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嵌入式自動化規格快速演進
廠商推陳出新

【作者: 王明德】   2014年08月08日 星期五

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在IT技術的精進下,嵌入式系統的應用快速拓展,除了應用數量最大的消費性電子產品外,生活周遭的各種IT系統,如ATM、POS等,都導入大量嵌入式技術,改變了嵌入式系統過去在自動領域,被侷限於單純訊號控制與自動控制應用,進而開發出更多附加價值。


圖一
圖一

根據應用類型的不同,嵌入式系統可以結合包含電腦技術、通訊技術、半導體技術、微機電技術、語音圖像資料傳輸技術,甚至各種物理狀態感應器等先進技術和具體應用,形成可以在各種領域發揮所長的產品。延伸到目前的產業應用來看,此類產品往往具備了技術密集、投資額度高且高度分散、不斷創新的知識密集型架構。簡單來說,嵌入式系統和一般的PC 平台上的應用系統不同,其應用主要是針對不同的產品類型而設計,根據不同的應用,在嵌入式系統之間差別也相當大。


工控系統的效能考量


過去嵌入式自動化系統的單一功能、簡化、尺寸小特色下,只要能夠完全符合該需求,其他多餘的功能或組件都可以不需要,進而選用低階CPU與其他組件,以增加其簡化的目的以及散熱與低耗電需求,這些需求都因嵌入式自動化系統的種類日漸多元而有所改變。


過去效能對大部分的嵌入式系統來說,其實並沒有太大的意義,當特定應用只要在某個時段完成工作即可時,過剩的效能對於產能並沒有太大的幫助,反之還會增加功耗。這要從幾個面向來講,首先,從工控應用來講,嵌入式處理器主要是將操作者的指令轉換成設備所能理解的訊號,藉此讓設備可以完成特定的動作,就從這點來看,就要從人類思考的方式來考量,由於主要的工控設備都還是要委由人類來下達各種操作指令。


人腦雖然可以同時思考許多複雜的事情,但是其對於重複性的單調資料處理非常不在行,電腦,或者是嵌入式系統的處理器可以為我們代勞這些單調的資料轉換以及輸出入動作,但由於人類受到各種物理客觀條件限制,不可能在同一時間內進行太多的操作,也就是這些先天上的輸出入(I/O)能力限制,嵌入式處理器總是好整以暇的等待人類輸入指令,這時,講求效能就失去了意義。


但是換個角度來講,如果這個工控設備必須對特定的物理現象進行量測取樣以及數位類比轉換,並且計算結果提供下一階段的設備加工之用,這時效能就有可能會影響到演算法的採用,進而影響到量測的精細度,以及後續產品生產的結果,這種現象在高科技產業中比較常見,不過也僅止於機器對機器,或者是機器要將龐大資訊即時回應給操作者,如果作為單純的介面操作之用,依然是不需要太高的效能。


而就一般的進出貨倉儲管理、條碼機等應用,這方面就要牽扯到機器與產品規模的大小,但一般而言,依然不需要太強大的處理效能,舉例來說,進貨出貨的RFID、條碼掃瞄,與中控系統的連結,計算存貨數量與出貨數量,這些資料的處理即便是採用較慢的處理器,仍舊可以在瞬間完成,真正影響整體效能的,反而是貨品的搬運流程。就算整個進貨、出貨都採用機器處理,完全不用人工接手,但除非瞬間移動的系統被發明出來,否則這類應用的瓶頸,依舊不會出在效能身上。


以不同系統因應不同領域


不過嵌入式技術如果在應用在其他領域,其規格與效能就必須提升,面對主流市場的發展,工業電腦也不斷跟進,以CPU為例,從過去的Pentium系列、到現在的多核心,都讓嵌入式系統的產品效能選擇越來越齊全,關鍵零組件如Intel與AMD也快速開發出更多產品,以因應市場。


不過由於嵌入式系統的應用多半是需要長時間在特殊或艱困的環境下運作,無法進行常態性的維修或零件更換度動作,因此低功耗設計,可以協助嵌入式系統有效降低產品整體在散熱方面的問題,進一步讓嵌入式廠商開發出在嚴苛環境下使用的無風扇系統產品。此外,寬溫應用的特性,也能讓更多嵌入式應用產品,設置在嚴寒、酷熱以及溫差極大的環境下運作,因此嵌入式產品主要瞄準需要低功耗、無風扇設計的嵌入式應用,如工業電腦、收銀機、資訊亭與大眾運輸售票亭、醫療監控、安全應用、汽車與運輸系統,以及工業控制與監視..等不同領域。


對產業電腦廠商而言,這些供貨商在嵌入式領域中的投入及重視,除了表示在產品技術上將更貼近應用實際需求外,對於產業電腦或嵌入式產業原本3至5年,或是更長的供貨期而言,也等於是提出了更明確的供貨保證。


至於在功耗方面,也必須從應用為出發點,一般來說,具備固定電源的嵌入式產品對功耗的要求較為寬鬆,不過雖然擁有固定電源,並不代表此類產品對功耗要求就不高,目前環保意識抬頭,公司行號不論是工作電腦、機房或者是其它電器,都已經在功耗表現上逐漸被要求,當然,為了保護地球環境這點是講得太遠了,最顯而易見的好處,就是可以從節省來的功耗省下大筆電費支出。


在功耗方面的控制,Intel可以說是近年來所有處理器產業界進步最大的,利用先進製程,僅付出些微的效能折損,就可達到幾乎與ARM平台平起平坐的功耗表現,著實令人驚豔。Intel過去在功耗以及效能比方面,一直是競爭對手攻擊的對象,但是自從Core微架構面世以來,在效能與功耗方面屢有突破,也藉此壓倒了競爭對手。過去Intel在嵌入式市場多以退流行的舊款處理器充數,這些處理器在市場上經過長久驗證,在穩定性方面已經無庸置疑,但也代表Intel過去並沒有將嵌入式市場作為主打戰場。


而無論各家廠商的市場策略為何,其講求的是軟硬體整合抑或是產品線的齊全,在這麼競爭激烈的市場中,相信獲利的絕對是使用者,市場與規格發展得更成熟,所能選擇的也就更多,就目前看來,競爭還會持續下去,未來的發展,值得讓人期待。


就傳統的應用而言,嵌入式系統功能較為單一、簡單,且在相容性方面要求不高,但是在大小,成本方面限制較多,不過由於半導體技術的進步,加上軟硬體功能逐漸整合的趨勢,單一功能訴求的嵌入式系統已經越來越少。取而代之的,是具備多應用潛力的系統,只要搭配不同軟體,便可以進行各種不同的任務,以目前普遍的工控電腦為例,針對此類應用的嵌入式系統就已經與傳統概念大異其趣,反之,應該算是通用型架構之下的不同應用類型而已。


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