工業4.0快(kuài)速發(fà)展(zhǎn)，ARM處(chù)理(lǐ)器的(de)應(yìng)用(yòng)也(yě)越来(lái)越廣泛，是(shì)什(shén)麼(me)讓ARM處(chù)理(lǐ)器在(zài)工業領域分(fēn)掉X86的(de)那(nà)杯(bēi)羹呢?

從51单片機(jī)到(dào)ARM處(chù)理(lǐ)器，嵌入(rù)式微控制領域不(bù)斷更(gèng)替交疊，伴随而(ér)来(lái)的(de)是(shì)技術(shù)的(de)不(bù)斷發(fà)展(zhǎn)和生(shēng)产力水(shuǐ)平的(de)不(bù)斷提(tí)高(gāo)。

目前(qián)在(zài)工業控制系(xì)統中(zhōng)大(dà)量(liàng)應(yìng)用(yòng)了(le)嵌入(rù)式ARM，如(rú)工業过(guò)程控制、电力系(xì)統、石(dàn)油(yóu)化(huà)工、數控機(jī)床(chuáng)等，ARM嵌入(rù)式系(xì)統的(de)發(fà)展(zhǎn)促進(jìn)了(le)工業控制自(zì)动化(huà)程度(dù)的(de)提(tí)高(gāo)。

图 1 ARM的(de)廣泛應(yìng)用(yòng)

多(duō)方(fāng)業內(nèi)人(rén)士表(biǎo)示，ARM会(huì)是(shì)趨勢，未来(lái)嵌入(rù)式市(shì)场(chǎng)可(kě)能(néng)会(huì)形成(chéng)中(zhōng)高(gāo)端会(huì)是(shì)X86主(zhǔ)導，低端由(yóu)ARM的(de)产品蠶食的(de)双(shuāng)雄格局(jú)。

但你知道(dào)ARM和X86架构是(shì)什(shén)麼(me)嗎，有(yǒu)什(shén)麼(me)區(qū)别，你能(néng)清(qīng)楚的(de)表(biǎo)述出(chū)嗎?

大(dà)學(xué)一(yī)本《微機(jī)原理(lǐ)和接口(kǒu)技術(shù)》教会(huì)了(le)我(wǒ)们(men)什(shén)麼(me)是(shì)CPU——中(zhōng)央控制器，它(tā)是(shì)一(yī)个(gè)執行部件(jiàn)，它(tā)之(zhī)所(suǒ)以(yǐ)能(néng)執行，也(yě)是(shì)因(yīn)为(wèi)人(rén)们(men)在(zài)里(lǐ)面(miàn)制作(zuò)了(le)執行各(gè)種(zhǒng)功能(néng)的(de)硬(yìng)件(jiàn)电路(lù)，然後(hòu)再用(yòng)一(yī)定(dìng)的(de)邏輯讓它(tā)按照一(yī)定(dìng)的(de)順序工作(zuò)，这(zhè)樣(yàng)就(jiù)能(néng)完成(chéng)人(rén)们(men)給(gěi)它(tā)的(de)任務(wù)。

所(suǒ)以(yǐ)它(tā)主(zhǔ)要(yào)由(yóu)運算单元(yuán)、控制单元(yuán)、寄存单元(yuán)三(sān)部分(fēn)組成(chéng)，從字(zì)面(miàn)意(yì)思(sī)看(kàn)運算单元(yuán)就(jiù)是(shì)起(qǐ)着運算的(de)作(zuò)用(yòng)，控制单元(yuán)就(jiù)是(shì)負責發(fà)出(chū)CPU每条(tiáo)指令所(suǒ)需要(yào)的(de)信(xìn)息，寄存单元(yuán)就(jiù)是(shì)保存運算或(huò)者(zhě)指令的(de)一(yī)些(xiē)臨时(shí)文件(jiàn)，这(zhè)樣(yàng)可(kě)以(yǐ)保證更(gèng)高(gāo)的(de)速度(dù)。

图 2 CPU內(nèi)部架构和工作(zuò)原理(lǐ)

CPU的(de)速度(dù)和功率效率是(shì)至關(guān)重(zhòng)要(yào)的(de)。速度(dù)影響用(yòng)戶體(tǐ)验(yàn)，而(ér)效率影響电池壽命。最(zuì)完美的(de)設備是(shì)高(gāo)性(xìng)能(néng)和低功耗相結合。

