TI Cortex-A8在工业控制系统中的应用
【2013新能源与工业应用开发者论坛精彩笔录】

本文整理自TI/WPG专家李驹光在2013新能源与工业应用开发者论坛上的演讲，更多精彩方案尽在2013新能源、工业与嵌入式应用开发者论坛网络直播。


今天由我跟朋友们交流一下Cortex-A8在工业控制系统中的应用。交流的内容包含如下几个方面:第一：工业控制计算机应用现状；第二：微工控系统，工控机发展趋势；第三：TI Cortex-A8加速微工控系统发展；第四：中嵌科技以及服务。

我们看一下工业控制计算机应用现状，这个是一个简单的定义，下面的图片，一个是火电站，一个是炼油厂。我们把工业控制计算机抽象出来，它通常包含三个部分，第一是工业控制计算机，第二是运行在工控机上面的软件系统，除了这两个部分以外，还有一个部分是总线或者网络，需要把多个分散的工业控制计算机联结在一起。 

接下来我们看一下工业控制计算机，在我们的概念或者印象当中，工控机见得最多的就是这个样子，这个是我们国内某厂商的典型的工业控制计算机，它有一个名字，我们通常称为工业PC，为什么叫工业PC呢？是对我们通用PC进行工业化改造。优点就是功能强大，可扩展性好，软件开发与维护成本低等优点。但是它有固有毛病，因为它脱胎于传统的PC机，成本、功耗、体积和可靠性不能满足很多工业控制计算机的要求。当满工业控制计算机本质上讲和我们PC机是一样的，只不过做了一些工业化改造，本质上是X86架构处理器为核心，组建的这么一个系统。前面看到工业控制计算机的形态，由于体积、功耗的原因，很多地方受到制约。

过去二三十年里，工业计算机的发展为了适应我们的需求也做了不少的变化。过去三十年来产生如下常用几个标准，实际上他们都对X86架构计算机进行工业化的改造，第一是ETX，第二是XTX，第三是COM Express，第四是Qseven，看他们各自有什么特点。

我们看一下第一个ETX，这是德国提出来的，它做了什么样的变化呢？它实际上对工业计算机或者计算机模块，对机械特性和电气特性做了两方面的规范和约束。这是ETX3.0计算机的外形，正面是标准的固件，CPU加存储器，背面是什么概念，主要是高精度的计算件，无非是把X86计算机或者常用计算机的信号全部引出来了。我们注意一下左边的引角，只要接触计算机稍微早一点的就知道，就是ISA插槽，后面不能满足要求了，就进化成了PCI插槽。XTX做了一点变化，他们两个是一脉相承的东西。

我们再看一下COM模块，这个外形和ETX、XTX有很大相似之处，接口定义和接口规范上面有差异，靠两条黑色插槽链接，实际上和前面的差不多，就是把接口引出来。我们看到无论是XTX、ETX还是COM，不能单独使用，需要底版供电，有外围信号，才能构建工业控制计算机系统，这个模块是Q7，也是工业计算机的变种，我们接触得少一些。它是一个单版借口，用金手指把信号引出来。

这个是PC104，这是工业控制计算机里面用得最多的一种结构或者变种。这个说得详细一点，为什么叫PC104呢？首先它从个人计算机脱胎或者演变过来的，所以叫PC，104是什么意思呢，这个地方有一个插针，总共104个针，就定义了或者规范了我们所谓的信号和接口，所以这一个模块，这一个外形叫做PC104，在网络上面可以找到PC104的规范，大概20页的文档，对这个模块的机械特性、电气特性都做了详细的规范。这个孔开在哪里，接插件的位置放在那里就非常规范，我们自己设计电路板，只要按照这种规范进行设计，可以把我们的104模块扣到链接件上去，我们每需要一个功能模块就用一个。

