为什么工业领域 ARM 处理器必然超越 X86?

时间:2017-11-30 10:06来源:ZLG致远电子

摘要:工业40快速发展,ARM处理器的应用也越来越广泛,是什么让ARM处理器在工业领域分掉X86的那杯羹呢?

工业4.0快速发展,ARM 处理器的应用也越来越广泛,是什么让 ARM 处理器在工业领域分掉 X86 的那杯羹呢?

从51单片机到 ARM 处理器,嵌入式微控制领域不断更替交叠,伴随而来的是技术的不断发展和生产力水平的不断提高。

目前在工业控制系统中大量应用了嵌入式 ARM,如工业过程控制、电力系统、石油化工、数控机床等,ARM 嵌入式系统的发展促进了工业控制自动化程度的提高。


 
图 1 ARM 的广泛应用

多方业内人士表示,ARM 会是趋势,未来嵌入式市场可能会形成中高端会是 X86 主导,低端由 ARM 的产品蚕食的双雄格局。

但你知道 ARM 和 X86 架构是什么吗,有什么区别,你能清楚的表述出吗?

大学一本《微机原理和接口技术》教会了我们什么是 CPU——中央控制器,它是一个执行部件,它之所以能执行,也是因为人们在里面制作了执行各种功能的硬件电路,然后再用一定的逻辑让它按照一定的顺序工作,这样就能完成人们给它的任务。

所以它主要由运算单元、控制单元、寄存单元三部分组成,从字面意思看运算单元就是起着运算的作用,控制单元就是负责发出 CPU 每条指令所需要的信息,寄存单元就是保存运算或者指令的一些临时文件,这样可以保证更高的速度。


 
图 2 CPU 内部架构和工作原理
 
CPU 的速度和功率效率是至关重要的。速度影响用户体验,而效率影响电池寿命。最完美的设备是高性能和低功耗相结合。

从 CPU 发明到现在,有多种架构,从最基本的逻辑角度来分类的话,它们可以被分为两大类,即“复杂指令集”与“精简指令集”系统,而 X86 和 ARM 处理器的第一个区别是,前者使用复杂指令集(CISC),而后者使用精简指令集(RISC)。


表 1 CISC 与 RISC 对比表
 

网上有个有趣的例子来说明两者的不同。比如说我们要命令一个人吃饭,那么我们应该怎么命令呢?

我们可以直接对他下达“吃饭”的命令,也可以命令他“先拿勺子,然后舀起一勺饭,然后张嘴,然后送到嘴里,最后咽下去”。

从这里可以看到,对于命令别人做事这样一件事情,不同的人有不同的理解,有人认为,如果我首先给接受命令的人以足够的训练,让他掌握各种复杂技能(即在硬件中实现对应的复杂功能),那么以后就可以用非常简单的命令让他去做很复杂的事情——比如只要说一句“吃饭”,他就会吃饭。

但是也有人认为这样会让事情变的太复杂,毕竟接受命令的人要做的事情很复杂,如果你这时候想让他吃菜怎么办?难道继续训练他吃菜的方法?

我们为什么不可以把事情分为许多非常基本的步骤,这样只需要接受命令的人懂得很少的基本技能,就可以完成同样的工作,无非是下达命令的人稍微累一点——比如现在我要他吃菜,只需要把刚刚吃饭命令里的“舀起一勺饭”改成“舀起一勺菜”,问题就解决了,多么简单。

这就是“复杂指令集”和“精简指令集”的逻辑区别。

而作为 ARM 与 X86 在嵌入式市场对决的主战场,在工业4.0中哪个有更有优势呢?


 
图 3 (此图无题注)
 
1. 运算性能:
 X86 架构的工业电脑比 ARM 架构的工业电脑在性能方面要快,综合运算能力强,但由于不具有实时系统,无法做到快速零启动;

 ARM 的优势在于效率,在完成综合性工作处于劣势,而 ARM 可快速启动进入状态,在任务相对固定的工业应用场合其优势就能发挥得淋漓尽致。

2. 操作系统兼容性:

 几乎所有 X86 硬件平台都可以直接使用微软的视窗系统及现在流行的几乎所有工具软件,所以 X86 系统在兼容性方面具有无可比拟的优势;

 ARM 几乎都采用 Linux 的操作系统,而且几乎所有的硬件系统都要单独构建自己的系统,与其他系统不能兼容,这也导致其应用软件不能方便移植,也制约了 ARM 的发展和应用;

3. 系统安全性:

 这是由于 Windows 软件平台的高兼容性,软件病毒容易侵入,引起电脑蓝屏或者死机,危害系统数据安全;

 而 linux 系统作为开放源代码构架,用户可以找出自己系统所存在的安全问题,并采取相应的防范措施以应对潜在的安全威胁;

 
图 4 windows 系统遭受勒索病毒
 
 
图 5 linux 用户及时更新补丁
 
4. 系统功能
 X86 硬件资源一般不接受客户个性化定制,定制化程度低,多作为整机销售,容易为客户造成接口资源浪费;

 嵌入式 ARM 产品多为定制化产品,可根据客户具体需求开放接口资源,为用户提供更合适优质的方案;

 
图 6 X86 工控机资源丰富,功能裁剪耗费精力,造成资源浪费
 
 
图 7 ARM 丰富的接口资源,定制化程度高
 
5. 二次开发
 X86 硬件多为高速信号,各种接口工控扩展需要复杂的电路设计及高难度的 PCB 设计,硬件的高度集成,导致扩展电路复杂难懂,稳定性难以保证;

 ARM 硬件设计简单,CPU 集成多种接口功能,设计开发难度低,常规电子工程师就能完成 ARM 工控板的二次开发,稳定性高。

6. 生产工艺

 X86 主频高、高频信号多、而工业现场对电磁兼容性、电磁干扰要求较苛刻。高频信号同时导致功耗较大,进而对生产工艺提出高要求,目前如奔腾 4 的晶体管数超过四千万,生产上也需采用最先进的 0.13 微米工艺,只有Intel 等少数公司有这样的设计和生产能力;

 ARM 的架构功能简单,EMC 保护等级较高,对半导体生产工艺的要求较低,多数不必采用最先进、昂贵的半导体工艺,解决了国内半导体生产能力的问题。

 
7. 工业品质
 
 X86 工控机主要领域为商用和家用行业,相对于民用来讲,工业控制对嵌入式系统各方面的要求相对较高,工业生产现场可能是高温、高压、易燃易爆、高噪音、高电磁辐射、带有腐蚀性气体或液体等的极其恶劣的环境,若处理不当或不及时,随处隐藏着可以酿成重大安全事故的隐患,如下图 9所示:

 致远电子精心推出的 ARM 核心板和工控整板都是完全符合工业级要求,工作温度可在 -40℃-﹢85℃,在高温高压密封容器、高速运转机器、高强度作业机械等领域得到了事实验证。

 
图 9 某主流 X86 型号工控机工作温度要求
 
 
图 10 致远电子 ARM 板工业级温度范围

“工业4.0领域的未来是 ARM 的,也是 X86 的,但是归根到底是ARM的”,相信 ARM 势必凭借自身优势,借助工业4.0的机遇一展宏图。

 
图 11 ARM 处理器用于自驾车以及医疗等领域
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