從CPU發(fà)明(míng)到(dào)現(xiàn)在(zài)，有(yǒu)多(duō)種(zhǒng)架构，從最(zuì)基本的(de)邏輯角(jiǎo)度(dù)来(lái)分(fēn)類(lèi)的(de)话，它(tā)们(men)可(kě)以(yǐ)被(bèi)分(fēn)为(wèi)两(liǎng)大(dà)類(lèi)，即“复雜指令集”與(yǔ)“精簡指令集”系(xì)統，而(ér)X86和ARM處(chù)理(lǐ)器的(de)第(dì)一(yī)个(gè)區(qū)别是(shì)，前(qián)者(zhě)使用(yòng)复雜指令集(CISC)，而(ér)後(hòu)者(zhě)使用(yòng)精簡指令集(RISC)。

表(biǎo) 1 CISC與(yǔ)RISC对(duì)比表(biǎo)

网(wǎng)上(shàng)有(yǒu)个(gè)有(yǒu)趣的(de)例子来(lái)说(shuō)明(míng)两(liǎng)者(zhě)的(de)不(bù)同(tóng)。比如(rú)说(shuō)我(wǒ)们(men)要(yào)命令一(yī)个(gè)人(rén)吃飯，那(nà)麼(me)我(wǒ)们(men)應(yìng)該怎麼(me)命令呢?

我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)直接对(duì)他(tā)下(xià)达(dá)“吃飯”的(de)命令，也(yě)可(kě)以(yǐ)命令他(tā)“先(xiān)拿勺(sháo)子，然後(hòu)舀起(qǐ)一(yī)勺(sháo)飯，然後(hòu)张(zhāng)嘴，然後(hòu)送到(dào)嘴里(lǐ)，最(zuì)後(hòu)咽下(xià)去(qù)”。

從这(zhè)里(lǐ)可(kě)以(yǐ)看(kàn)到(dào)，对(duì)于(yú)命令别人(rén)做事(shì)这(zhè)樣(yàng)一(yī)件(jiàn)事(shì)情(qíng)，不(bù)同(tóng)的(de)人(rén)有(yǒu)不(bù)同(tóng)的(de)理(lǐ)解(jiě)，有(yǒu)人(rén)認为(wèi)，如(rú)果(guǒ)我(wǒ)首先(xiān)給(gěi)接受命令的(de)人(rén)以(yǐ)足夠的(de)訓練，讓他(tā)掌握各(gè)種(zhǒng)复雜技能(néng)(即在(zài)硬(yìng)件(jiàn)中(zhōng)實(shí)現(xiàn)对(duì)應(yìng)的(de)复雜功能(néng))，那(nà)麼(me)以(yǐ)後(hòu)就(jiù)可(kě)以(yǐ)用(yòng)非(fēi)常簡单的(de)命令讓他(tā)去(qù)做很复雜的(de)事(shì)情(qíng)——比如(rú)只要(yào)说(shuō)一(yī)句(jù)“吃飯”，他(tā)就(jiù)会(huì)吃飯。

但是(shì)也(yě)有(yǒu)人(rén)認为(wèi)这(zhè)樣(yàng)会(huì)讓事(shì)情(qíng)變(biàn)的(de)太复雜，畢竟接受命令的(de)人(rén)要(yào)做的(de)事(shì)情(qíng)很复雜，如(rú)果(guǒ)你这(zhè)时(shí)候想讓他(tā)吃菜怎麼(me)辦(bàn)?難道(dào)繼續訓練他(tā)吃菜的(de)方(fāng)法(fǎ)?

我(wǒ)们(men)为(wèi)什(shén)麼(me)不(bù)可(kě)以(yǐ)把(bǎ)事(shì)情(qíng)分(fēn)为(wèi)許多(duō)非(fēi)常基本的(de)步驟，这(zhè)樣(yàng)只需要(yào)接受命令的(de)人(rén)懂得很少(shǎo)的(de)基本技能(néng)，就(jiù)可(kě)以(yǐ)完成(chéng)同(tóng)樣(yàng)的(de)工作(zuò)，无非(fēi)是(shì)下(xià)达(dá)命令的(de)人(rén)稍微累一(yī)點(diǎn)——比如(rú)現(xiàn)在(zài)我(wǒ)要(yào)他(tā)吃菜，只需要(yào)把(bǎ)剛剛吃飯命令里(lǐ)的(de)“舀起(qǐ)一(yī)勺(sháo)飯”改成(chéng)“舀起(qǐ)一(yī)勺(sháo)菜”，問(wèn)題(tí)就(jiù)解(jiě)決了(le)，多(duō)麼(me)簡单。

这(zhè)就(jiù)是(shì)“复雜指令集”和“精簡指令集”的(de)邏輯區(qū)别。

而(ér)作(zuò)为(wèi)ARM與(yǔ)X86在(zài)嵌入(rù)式市(shì)场(chǎng)对(duì)決的(de)主(zhǔ)戰场(chǎng)，在(zài)工業4.0中(zhōng)哪个(gè)有(yǒu)更(gèng)有(yǒu)優勢呢?