PCI组件也控制在工业控制计算中为了跟上主流，又出现了PC104+，对应这四排插件的插座，定义了PCI总线，这个地方叫做PC104。当然我们看到，无论是前面的ETX还是XTX，还是PC104，就是对早期PC，工业计算机做了改造。无论怎么变，都有固有毛病，这由于早期PC不是针对现场设计，它的毛病到现在为止一直没有克服，首先第一个是什么呢？存储器，不管是采用哪种结构，目前所有的存储系统，仍然大量使用硬盘，大家知道硬盘是个机械部件，是旋转的，如果工业计算机按照72小时工作，硬盘平均寿命是两年时间，如果你采用X86工业控制计算机，你让它一直运行，基本上每两年都要换一次硬盘，当然随着电子技术发展，固态硬盘也在逐渐使用，带来的好处就是解决刚才这个问题，但是成本比较高，而且存储容量做不大。功耗也是一个问题，为了散热，最简单的方式就是风扇，还有液体冷却技术，成本太高。在军工行业里使用，在传统工业控制里面，这个玩意儿是最常使用的。在严苛的工业环境，很快风扇就不能转动，当风扇停止转动，这个CPU温度就会急剧升高，最终这个系统就会死掉。这个内存条永远是最脆弱的部件，大家看前面几个模块，看ETX、XTX，这个插座很明显，就是插内存条，但是所带来的问题就是，这个玩意儿的接插方式也是计算机系统当中非常脆弱的部件，所以这个不可靠的接插，这个风扇、硬盘、内存的脆弱就制约了这个系统的可靠性，目前为止，传统的基于X86架构的工业控制计算机，这几个问题仍然没有很好的解决。那么接下来会是什么样的发展趋势呢？

当然我们前面跟大家讲的工业控制计算机，主要是基于X86架构的处理器，组建比较强大的工业控制计算机，还有一种工业控制计算机，这个玩意儿叫做单片机，就这么一个芯片，构成了一个计算机，它的特点是什么呢？成本、功耗、体积，但是最大的毛病就是性能有限，它只能用于简单的工业控制。运算能力和存储能力制约了它的性能，通常这个东西只有几兆的运行速率，存储空间就是多少KB。这个只是适用简单的工业控制应用，复杂的场合是用不上的。过去三十年，工业控制计算机分为两大类，第一是简单场合的单片机系统，另一种是使用复杂场合的基于X86的工业控制计算机系统。新的发展趋势是什么概念？ 

在去年的时候我提出了一个名词叫做微工控系统，这个说法是仁者见仁、智者见智，很多人不以为然。我觉得这个是工业控制计算机发展趋势。为什么这么讲？随着以嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为代表的嵌入式技术的飞速发展，给传统的工业控制领域带来了巨大的影响。影响在哪里，把X86的性能和单片机相结合，形成了新一代的微工控系统，使这些成果向着更高智能化、网络化、集成化的方向发展，已是行业大势所趋。这是以嵌入式技术的飞速发展，没有这两个技术做支撑，这个也只能是空中楼阁。基于高性能微处理器和嵌入式操作系统的微工控系统，完美实现了低功耗、低成本、小体积的有机结合，具有传统工控机无可比拟的优势。看它是否包含了主流计算机的优点，表现形式是什么呢？小的铁盒子，形态各异的，它的硬件是以ORM为代表的RISC架构嵌入式微处理器，包括现在POWER PC就是ARM架构为代表的主流。以LINUX为代表的开元嵌入式操作系统，这个是微工控系统和工业控制计算机的基本技术。当然我们看一下微工控系统，它是面向应用对性能、成本、功耗和体积有严格要求，设计上完全摒弃了兼容PC标准的想法，着眼于千变万化的应用需求，这就是典型运用，无论是民用、军工还是各种各样的应用环境里都可以看到嵌入式工业控制计算机和微工控系统的身影。

