計算機核心模塊：最新標準支持更多CPU選擇

本文主要探討CPU的硬件選擇，同時也談及了軟件抽象化的發展趨勢。幾乎所有嵌入式操作系統都支持x86架構（Intel、AMD、VIA）及各廠商的ARM架構處理器。

搭載威盛VX900媒體系統芯片組的最新威盛 COM Express主板支持威盛Nano、Nano X2及威盛四核處理器（圖片為搭載VX800芯片組的COM Express主板）

半導體的集成化趨勢使整個計算機系統縮減為只有少量元器件的組合，使其在小型主板上提供驚人的強大功能，嵌入式計算也隨之不斷發展。憑借高端模塊行業標準的廣泛采用（如COM Express及Qseven），嵌入式系統設計者能夠在越來越高的集成度下進行工作。最新的COM接口就采用了符合高端協議的分組互聯標準，如PCIe、USB 3.0、千兆以太網及Display視頻接口。這些接口置于物理層及連接層上，此處CPU及存儲選擇都要求特殊的設計。計算機模塊符合高端接口標準，目前系統設計者在CPU選擇上擁有更大的自由，并且能夠受益于最新的低功耗、低成本嵌入式處理器的競爭優勢。

通常，因為切換成本相當高，嵌入式系統設計者難以擺脫前些年CPU設計選擇的限制。硬件開發通常涉及處理器接口芯片和主板的設計。軟件切換成本更加龐大，因為CPU架構需要購買新的開發工具，要求定制化軟件。然而，各種行業趨勢推動了CPU平臺及系統設計者與CPU廠商的匹配，甚至令他們擁有更改CPU指令集的能力，從而通過各種應用優化產品。

半導體的集成推動了技術的發展，系統功能越來越豐富，芯片尺寸越來越小。很多高容量市場可能最終會發展為單芯片SOC，大多數嵌入式設計都有特殊的要求，嵌入式處理器的硬件元器件接口針對每種系統單獨設計，使各種嵌入式設計更加完善。因為中等容量產品最具靈活性，很多系統設計者已轉向計算機核心模塊（COM）的設計，將單個載板設計用于各種產品，支持標準子卡對最新CPU技術的快速采用。在高度集成的發展趨勢下，擁有高速互聯技術的先進外圍設備也已實現高度的標準化，支持最新的COM標準，包括多通道PCI Express、千兆以太網、USB 3.0及Display顯示端口。

鑒于新標準的廣泛采用，如COM Express 2.0版，嵌入式系統設計者已將植根于老式計算機的CPU專用接口大大減少。新的接口可以支持更多行業標準，與物理層及連接層總線架構之上的硬件抽象層共享高端、分組互聯的技術優勢。哪一種類型的CPU處理在數據并不重要，因為這些新的接口在數據傳輸層進行連接，可支持各種類型的CPU。絕大多數COM標準甚至還包括對通用I/O的支持，而且還可支持某些個人電腦的功能。

本文主要探討CPU的硬件選擇，同時也談及了軟件抽象化的發展趨勢。幾乎所有嵌入式操作系統都支持x86架構（Intel、AMD、VIA）及各廠商的ARM架構處理器。隨著跨平臺開發工具和開發包的普遍應用，應用源代碼更具輕便性。甚至隨著Java、HTML5等技術的廣泛應用，二進制輕便性已越來越容易實現。軟件抽象化趨勢甚至可能為其他類型的CPU架構（如MIPS、PPC、Tensilica等）提供與x86及ARM架構競爭的機會。

這些趨勢對技術的發展有何啟示呢？為了回答這一問題，不妨來看看Kontron對支持ARM架構處理器的廣泛支持。作為COM Express市場的領導者，Kontron曾主要支持其戰略合作伙伴英特爾的CPU產品。然而，業界的發展趨勢給予Kontron提供COM主板的機會。Kontron收購了德州儀器（Texas Instruments）的ARM架構處理器，同時宣布對搭載AMD處理器的COM Express主板提供更加全面的支持。就此展開了與其他支持三大x86處理器廠商的COM主板廠商的競爭。很多COM主板廠商已提供采用Qseven COM標準的ARM架構產品，在移動應用中利用精簡型架構。英特爾產品仍然擁有最豐富的功能和最高的性能，這些COM標準的發展支持系統設計者在每種產品的設計開發中加入CPU模塊，以提供最佳性能、最低功耗和最低成本。英特爾需要加快創新，以應對這些新的競爭威脅。