图 3 (此(cǐ)图无題(tí)注)

1. 運算性(xìng)能(néng)：

l X86架构的(de)工業电腦比ARM架构的(de)工業电腦在(zài)性(xìng)能(néng)方(fāng)面(miàn)要(yào)快(kuài)，綜合運算能(néng)力強(qiáng)，但由(yóu)于(yú)不(bù)具有(yǒu)實(shí)时(shí)系(xì)統，无法(fǎ)做到(dào)快(kuài)速零(líng)啟动;

l ARM的(de)優勢在(zài)于(yú)效率，在(zài)完成(chéng)綜合性(xìng)工作(zuò)處(chù)于(yú)劣勢，而(ér)ARM可(kě)快(kuài)速啟动進(jìn)入(rù)狀态，在(zài)任務(wù)相对(duì)固定(dìng)的(de)工業應(yìng)用(yòng)场(chǎng)合其(qí)優勢就(jiù)能(néng)發(fà)揮得淋漓盡致(zhì)。

2. 操作(zuò)系(xì)統兼容性(xìng)：

l 幾(jǐ)乎所(suǒ)有(yǒu)X86硬(yìng)件(jiàn)平台都可(kě)以(yǐ)直接使用(yòng)微软(ruǎn)的(de)視窗(chuāng)系(xì)統及(jí)現(xiàn)在(zài)流行的(de)幾(jǐ)乎所(suǒ)有(yǒu)工具软(ruǎn)件(jiàn)，所(suǒ)以(yǐ)X86系(xì)統在(zài)兼容性(xìng)方(fāng)面(miàn)具有(yǒu)无可(kě)比拟的(de)優勢;

l ARM幾(jǐ)乎都采用(yòng)Linux的(de)操作(zuò)系(xì)統，而(ér)且(qiě)幾(jǐ)乎所(suǒ)有(yǒu)的(de)硬(yìng)件(jiàn)系(xì)統都要(yào)单獨构建自(zì)己的(de)系(xì)統，與(yǔ)其(qí)他(tā)系(xì)統不(bù)能(néng)兼容，这(zhè)也(yě)導致(zhì)其(qí)應(yìng)用(yòng)软(ruǎn)件(jiàn)不(bù)能(néng)方(fāng)便移植，也(yě)制約了(le)ARM的(de)發(fà)展(zhǎn)和應(yìng)用(yòng);

3. 系(xì)統安(ān)全(quán)性(xìng)：

l 这(zhè)是(shì)由(yóu)于(yú)Windows软(ruǎn)件(jiàn)平台的(de)高(gāo)兼容性(xìng)，软(ruǎn)件(jiàn)病毒容易侵入(rù)，引起(qǐ)电腦藍(lán)屏或(huò)者(zhě)死機(jī)，危害系(xì)統數據(jù)安(ān)全(quán);

l 而(ér)linux系(xì)統作(zuò)为(wèi)開(kāi)放(fàng)源代(dài)碼构架，用(yòng)戶可(kě)以(yǐ)找(zhǎo)出(chū)自(zì)己系(xì)統所(suǒ)存在(zài)的(de)安(ān)全(quán)問(wèn)題(tí)，並(bìng)采取(qǔ)相應(yìng)的(de)防範措施以(yǐ)應(yìng)对(duì)潛在(zài)的(de)安(ān)全(quán)威脅;

图 4 windows系(xì)統遭(zāo)受勒索病毒

图 5 linux用(yòng)戶及(jí)时(shí)更(gèng)新(xīn)补丁

4. 系(xì)統功能(néng)

l X86硬(yìng)件(jiàn)資源一(yī)般不(bù)接受客戶个(gè)性(xìng)化(huà)定(dìng)制，定(dìng)制化(huà)程度(dù)低，多(duō)作(zuò)为(wèi)整機(jī)銷售，容易为(wèi)客戶造成(chéng)接口(kǒu)資源浪費;

l 嵌入(rù)式ARM产品多(duō)为(wèi)定(dìng)制化(huà)产品，可(kě)根(gēn)據(jù)客戶具體(tǐ)需求開(kāi)放(fàng)接口(kǒu)資源，为(wèi)用(yòng)戶提(tí)供更(gèng)合适優質(zhì)的(de)方(fāng)案(àn);

图 6 X86工控機(jī)資源丰富，功能(néng)裁剪耗費精力，造成(chéng)資源浪費

图 7 ARM丰富的(de)接口(kǒu)資源，定(dìng)制化(huà)程度(dù)高(gāo)

