计算机核心模块：最新标准支持更多CPU选择

本文主要探讨CPU的硬件选择，同时也谈及了软件抽象化的发展趋势。几乎所有嵌入式操作系统都支持x86架构（Intel、AMD、VIA）及各厂商的ARM架构处理器。

搭载威盛VX900媒体系统芯片组的最新威盛 COM Express主板支持威盛Nano、Nano X2及威盛四核处理器（图片为搭载VX800芯片组的COM Express主板）

半导体的集成化趋势使整个计算机系统缩减为只有少量元器件的组合，使其在小型主板上提供惊人的强大功能，嵌入式计算也随之不断发展。凭借高端模块行业标准的广泛采用（如COM Express及Qseven），嵌入式系统设计者能够在越来越高的集成度下进行工作。最新的COM接口就采用了符合高端协议的分组互联标准，如PCIe、USB 3.0、千兆以太网及Display视频接口。这些接口置于物理层及连接层上，此处CPU及存储选择都要求特殊的设计。计算机模块符合高端接口标准，目前系统设计者在CPU选择上拥有更大的自由，并且能够受益于最新的低功耗、低成本嵌入式处理器的竞争优势。

通常，因为切换成本相当高，嵌入式系统设计者难以摆脱前些年CPU设计选择的限制。硬件开发通常涉及处理器接口芯片和主板的设计。软件切换成本更加庞大，因为CPU架构需要购买新的开发工具，要求定制化软件。然而，各种行业趋势推动了CPU平台及系统设计者与CPU厂商的匹配，甚至令他们拥有更改CPU指令集的能力，从而通过各种应用优化产品。

半导体的集成推动了技术的发展，系统功能越来越丰富，芯片尺寸越来越小。很多高容量市场可能最终会发展为单芯片SOC，大多数嵌入式设计都有特殊的要求，嵌入式处理器的硬件元器件接口针对每种系统单独设计，使各种嵌入式设计更加完善。因为中等容量产品最具灵活性，很多系统设计者已转向计算机核心模块（COM）的设计，将单个载板设计用于各种产品，支持标准子卡对最新CPU技术的快速采用。在高度集成的发展趋势下，拥有高速互联技术的先进外围设备也已实现高度的标准化，支持最新的COM标准，包括多通道PCI Express、千兆以太网、USB 3.0及Display显示端口。

鉴于新标准的广泛采用，如COM Express 2.0版，嵌入式系统设计者已将植根于老式计算机的CPU专用接口大大减少。新的接口可以支持更多行业标准，与物理层及连接层总线架构之上的硬件抽象层共享高端、分组互联的技术优势。哪一种类型的CPU处理在数据并不重要，因为这些新的接口在数据传输层进行连接，可支持各种类型的CPU。绝大多数COM标准甚至还包括对通用I/O的支持，而且还可支持某些个人电脑的功能。

本文主要探讨CPU的硬件选择，同时也谈及了软件抽象化的发展趋势。几乎所有嵌入式操作系统都支持x86架构（Intel、AMD、VIA）及各厂商的ARM架构处理器。随着跨平台开发工具和开发包的普遍应用，应用源代码更具轻便性。甚至随着Java、HTML5等技术的广泛应用，二进制轻便性已越来越容易实现。软件抽象化趋势甚至可能为其他类型的CPU架构（如MIPS、PPC、Tensilica等）提供与x86及ARM架构竞争的机会。

这些趋势对技术的发展有何启示呢？为了回答这一问题，不妨来看看Kontron对支持ARM架构处理器的广泛支持。作为COM Express市场的领导者，Kontron曾主要支持其战略合作伙伴英特尔的CPU产品。然而，业界的发展趋势给予Kontron提供COM主板的机会。Kontron收购了德州仪器（Texas Instruments）的ARM架构处理器，同时宣布对搭载AMD处理器的COM Express主板提供更加全面的支持。就此展开了与其他支持三大x86处理器厂商的COM主板厂商的竞争。很多COM主板厂商已提供采用Qseven COM标准的ARM架构产品，在移动应用中利用精简型架构。英特尔产品仍然拥有最丰富的功能和最高的性能，这些COM标准的发展支持系统设计者在每种产品的设计开发中加入CPU模块，以提供最佳性能、最低功耗和最低成本。英特尔需要加快创新，以应对这些新的竞争威胁。

