速器的数据交换可以全部在一个芯片中完成,接口不再成为性能瓶颈。”

通过高带宽AMBA-AXI总线接口将可编程逻辑与处理器系统紧密结合,可编程逻辑能够使用现成的 IP 和/或定制 IP将关键的系统功能速度提升达100 倍之多。这种架构方法不仅能解决并行和串行计算环境、存储器以及 I/O之间的常见性能瓶颈问题,而且还能让处理器系统实现包括动态重配置在内的可编程逻辑配置控制。

ARM 公司总裁Simon Segars指出:“对于那些需要极高性能的系统,利用可编程逻辑的并行处理能力,是解决成本与功耗这两大难题的出色方法。赛灵思的全新架构将嵌入式软件开发人员从繁重的硬件开发工作中解放出来,使他们可以前所未有地充分掌控开发流程。”

软件开发人员可以充分利用基于 ARM技术的现有系统代码,并使用大量现成的开放源代码以及已经商用的软件组件库。由于系统复位时会启动操作系统,因此软件开发人员可以利用ARM的RealView开发套件及相关的第三方工具、基于 Eclipse 的 IDE、GNU、赛灵思软件开发套件工具等熟悉的开发与调试环境,快速进行软件开发。

杀手级新应用和省钱实例

在汽车驾驶辅助、智能视频监控、工业自动化、航空和国防以及新一代无线系统等要求多功能和实时响应的终端市场应用的推动下,高性能嵌入式系统需求不断增长。仅就汽车产业而言,每年生产的汽车就超过 5,000 万辆,目前在路上同时行驶的机动车总数估计达 6 亿辆。 随着汽车制造商在车辆中部署更多的嵌入式系统让汽车变得更安全,驾驶辅助系统市场预计将从目前的 13 亿美元增长到 2017 年的 58 亿美元。

有关统计显示:多0.5 秒的响应时间,就能避免 60% 的车头碰撞事故;而在所有造成死亡车祸的原因中,其中30%是因为疲劳驾驶。因此,运用科技来挽救生命是嵌入式系统车用市场持续发展的显著动力。

驾驶员辅助系统包括:车道偏离警告系统、碰撞避免系统、盲点检测、自动巡航控制、夜视系统和自动泊车系统,它的系统输入比较复杂,有视频摄像头(720p30,8b)、红外传感器和雷达传感器,该系统必须具有实时数字信号处理能力,这要求系统必须具备约32GMACs的计算性能。其它系统需求包括:10万到100万条复杂的代码、高达1600 DMIP的整数代码执行性能、高达2985MB/s的存储器带宽、低功耗被动制冷、无缝集成于驾驶室、具有可扩展性(能部署到具有不同功能的不同车型中)。

目前新款奥迪S6和奔驰车的驾驶员辅助系统的设计目标是:成本低于50美元,功耗低于5W。如果它们采用符合性能需求的多芯片方案来实现,如主要采用一个ASSP、2个DSP、2个DRAM、1个CAN PHY和1个电源管理器件来实现这一系统,预计成本在46美元,功耗在6.6W。但如果采用Xilinx的全新可扩展式处理平台来实现,外部只需要配2个DRAM、1个CAN PHY和1个电源管理器件,预计成本可降到41美元以下,功耗降到3.9W以下,不仅可以完全符合系统的成本、尺寸和功耗需求,而且同时还具有高度的灵活性。

驾驶员辅助系统的开发人员在实际应用中需要不断地构建更多的计算能力,雷达与红外线传感器、摄像头及其他系统组件,将成为汽车狭隘空间的必备元素。赛灵思全新可扩展式处理平台为优化专用软/硬件分区及硬件加速功能提供了单芯片解决方案,以推动复杂的算法,使客户能进一步实现他们的嵌入式系统的差异化,在市场中赢得竞争优势。

智能视频市场预计在2013年将达到460亿美元,基于此,新的智能视频技术开发人员需要适合的处理平台,来构建能够自动监控视频模式和身体语言的各项应用,而且配合音频能做出智能的决策并发出警报,以减少出错的几率。目前此项技术已经在向全高清视频和每秒高达 60 帧的帧速率方向发展,但目前由系统处理器+视频分析处理器组成的多芯片解决方案还很难在规定的功率预算下为图像处理和高级分析功能提供足够的计算能力。

例如,对于一个要求1080p60清晰度和12位颜色深度的全色彩智能视频监控系统来说,它要求系统实时数字信号处理性能达到49GMAC,存储器带宽高达2240MB/s,复杂视频分析性能达到1800DMIPS,通信与控制计算性能达到1300DMIPS。而且该系统要具备商业竞争力的话,必须将成本要控制在100美元以下,功耗要控制在10W以下。

如果采用多芯片实现方案,那么主要需要1个图像传感器、1个系统处理器、1个视频分析处理器、1个实时钟、2个DDR2、1个以太网PHY、1个电源管理器件,系统成本大约在91美元,但功耗要达到10.9W。不能完全满足系统需求。

但如采用Xilinx的可扩展式处理平台,系统的主要构成元件仅为1个图像传感器、1个可扩展处理平台、2个DRAM、1个实时钟和1个电源管理器件,系统成本可降低到81美元以下,功耗可降到6.8W以下。成本和功耗优势非常明显。

从上述实例可以看出,基于双核Cortex-A9MPCore的处理器系统配合可编程逻辑的强大并行处理能力,完全可在功率预算内满足上述计算能力需求。与此同时,开发人员还获得机会在熟悉的基于ARM的设计环境中实现创新的算法设计、可扩展性以及现场可升级性。

随着无线电信应用所要支持的用户及需要大量数据的应用越来越多,它们也正在向低功耗、小型化、低开发成本方向发展。4G LTE(长期演进)等新技术可满足带宽要求,而更高效的小型化基站则是满足整体市场要求的基础。通过在小型、节能、高性价比的集成解决方案中提供 4G 信号高带宽并行处理能力,以及基于Cortex A9 处理器的多用户数据管理功能,赛灵思可扩展式处理平台将有助于新一代无线基站开发人员充分满足上述各种要求。由于该平台具有可扩展性,开发人员今后能根据未来应用灵活地升级设备,并实现软硬件的性能升级。

全新可扩展式处理平台是赛灵思目标设计平台战略的一部分,不仅为客户提供简便易用的特定市场与应用环境,使他们能够评估并进一步了解技术,而且最终还提供了可修改和扩展的应用平台,帮助他们加速开发进程,并集中精力实现产品差异化。赛灵思将继续与ARM 服务团队合作,为参与最终产品首次推出的设计团队和现场应用工程师提供详细的ARM Cortex-A9硬件培训。

赛灵思于最近在美国硅谷召开的嵌入式系统大会上展示了该新型可扩展式处理平台。基于可扩展式处理平台架构的产品定价、详细规范及供货情况信息将于 2011 年初公布。

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