5. 二(èr)次開(kāi)發(fà)

l X86硬(yìng)件(jiàn)多(duō)为(wèi)高(gāo)速信(xìn)号(hào)，各(gè)種(zhǒng)接口(kǒu)工控擴展(zhǎn)需要(yào)复雜的(de)电路(lù)設計(jì)及(jí)高(gāo)難度(dù)的(de)PCB設計(jì)，硬(yìng)件(jiàn)的(de)高(gāo)度(dù)集成(chéng)，導致(zhì)擴展(zhǎn)电路(lù)复雜難懂，穩定(dìng)性(xìng)難以(yǐ)保證;

l ARM硬(yìng)件(jiàn)設計(jì)簡单，CPU集成(chéng)多(duō)種(zhǒng)接口(kǒu)功能(néng)，設計(jì)開(kāi)發(fà)難度(dù)低，常规电子工程师(shī)就(jiù)能(néng)完成(chéng)ARM工控板的(de)二(èr)次開(kāi)發(fà)，穩定(dìng)性(xìng)高(gāo)。

6. 生(shēng)产工藝

l X86主(zhǔ)頻高(gāo)、高(gāo)頻信(xìn)号(hào)多(duō)、而(ér)工業現(xiàn)场(chǎng)对(duì)电磁兼容性(xìng)、电磁干扰要(yào)求較苛刻。高(gāo)頻信(xìn)号(hào)同(tóng)时(shí)導致(zhì)功耗較大(dà)，進(jìn)而(ér)对(duì)生(shēng)产工藝提(tí)出(chū)高(gāo)要(yào)求，目前(qián)如(rú)奔騰 4 的(de)晶體(tǐ)管數超过(guò)四(sì)千(qiān)万(wàn)，生(shēng)产上(shàng)也(yě)需采用(yòng)最(zuì)先(xiān)進(jìn)的(de) 0.13 微米(mǐ)工藝，只有(yǒu)Intel 等少(shǎo)數公(gōng)司有(yǒu)这(zhè)樣(yàng)的(de)設計(jì)和生(shēng)产能(néng)力;

l ARM的(de)架构功能(néng)簡单，EMC保護等级較高(gāo)，对(duì)半導體(tǐ)生(shēng)产工藝的(de)要(yào)求較低，多(duō)數不(bù)必采用(yòng)最(zuì)先(xiān)進(jìn)、昂贵的(de)半導體(tǐ)工藝，解(jiě)決了(le)國(guó)內(nèi)半導體(tǐ)生(shēng)产能(néng)力的(de)問(wèn)題(tí)。

7. 工業品質(zhì)

l X86工控機(jī)主(zhǔ)要(yào)領域为(wèi)商用(yòng)和家(jiā)用(yòng)行業，相对(duì)于(yú)民用(yòng)来(lái)講，工業控制对(duì)嵌入(rù)式系(xì)統各(gè)方(fāng)面(miàn)的(de)要(yào)求相对(duì)較高(gāo)，工業生(shēng)产現(xiàn)场(chǎng)可(kě)能(néng)是(shì)高(gāo)温(wēn)、高(gāo)压、易燃易爆、高(gāo)噪音(yīn)、高(gāo)电磁輻射、带(dài)有(yǒu)腐蝕性(xìng)气(qì)體(tǐ)或(huò)液體(tǐ)等的(de)极(jí)其(qí)惡劣的(de)环(huán)境，若處(chù)理(lǐ)不(bù)當或(huò)不(bù)及(jí)时(shí)，随處(chù)隐藏着可(kě)以(yǐ)釀成(chéng)重(zhòng)大(dà)安(ān)全(quán)事(shì)故的(de)隐患，如(rú)下(xià)图 9所(suǒ)示：

l 致(zhì)遠(yuǎn)电子精心(xīn)推出(chū)的(de)ARM核心(xīn)板和工控整板都是(shì)完全(quán)符合工業级要(yào)求，工作(zuò)温(wēn)度(dù)可(kě)在(zài)-40℃-﹢85℃，在(zài)高(gāo)温(wēn)高(gāo)压密封(fēng)容器、高(gāo)速運轉(zhuǎn)機(jī)器、高(gāo)強(qiáng)度(dù)作(zuò)業機(jī)械等領域得到(dào)了(le)事(shì)實(shí)验(yàn)證。

图 9 某主(zhǔ)流X86型号(hào)工控機(jī)工作(zuò)温(wēn)度(dù)要(yào)求

图 10 致(zhì)遠(yuǎn)电子ARM板工業级温(wēn)度(dù)範圍

“工業4.0領域的(de)未来(lái)是(shì)ARM的(de)，也(yě)是(shì)X86的(de)，但是(shì)歸根(gēn)到(dào)底是(shì)ARM的(de)”，相信(xìn)ARM勢必凭借(jiè)自(zì)身(shēn)優勢，借(jiè)助工業4.0的(de)機(jī)遇一(yī)展(zhǎn)宏图。

图 11 ARM處(chù)理(lǐ)器用(yòng)于(yú)自(zì)駕車以(yǐ)及(jí)醫療等領域