為什么工業(yè)領(lǐng)域ARM處理器必然超越X86？

工業(yè)4.0快速發(fā)展，ARM處理器的應(yīng)用也越來越廣泛，是什么讓ARM處理器在工業(yè)領(lǐng)域分掉X86的那杯羹呢?

從51單片機(jī)到ARM處理器，嵌入式微控制領(lǐng)域不斷更替交疊，伴隨而來的是技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)力水平的不斷提高。

目前在工業(yè)控制系統(tǒng)中大量應(yīng)用了嵌入式ARM，如工業(yè)過程控制、電力系統(tǒng)、石油化工、數(shù)控機(jī)床等，ARM嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)了工業(yè)控制自動(dòng)化程度的提高。

圖 1 ARM的廣泛應(yīng)用

多方業(yè)內(nèi)人士表示，ARM會(huì)是趨勢(shì)，未來嵌入式市場(chǎng)可能會(huì)形成中高端會(huì)是X86主導(dǎo)，低端由ARM的產(chǎn)品蠶食的雙雄格局。

但你知道ARM和X86架構(gòu)是什么嗎，有什么區(qū)別，你能清楚的表述出嗎?

大學(xué)一本《微機(jī)原理和接口技術(shù)》教會(huì)了我們什么是CPU——中央控制器，它是一個(gè)執(zhí)行部件，它之所以能執(zhí)行，也是因?yàn)槿藗冊(cè)诶锩嬷谱髁藞?zhí)行各種功能的硬件電路，然后再用一定的邏輯讓它按照一定的順序工作，這樣就能完成人們給它的任務(wù)。

所以它主要由運(yùn)算單元、控制單元、寄存單元三部分組成，從字面意思看運(yùn)算單元就是起著運(yùn)算的作用，控制單元就是負(fù)責(zé)發(fā)出CPU每條指令所需要的信息，寄存單元就是保存運(yùn)算或者指令的一些臨時(shí)文件，這樣可以保證更高的速度。

圖 2 CPU內(nèi)部架構(gòu)和工作原理

CPU的速度和功率效率是至關(guān)重要的。速度影響用戶體驗(yàn)，而效率影響電池壽命。最完美的設(shè)備是高性能和低功耗相結(jié)合。

從CPU發(fā)明到現(xiàn)在，有多種架構(gòu)，從最基本的邏輯角度來分類的話，它們可以被分為兩大類，即“復(fù)雜指令集”與“精簡(jiǎn)指令集”系統(tǒng)，而X86和ARM處理器的第一個(gè)區(qū)別是，前者使用復(fù)雜指令集(CISC)，而后者使用精簡(jiǎn)指令集(RISC)。

表 1 CISC與RISC對(duì)比表

網(wǎng)上有個(gè)有趣的例子來說明兩者的不同。比如說我們要命令一個(gè)人吃飯，那么我們應(yīng)該怎么命令呢?

我們可以直接對(duì)他下達(dá)“吃飯”的命令，也可以命令他“先拿勺子，然后舀起一勺飯，然后張嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。

從這里可以看到，對(duì)于命令別人做事這樣一件事情，不同的人有不同的理解，有人認(rèn)為，如果我首先給接受命令的人以足夠的訓(xùn)練，讓他掌握各種復(fù)雜技能(即在硬件中實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜功能)，那么以后就可以用非常簡(jiǎn)單的命令讓他去做很復(fù)雜的事情——比如只要說一句“吃飯”，他就會(huì)吃飯。

但是也有人認(rèn)為這樣會(huì)讓事情變的太復(fù)雜，畢竟接受命令的人要做的事情很復(fù)雜，如果你這時(shí)候想讓他吃菜怎么辦?難道繼續(xù)訓(xùn)練他吃菜的方法?

我們?yōu)槭裁床豢梢园咽虑榉譃樵S多非常基本的步驟，這樣只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同樣的工作，無非是下達(dá)命令的人稍微累一點(diǎn)——比如現(xiàn)在我要他吃菜，只需要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”，問題就解決了，多么簡(jiǎn)單。

這就是“復(fù)雜指令集”和“精簡(jiǎn)指令集”的邏輯區(qū)別。

而作為ARM與X86在嵌入式市場(chǎng)對(duì)決的主戰(zhàn)場(chǎng)，在工業(yè)4.0中哪個(gè)有更有優(yōu)勢(shì)呢?