鑒于標準模塊的發展以及來自AMD、VIA及ARM的競爭壓力，英特爾在控制CPU價格方面顯得相形見絀。過去，英特爾嵌入式系統需要通過升級到高價格的英特爾處理器（及芯片組）來實現更快的存儲速度、64位處理性能、虛擬化、高級電源管理、硬件加密等。這些性能大多可在CPU的設計中都已得到實現，繼而也抬高了價格。只要大多數嵌入式系統公司仍然采用英特爾芯片，價格策略對大家的影響就是相同的。然而，行業趨勢將COM Express及Qseven卷入了競爭。其他CPU廠商也可提供高端性能，但不必像英特爾那樣需要支付高額費用。

威盛電子十幾年來一直致力于嵌入式市場的x86處理器研發，其Nano架構順應行業趨勢的發展，在業內占據舉足輕重的作用，不但降低了處理器的切換成本，而且加強了威盛在COM Express和Qseven領域的競爭力。威盛的技術優勢在于產品的高性能，這樣的性能只有英特爾的高端處理器才可提供。比如，英特爾面向價格敏感的嵌入式市場推出Atom架構，而將英特爾Core和Xeon處理器家族投向更高價位的應用中。目前，英特爾Atom處理器僅采用800MHz內存，而基于威盛Nano核心的系統采用1066 MHz內存，存儲帶寬與英特Atom處理器相比高出33%。這種差異可進一步延伸到微處理器領域。英特爾Atom是雙指令、順序執行架構，與威盛Nano 架構的三指令執行、亂序設計相比，明顯處于劣勢。Atom的優勢在于采用雙核和多線程，但最新的威盛處理器提供雙核和四核版本。威盛已發布SPEC CPU2000白皮書，其中顯示了在13瓦的熱設計功耗下高達40%的性能差異（下載白皮書請登錄：http://www.via.com.tw/en/products/proces-sors/nanoX2/whitepaper.jsp）。為了使基于英特爾核心的COM Express模塊超越基于威盛Nano X2及威盛四核處理器的模塊性能，系統設計者必須將英特爾COM Express的核心升級至英特爾Core。然而，這就顯著增加了Atom核心的功耗。除非降低核心的數量、時鐘率、存儲速度，才能實現優于威盛模塊的性能優勢。

硬件加密是英特爾為其奔騰處理器打造的高端性能。英特爾通過AES NI（新指令）支持加密，但英特爾嵌入式產品清單顯示，該功能只能對Core i5及更高性能的英特爾核心提供。對于早期的處理器，威盛優化了硬件引擎，并將其作為一項必不可少的功能，甚至將其應用到經美國國家標準與技術研究院認證的Padlock引擎中。英特爾對硬件加密的支持將鼓勵更多的系統設計者提升安全性能，因為基于軟件的技術安全性較低，且需要較大功耗。來自威盛的競爭壓力可能促使英特爾對其所有處理器產品制定硬件加密標準。

如果半導體集成的行業趨勢及硬件/軟件抽象化繼續發展，將會怎樣？當所有芯片性能都集成到單芯片上時，這種集成趨勢就會終止。然而，歷史表明，每個嵌入式市場對外圍設備和接口的要求都略有不同。只有高容量市場會實現自己的SOC，其他大多數一般用途的設計、嵌入式處理器及特殊應用的硬件尚且無法實現。然而，業界可能會嘗試為嵌入式處理器芯片設計一種通用的封裝和引腳，通過COM來提供技術優勢，這樣就可以得到更加廣泛的應用。即使將單個COM設備的芯片性能集成到一個單芯片上，這個半導體芯片仍然可以用于不同的COM引腳（類似于COM Express上的多連接器）。對于中等容量的嵌入式應用，因為模塊可以更換，針對再利用的設計就具有極大的靈活性。不必將CPU焊接到主板上，這種靈活性就很可能不斷加大。CPU容易更換，切換成本也會隨著標準接口的廣泛應用而不斷下降，軟件抽象化繼續發展。為了避免過度標準化，CPU廠商將面臨更大的創新壓力，他們需要不斷創新，在性能和功耗上提升競爭力。對于嵌入式系統設計者來說，所有發展趨勢都是有利的，因為CPU的競爭將促進行業的增長，來帶更多開發新型產品的機會。