Embedded-Mikroprozessoren ARM, AMD, Intel und MIPS im Vergleich

Redakteur: Holger Heller

Prozessoren bzw. Mikrocontroller für den Embedded-Bereich gibt es viele. Dieser Vergleich soll jedem, der eine spezielle Applikation im Auge hat, die Auswahl des geeigneten CPU/MCU-Typs erleichtern.

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Wenn man sich die PC-Welt anschaut, dann beginnen die Prozessoren etwa in der Intel/AMD-Mobile-Klasse, also mit Intels Atom- oder AMDs Geode (LX) bzw. der neuen AMD-Fusion-Familie. Das Ende nach oben ist offen. Im Embedded-Bereich hingegen stellen Prozessoren bzw. Mikrocontroller der Intel/AMD-Mobile-Klasse wohl die Spitze dar – von Ausnahmen einmal abgesehen.

Im Bereich der PDAs, der Smartphones und der industriellen Anwendungen mit hohem Performancebedarf treffen diese Welten nun aufeinander: Noch PC oder schon eher Embedded-System bzw. System mit spezialisierten Funktionen? Dieses Zusammentreffen ist auch am CPU- und MCU-Markt zu erkennen, denn in dieser Performanceklasse treffen die bekannten Prozessoren aus der Pentium-Leistungsklasse die in der Embedded-Welt ebenso bekannten Highend-MCUs, vertreten durch ARM Cortex-A8/A9 – und neuerdings auch den MIPS-basierten Loongsom 2F chinesischen Ursprungs. Grund genug, diese Prozessoren/Controller einmal nebeneinander zu stellen.

Ergänzendes zum Thema
Fazit unseres Autors Prof. Christian Siemers

Die Tabelle in diesem Beitrag fasst einige Familienmitglieder von AMD, ARM, Intel und MIPS/Loongson mit ihren wesentlichen Eigenschaften zusammen, um dadurch ein wenig Vergleichbarkeit zu schaffen. Was hierin nicht enthalten ist, sind Eigenschaften wie Qualifikation für den Embedded-Bereich, verfügbare Temperaturbereiche usw. Das wäre jeweils individuell hinzuzufügen.

Den einen finalen Tipp gibt es leider nicht, dafür aber einige: Schauen Sie zunächst auf die Verlustleistung (TDP) und die Taktrate: Das Verhältnis bewegt sich zwischen 2,1 (Cortex-A8) und 11,4 (Turion II Neo). Bezieht man noch die Anzahl des Threads und (beim Loongson 2F) die Superskalarität (hier mit einer Performance von 1,5 anstatt 4 bewertet) mit ein, erhält man Werte zwischen 2,1 (Cortex-A8) und 5,7 (Turion II Neo). Ist es also das Ziel, höchste Effizienz zu erreichen, sind Cortex-A8 und Intel Atom E620 die Sieger, bei Performance hingegen Intel Atom D510 und AMD Turion II Neo. Die Verhältnisse ändern sich allerdings nicht um Größenordnungen!

Andererseits können die Schwerpunkte ganz anders gesetzt sein: Wollen Sie einen integrierten Grafikprozessor? Dann ist der AMD Geode eine gute Wahl, und auch der AM3703, die hier besprochene Implementierung des Cortex-A8, bietet ein Display-Subsystem an. Sind hingegen die Anforderungen an die Peripherie sehr speziell, dann wird man eher auf integrierte (oder durch die notwendigen Zusatzbausteine vorhandene) Peripherie verzichten wollen und einen „puren“ Chip wählen. In diesem Fall haben Sie mit der E6xx-Familie von Intel, dem Loongson 2F und auch dem Cortex-A8 gute Wahlmöglichkeiten.

Und dann wäre da noch das binäre Interface der Prozessoren: PC-Welt (also irgendwie noch x86-kompatibel) oder nicht? Dieses wird durchaus immer noch diskutiert, meist mit eher emotionalen Argumenten, denn in einer Welt, in der wir versuchen, möglichst weit von der Hardware zu abstrahieren, spielt das eigentlich nur noch „gefühlt“ eine Rolle. Allerdings sind Verfügbarkeit von Compilern, Betriebssystemen und weiteren Tools ein gutes Argument: Richten Sie sich also danach, welche Softwareunterstützung Sie speziell für Ihren Einsatzfall haben.