圖 3 (此圖無題注)

1. 運(yùn)算性能：

l X86架構(gòu)的工業(yè)電腦比ARM架構(gòu)的工業(yè)電腦在性能方面要快，綜合運(yùn)算能力強(qiáng)，但由于不具有實(shí)時(shí)系統(tǒng)，無法做到快速零啟動(dòng);

l ARM的優(yōu)勢(shì)在于效率，在完成綜合性工作處于劣勢(shì)，而ARM可快速啟動(dòng)進(jìn)入狀態(tài)，在任務(wù)相對(duì)固定的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合其優(yōu)勢(shì)就能發(fā)揮得淋漓盡致。

2. 操作系統(tǒng)兼容性：

l 幾乎所有X86硬件平臺(tái)都可以直接使用微軟的視窗系統(tǒng)及現(xiàn)在流行的幾乎所有工具軟件，所以X86系統(tǒng)在兼容性方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì);

l ARM幾乎都采用Linux的操作系統(tǒng)，而且?guī)缀跛械挠布到y(tǒng)都要單獨(dú)構(gòu)建自己的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導(dǎo)致其應(yīng)用軟件不能方便移植，也制約了ARM的發(fā)展和應(yīng)用;

3. 系統(tǒng)安全性：

l 這是由于Windows軟件平臺(tái)的高兼容性，軟件病毒容易侵入，引起電腦藍(lán)屏或者死機(jī)，危害系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全;

l 而linux系統(tǒng)作為開放源代碼構(gòu)架，用戶可以找出自己系統(tǒng)所存在的安全問題，并采取相應(yīng)的防范措施以應(yīng)對(duì)潛在的安全威脅;

圖 4 windows系統(tǒng)遭受勒索病毒

圖 5 linux用戶及時(shí)更新補(bǔ)丁

4. 系統(tǒng)功能

l X86硬件資源一般不接受客戶個(gè)性化定制，定制化程度低，多作為整機(jī)銷售，容易為客戶造成接口資源浪費(fèi);

l 嵌入式ARM產(chǎn)品多為定制化產(chǎn)品，可根據(jù)客戶具體需求開放接口資源，為用戶提供更合適優(yōu)質(zhì)的方案;

圖 6 X86工控機(jī)資源豐富，功能裁剪耗費(fèi)精力，造成資源浪費(fèi)

圖 7 ARM豐富的接口資源，定制化程度高

5. 二次開發(fā)

l X86硬件多為高速信號(hào)，各種接口工控?cái)U(kuò)展需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)及高難度的PCB設(shè)計(jì)，硬件的高度集成，導(dǎo)致擴(kuò)展電路復(fù)雜難懂，穩(wěn)定性難以保證;

l ARM硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，CPU集成多種接口功能，設(shè)計(jì)開發(fā)難度低，常規(guī)電子工程師就能完成ARM工控板的二次開發(fā)，穩(wěn)定性高。

6. 生產(chǎn)工藝

l X86主頻高、高頻信號(hào)多、而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電磁兼容性、電磁干擾要求較苛刻。高頻信號(hào)同時(shí)導(dǎo)致功耗較大，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)工藝提出高要求，目前如奔騰 4 的晶體管數(shù)超過四千萬，生產(chǎn)上也需采用最先進(jìn)的 0.13 微米工藝，只有Intel 等少數(shù)公司有這樣的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力;

l ARM的架構(gòu)功能簡(jiǎn)單，EMC保護(hù)等級(jí)較高，對(duì)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的要求較低，多數(shù)不必采用最先進(jìn)、昂貴的半導(dǎo)體工藝，解決了國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)能力的問題。

7. 工業(yè)品質(zhì)

l X86工控機(jī)主要領(lǐng)域?yàn)樯逃煤图矣眯袠I(yè)，相對(duì)于民用來講，工業(yè)控制對(duì)嵌入式系統(tǒng)各方面的要求相對(duì)較高，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可能是高溫、高壓、易燃易爆、高噪音、高電磁輻射、帶有腐蝕性氣體或液體等的極其惡劣的環(huán)境，若處理不當(dāng)或不及時(shí)，隨處隱藏著可以釀成重大安全事故的隱患，如下圖 9所示：

l 致遠(yuǎn)電子精心推出的ARM核心板和工控整板都是完全符合工業(yè)級(jí)要求，工作溫度可在-40℃-85℃，在高溫高壓密封容器、高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器、高強(qiáng)度作業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域得到了事實(shí)驗(yàn)證。

圖 9 某主流X86型號(hào)工控機(jī)工作溫度要求

圖 10 致遠(yuǎn)電子ARM板工業(yè)級(jí)溫度范圍

“工業(yè)4.0領(lǐng)域的未來是ARM的，也是X86的，但是歸根到底是ARM的”，相信ARM勢(shì)必憑借自身優(yōu)勢(shì)，借助工業(yè)4.0的機(jī)遇一展宏圖。

圖 11 ARM處理器用于自駕車以及醫(yī)療等領(lǐng)域