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嵌入式开启智慧化新风貌
应用渐趋宽广

【作者: 王明德】2017年07月11日 星期二

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在IT技术的精进下,嵌入式系统的应用快速拓展,除了应用数量最大的消费性电子产品外,生活周遭的各种IT系统,如ATM、POS等,都导入大量嵌入式技术,改变了嵌入式系统过去在自动领域,被局限於单纯讯号控制与自动控制应用,进而开发出更多附加价值。


根据应用类型的不同,嵌入式系统可以结合包含电脑技术、通讯技术、半导体技术、微机电技术、语音图像资料传输技术,甚至各种物理状态感应器等先进技术和具体应用,形成可以在各种领域发挥所长的产品。延伸到目前的产业应用来看,此类产品往往具备了技术密集、投资额度高且高度分散、不断创新的知识密集型架构。简单来说,嵌入式系统和一般的PC平台上的应用系统不同,其应用主要是针对不同的产品类型而设计,根据不同的应用,在嵌入式系统之间差别也相当大。


过去嵌入式自动化系统的单一功能、简化、尺寸小特色下,只要能够完全符合该需求,其他多馀的功能或组件都可以不需要,进而选用低阶CPU与其他组件,以增加其简化的目的以及散热与低耗电需求,这些需求都因嵌入式自动化系统的种类日渐多元而有所改变。



图一
图一

过去效能对大部分的嵌入式系统来说,其实并没有太大的意义,当特定应用只要在某个时段完成工作即可时,过剩的效能对於产能并没有太大的帮助,反之还会增加功耗。这要从几个面向来讲,首先,从工控应用来讲,嵌入式处理器主要是将操作者的指令转换成设备所能理解的讯号,藉此让设备可以完成特定的动作,就从这点来看,就要从人类思考的方式来考量,由於主要的工控设备都还是要委由人类来下达各种操作指令。


人脑虽然可以同时思考许多复杂的事情,但是其对於重复性的单调资料处理非常不在行,电脑,或者是嵌入式系统的处理器可以为我们代劳这些单调的资料转换以及输出入动作,但由於人类受到各种物理客观条件限制,不可能在同一时间内进行太多的操作,也就是这些先天上的输出入(I/O)能力限制,嵌入式处理器总是好整以暇的等待人类输入指令,这时,讲求效能就失去了意义。


但是换个角度来讲,如果这个工控设备必须对特定的物理现象进行量测取样以及数位类比转换,并且计算结果提供下一阶段的设备加工之用,这时效能就有可能会影响到演算法的采用,进而影响到量测的精细度,以及後续产品生产的结果,这种现象在高科技产业中比较常见,不过也仅止於机器对机器,或者是机器要将庞大资讯即时回应给操作者,如果作为单纯的介面操作之用,依然是不需要太高的效能。


因地制宜的嵌入式设计


而就一般的进出货仓储管理、条码机等应用,这方面就要牵扯到机器与产品规模的大小,但一般而言,依然不需要太强大的处理效能,举例来说,进货出货的RFID、条码扫瞄,与中控系统的连结,计算存货数量与出货数量,这些资料的处理即便是采用较慢的处理器,仍旧可以在瞬间完成,真正影响整体效能的,反而是货品的搬运流程。就算整个进货、出货都采用机器处理,完全不用人工接手,但除非瞬间移动的系统被发明出来,否则这类应用的瓶颈,依旧不会出在效能身上。


不过嵌入式技术如果在应用在其他领域,其规格与效能就必须提升,面对主流市场的发展,工业电脑也不断跟进,以CPU为例,从过去的Pentium系列、到现在的多核心,都让嵌入式系统的产品效能选择越来越齐全,关键零组件如Intel与AMD也快速开发出更多产品,以因应市场。


不过由於嵌入式系统的应用多半是需要长时间在特殊或艰困的环境下运作,无法进行常态性的维修或零件更换度动作,因此低功耗设计,可以协助嵌入式系统有效降低产品整体在散热方面的问题,进一步让嵌入式厂商开发出在严苛环境下使用的无风扇系统产品。此外,宽温应用的特性,也能让更多嵌入式应用产品,设置在严寒、酷热以及温差极大的环境下运作,因此嵌入式产品主要瞄准需要低功耗、无风扇设计的嵌入式应用,如工业电脑、收银机、资讯亭与大众运输售票亭、医疗监控、安全应用、汽车与运输系统,以及工业控制与监视..等不同领域。


以不同系统因应不同领域


对产业电脑厂商而言,这些供货商在嵌入式领域中的投入及重视,除了表示在产品技术上将更贴近应用实际需求外,对於产业电脑或嵌入式产业原本3至5年,或是更长的供货期而言,也等於是提出了更明确的供货保证。


至於在功耗方面,也必须从应用为出发点,一般来说,具备固定电源的嵌入式产品对功耗的要求较为宽松,不过虽然拥有固定电源,并不代表此类产品对功耗要求就不高,目前环保意识抬头,公司行号不论是工作电脑、机房或者是其它电器,都已经在功耗表现上逐渐被要求,当然,为了保护地球环境这点是讲得太远了,最显而易见的好处,就是可以从节省来的功耗省下大笔电费支出。


在功耗方面的控制,Intel可以说是近年来所有处理器产业界进步最大的,利用先进制程,仅付出些微的效能折损,就可达到几??与ARM平台平起平坐的功耗表现,着实令人惊艳。Intel过去在功耗以及效能比方面,一直是竞争对手攻击的对象,但是自从Core微架构面世以来,在效能与功耗方面屡有突破,也藉此压倒了竞争对手。过去Intel在嵌入式市场多以退流行的旧款处理器充数,这些处理器在市场上经过长久验证,在稳定性方面已经无庸置疑,但也代表Intel过去并没有将嵌入式市场作为主打战场。


新世代嵌入式概念


而无论各家厂商的市场策略为何,其讲求的是软硬体整合抑或是产品线的齐全,在这麽竞争激烈的市场中,相信获利的绝对是使用者,市场与规格发展得更成熟,所能选择的也就更多,就目前看来,竞争还会持续下去,未来的发展,值得让人期待。


就传统的应用而言,嵌入式系统功能较为单一、简单,且在相容性方面要求不高,但是在大小,成本方面限制较多,不过由於半导体技术的进步,加上软硬体功能逐渐整合的趋势,单一功能诉求的嵌入式系统已经越来越少,取而代之的,是具备多应用潜力的系统,只要搭配不同软体,便可以进行各种不同的任务,以目前普遍的工控电脑为例,针对此类应用的嵌入式系统就已经与传统概念大异其趣,反之,应该算是通用型架构之下的不同应用类型而已。


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