Je nach Applikation den richtigen Prozessor wählen

Es wird kein Vergleich mit einem Punktesystem sein, bei dem am Ende herauskommt, dass der Mikrocontroller/-prozessor xyz der Beste ist, denn den "Besten" für alle Fälle kann es nicht geben. Ziel der Darstellungen ist es vielmehr, jeden, der eine spezielle Applikation im Auge hat, ein wenig mehr in die Lage zu versetzen, einen geeigneten Typ herauszufinden. Und das steht und fällt mit den Vergleichskriterien.

Schaut man auf die Applikationen, so stellt sich oft heraus, dass eine oder wenige Eigenschaften die Wahl der Hardware dominieren: Performance-orientiert, Input-/Output-orientiert, Sicherheit/Security oder Sicherheit/Safety, Low-Power oder auch nur die Verfügbarkeit einer bestimmten Software, z.B. eines Betriebssystems können hier relevant sein und alle weiteren Kriterien als zweitrangig erscheinen lassen.

Aus dieser Liste von Kriterien wird im Rahmen dieses Beitrags eine nicht betrachtet: Der Sicherheits-/Safety-Markt ist doch sehr eigenständig, da hier die Maßstäbe, die bezüglich Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit an die Prozessoren gelegt werden, sehr hoch gesteckt sind. Die Erreichung einer Wahrscheinlichkeit von einem (maschinen-bedingten) Fehler in 109 Betriebsstunden (Failure in Time, FIT) ist eine echte Herausforderung, der die Hersteller mithilfe spezieller Prozessoren begegnen. Die stehen hier aber nicht im Fokus.

Performance-Frage hängt von der Applikation ab

Zur Performance-Orientierung wiederum ist zu sagen, dass es auch hier verschiedene Klassen von (Performance-hungrigen) Applikationen gibt: Stream-orientiertes Rechnen, also z.B. Audio- und Video-Streams, erfordert andere Eigenschaften als stark irreguläre Kontrollalgorithmen. Hier wird – neben der Taktrate und dem Speichersystem – viel über den Befehlssatz entschieden. Aus diesem Grund werden die in den Prozessoren integrierten Befehlssätze aufgeführt.

Applikationen mit starker Orientierung an Input und Output werden durch zwei, eigentlich sogar drei Eigenschaften eines Rechnersystems unterstützt: Die Unterstützung durch integrierte Hardware ist natürlich der wesentliche Eckpfeiler, je weitgehender dies erfolgt, desto entlasteter ist die Softwareseite von In- und Output. Man mache sich einmal vor: Im Durchschnitt über viele Applikationen im Embedded-Bereich gilt die Regel, dass der Prozessor mindestens um den Faktor 3 schneller getaktet sein müsste, gäbe es keine "intelligente" Peripherie, von Echtzeitfragen einmal ganz abgesehen.

High Performance versus Low Power fällt im Rahmen dieser Darstellung natürlich relativ aus: Jeder der hier diskutierten Prozessoren zeichnet sich durch sehr hohe Performance aus. Natürlich gibt es Unterschiede, aber insbesondere ist – in Richtung dynamische Performance-Anpassung und damit auch balancierter Verlustleistung – der Blick auf die Flexibilität der Prozessoren interessant.

Qualitative und quantitative Unterscheidungsmerkmale

Da gibt es aber noch mehr, was in der Embedded-Welt zählt: Die (lieferungstechnische) Verfügbarkeit, die Temperaturbereiche und die Aussagen zur Qualität der Bausteine: Wie umfangreich sind die Tests der Produkte? Welche Ausfallrate wird gemessen? Um es vorweg zu nehmen: Während Informationen zu Temperaturbereichen natürlich verfügbar sind, werden solche zu Ausfallraten etc. natürlich streng geheim gehalten – verständlicherweise, so dass in diesem Artikel keine Aussagen zu finden sind.

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