鉴于标准模块的发展以及来自AMD、VIA及ARM的竞争压力，英特尔在控制CPU价格方面显得相形见绌。过去，英特尔嵌入式系统需要通过升级到高价格的英特尔处理器（及芯片组）来实现更快的存储速度、64位处理性能、虚拟化、高级电源管理、硬件加密等。这些性能大多可在CPU的设计中都已得到实现，继而也抬高了价格。只要大多数嵌入式系统公司仍然采用英特尔芯片，价格策略对大家的影响就是相同的。然而，行业趋势将COM Express及Qseven卷入了竞争。其他CPU厂商也可提供高端性能，但不必像英特尔那样需要支付高额费用。

威盛电子十几年来一直致力于嵌入式市场的x86处理器研发，其Nano架构顺应行业趋势的发展，在业内占据举足轻重的作用，不但降低了处理器的切换成本，而且加强了威盛在COM Express和Qseven领域的竞争力。威盛的技术优势在于产品的高性能，这样的性能只有英特尔的高端处理器才可提供。比如，英特尔面向价格敏感的嵌入式市场推出Atom架构，而将英特尔Core和Xeon处理器家族投向更高价位的应用中。目前，英特尔Atom处理器仅采用800MHz内存，而基于威盛Nano核心的系统采用1066 MHz内存，存储带宽与英特Atom处理器相比高出33%。这种差异可进一步延伸到微处理器领域。英特尔Atom是双指令、顺序执行架构，与威盛Nano 架构的三指令执行、乱序设计相比，明显处于劣势。Atom的优势在于采用双核和多线程，但最新的威盛处理器提供双核和四核版本。威盛已发布SPEC CPU2000白皮书，其中显示了在13瓦的热设计功耗下高达40%的性能差异（下载白皮书请登录：http://www.via.com.tw/en/products/proces-sors/nanoX2/whitepaper.jsp）。为了使基于英特尔核心的COM Express模块超越基于威盛Nano X2及威盛四核处理器的模块性能，系统设计者必须将英特尔COM Express的核心升级至英特尔Core。然而，这就显著增加了Atom核心的功耗。除非降低核心的数量、时钟率、存储速度，才能实现优于威盛模块的性能优势。

硬件加密是英特尔为其奔腾处理器打造的高端性能。英特尔通过AES NI（新指令）支持加密，但英特尔嵌入式产品清单显示，该功能只能对Core i5及更高性能的英特尔核心提供。对于早期的处理器，威盛优化了硬件引擎，并将其作为一项必不可少的功能，甚至将其应用到经美国国家标准与技术研究院认证的Padlock引擎中。英特尔对硬件加密的支持将鼓励更多的系统设计者提升安全性能，因为基于软件的技术安全性较低，且需要较大功耗。来自威盛的竞争压力可能促使英特尔对其所有处理器产品制定硬件加密标准。

如果半导体集成的行业趋势及硬件/软件抽象化继续发展，将会怎样？当所有芯片性能都集成到单芯片上时，这种集成趋势就会终止。然而，历史表明，每个嵌入式市场对外围设备和接口的要求都略有不同。只有高容量市场会实现自己的SOC，其他大多数一般用途的设计、嵌入式处理器及特殊应用的硬件尚且无法实现。然而，业界可能会尝试为嵌入式处理器芯片设计一种通用的封装和引脚，通过COM来提供技术优势，这样就可以得到更加广泛的应用。即使将单个COM设备的芯片性能集成到一个单芯片上，这个半导体芯片仍然可以用于不同的COM引脚（类似于COM Express上的多连接器）。对于中等容量的嵌入式应用，因为模块可以更换，针对再利用的设计就具有极大的灵活性。不必将CPU焊接到主板上，这种灵活性就很可能不断加大。CPU容易更换，切换成本也会随着标准接口的广泛应用而不断下降，软件抽象化继续发展。为了避免过度标准化，CPU厂商将面临更大的创新压力，他们需要不断创新，在性能和功耗上提升竞争力。对于嵌入式系统设计者来说，所有发展趋势都是有利的，因为CPU的竞争将促进行业的增长，来带更多开发新型产品的机会。