我们提出如下几个特点：第一，较高的智能化，也就是它的运算能力，它的性能或者它的智能，必须要足够高，很多单片机系统不能满足需求，就是智能化程度不够或者运算能力不够，工业控制系统复杂度不断参加以及各种先进算法在工业控制系统中的应用，要求为工控系统具有较高的运算、存储及联网能力，支持复杂嵌入式操作系统及应用程序的运行。随着工工控系统的智能化程度的不断提高，取代工业PC实现各种复杂控制应用成为可能。

第二个特点，必须有较低的功耗，低功耗是RISC处理器最诱人的特性之一。耗不了多少电，如果达不到要求，就必须做大量的散热部件，由于温度不能降下来，这个系统的可靠性有巨大的问题。因此它不仅仅是用电的问题，比如采用低功耗处理器，可以去除散热片等部件，可以降低成本、缩小体积的同时增加系统可靠性。除了刚才所说的RISC架构处理器优秀以外，传统X86架构也在拼命做功耗降低的工作。这个是英特尔，前几年推出的灵动处理器，早期一位的追求性能对功耗没有太多要求，针对嵌入式领域推出了灵动系列。尽管它的功耗仍然很高。这个是台湾推出了C7系列的推出号称节能处理器，功耗做到十瓦以内，整个系统做出来也是十瓦以上，对很多控制系统来说这个仍然非常高。

第三是软件系统的开放性解决工业控制系统的互联互通问题，封闭的软件系统很难实现系统之间的有效整合及信息的高效传输。这就是为什么要采用开源操作系统的原因。如果这个操作系统，按照很多商业软件公司的策略，不开源，对应用工程师来说，仅仅局限于上面应用程序的开发，这个效率肯定是有毛病的，基于这么一种趋势，全球对这个开源的呼声非常高，我们国内十几年前一直有专门的团队。比如说第七届开源中国开源世界高峰论坛，这个是去年6月在北京举行的，今年第八届，再过几年也会在北京举行。这个东西每一年举行这么一个所谓高峰论坛，主题就是讨论开源操作系统或者开源软件问题。这里有一些小动物、小卡通，每一个小动物、小卡通代表一个开源软件或者软件工具，搞软件开发的工程师对这些东西非常熟悉。

第四，还要有较高性价比，系统成本永远决定我们是否可以推广使用的重要原因。因此性价比是微工控系统能否推广使用的重要原因。与工业PC相比较，微工控系统针对特定应用设计，在保证系统功能前提下，是有很大的优势。

前面描述了微工控系统的特性，我们看一下Cortex-M系列，这个是相对低端的结构，ARM公司推出这个的目的是什么呢？就是抢占8位单片机市场，它的性能不是特别高，但是成本、功耗、体积有很大的约束。这个M系列主要是抢占这个市场。高端系列A8、A9、A15频率都是非常高，占领高端市场。这个是基于ARM处理器的性能比价，我们拿出刚才Cortex-A8的处理器，我们把它与传统X86架构处理器进行几个指标的对比，首先进行功耗比较，我们必须选运算能力相当的处理器比较才有意义，我们选用灵动的X86架构处理器，这个是英特尔所谓的低功耗处理器，这个是英特尔系统里面用在嵌入式系统里面功耗比较低的处理器，这两个东西功耗特性是什么样子，平均工作模式下相差18倍，同一块1400安电池的供电，这个待机不到一天，这个可以数周。我们看一下它的性能，仍然是这两块处理器，性能比较是什么样子，这个性能相对比较地零，这是传统ARM11处理器的性能，这个是灵动处理器的性能，这个是我们Cortex-A9处理器性能，这个是Cortex-A15最高端处理器的性能，我们可以看到在这个地方，A9的ARM处理器和灵动处理器性能相当，看一下灵动处理器标称指标是1.6G，A9已经采用双核技术，虽然是800M，但是它是两个800M，性能略高。我们所谓嵌入式工业控制计算机看起来非常优秀，似乎有很广阔的发展前景，但是任何技术发展都会遇到制约因素。 

我们接下来看一下微工控系统制约因素是什么:

第一，软件系统复杂度较高。这是制约微工控系统发展重要原因。由于多样性平台引用和针对性强的特点，导致软件开发复杂度远高于X86系统，体现在从引导程序、操作系统、设备驱动到应用开发的各个层面。只要搞软件开发的都应该认识他，如果我们做LINUX的软件设计，我们所有C语言都是唐浩强教出来，它的写法、风格和代码组织和这个有很大的差异。当我们在LINUX下能够做相对复杂的应用程序之后，再往前跨一步要运行设备驱动程序，它和硬件系统紧密相关，这个时候难度就更大。因此软件的复杂度制约了嵌入式系统的发展。

第二，还缺乏统一的硬件规范，我们前面看到了，过去三十年来X86发展出来ETX、XTX、COM、PC104规范，ARM架构平台还没有标准，去年提议制定标准，似乎反映不是那么强烈，当然可以肯定，需要一定时间才能解决这个问题。因此，基于RISE架构的平台，各个厂商各自为政，没有统一的接口标准。

第三，缺乏专业工程师群体，这个和国家几十年来的教育体制和教育划分的原因，由于历史的原因，我们IT从业人员主要集中在长于X86系统开发的软件程序员和低端系统开发的单片机工程师，高端嵌入式系统工程师相对缺乏。大学计算机系统划分仍然是计算机相关专业，学软件的，电子化仪器仪表，学硬件的。软件工程师我们通常称为程序员，天天在PC上写程序，硬件工程师可以编单片机程序，但是让他做一个比较复杂的操作系统，在操作系统程序设计，这个做不到。随着技术发展，需要这两类技术有效整合，目前为止大学里面课程没有很好做到这一点，这个技术发展也就是最近不到十年的时间。

因此由于刚才我们提出的三个原因，制约了嵌入式工业控制计算机发展。在过去七八年来，基于ARM架构的处理器，仅以工业控制领域，随着Cortex-A8出来以后，TI推出的基于Cortex-A8的工业级嵌入式微处理其，包括AM335X，AM35XX，9M37XX等系列，使得以前只能想象的设计愿景变成了现实，大大加速了微工控系统的发展。因为它的功耗、体积达到了前所未有的标准。并且支持LINUX、安卓、CE等系统。基本这个是基于Cortex-A8处理器的基本结构，这个他们的核心就是Cortex-A8的核，主频最高达到一个G赫兹，这个对嵌入式处理器来说是不可想象的高速。它提供的CAN借口、CAT和BUS接口，这个只有在工业控制计算机系统中出现。这个处理器专门针对工业控制应用，具有很好的应用前景。通过最近两年他们的推广或者市场运作，到目前为止，这个Cortex-A8在工业控制领域里已经逐渐形成了气候，可以想象在今后相当长时间内，这个是高端工业控制机主流的硬件平台。这个是它的基本的性能描述，我们看它的优点是什么呢？性能很高，并且价格便宜，只有ARM11的价格。以相对低端的平均价格，人民币基本上可以在50元左右，这个价格在这个性能下非常优越。除了性能特性以外，这个外围非常丰富，可以使系统设计便捷，这个是它的应用领域，使用到消费电子、工业控制等我们所有可以想象的领域，这个我觉得在工业控制前景里面有很好的优势。

接下来简单给大家介绍一下中嵌科技，我们是一家致力于将高性能、低功耗、低成本、小体积嵌入式计算技术应用于军工、工业控制、智能仪器仪表、科教等领域，专业从事高质量嵌入式工业控制计算机和工业自动化产品研究、开发、制造、销售与系统整合于一体的高新技术企业，为客户提供嵌入式工业控制计算机和工业自动化产品、解决方案、技术支持与服务。我今天的交流就到这里。谢谢大家。