芯耀
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2014年歲末，在2015年新年到來之際，我希望給過去一年的嵌入式系統做些梳理和2015年技術發(fā)展做一些展望。最近網上一篇“嵌入式系統的十大設計趨勢”吸引不少網友的關注，其中部分結論與我的觀點一致。“嵌入式系統的十大設計趨勢”一文（10 Embedded Design Trends），根據《EE Live！》的一項年度調查總結了嵌入式設計的十大趨勢，它們是：Wi-Fi占主流、藍牙迅速崛起；開放原始碼超越商用OS；Android與FreeRTOS為主導；完整原始碼可用；多處理技術成為主流；FPGA開始走下坡；虛擬化陷入低潮；IoT首度上榜；專案時程延遲。我想就此談談我對2015年嵌入式技術發(fā)展看法。
物聯網漸成氣候
長期以來工業(yè)、消費和通信一直是北美三大龍頭行業(yè)，這次物聯網（IoT）能進入前10名的應用，說明物聯網產業(yè)漸成氣候，設備聯網的需求越來越多，見圖1 HIS的預測數據。Wi-Fi成為目前短距離通信的主流，比如智能家居就廣泛采用Wi-Fi標準，藍牙的迅速崛起得益于智能終端的流行，Gartner預估，2014年全球智能手機銷售量將達到12億部，智能手機將全部會采用藍牙技術，現在主流的藍牙4.0技術可以提供與可穿戴設備超低功耗連接。
2014年成為可穿戴設備發(fā)展歷史上不平靜的一年。從年初CES上的無限風光，到年中各大賣場的少人問津，再到年底的黑色星期五搶購潮，可穿戴設備歷經起伏動蕩后更顯無限生機。根據市場公司Canalys的報告說，2014年Q3的可穿戴智能手表和手環(huán)發(fā)貨量達到500萬個，預計到2015年則會超過2300萬個。
物聯網熱也從2014年電子公司的收購事件中得到驗證。老牌的MCU公司Atmel以1.4億美元收購NewportMedia，這次收購讓Atmel 獲得Wi-Fi和藍牙技術，加上已經有的Zigbee，Atmel將擁有更為完整的針對工業(yè)物聯網智能無線連接組合方案。另外一家老牌MCU公司微芯科技公司（Microchip）以約3.29億美元收購中國臺灣低功耗藍牙技術提供商創(chuàng)杰科技公司（ISSC）。這次收購讓微芯可以獲得更專業(yè)的無線技術用于現有藍牙方案產品，并為將來為物聯網市場的站穩(wěn)腳跟打下基礎，與Atmel不同的是微芯更側重在消費電子市場。在2014年夏天微芯還試圖收購過CSR，最后沒有成功，CSR被高通收購。
IT巨頭三星2億美元收購了智能家居創(chuàng)業(yè)公司SmartThings，后者主要在開發(fā)智能家居用的開關、傳感器、控制器和移動應用軟件。2014年10月在湖南大學召開的中國計算機學會嵌入式專委會會議上，Intel公司王文杰總監(jiān)介紹Intel在物聯網方面的戰(zhàn)略和專門成立的物聯網事業(yè)部情況。IT巨頭的進入讓產業(yè)屆對物聯網更有信心，在技術整合上也更有力度，系統設計上更方便和容易。
圖1 HIS預測2011-2025年全球物聯網設備情況
除了在芯片上整合無線功能和研發(fā)創(chuàng)新的物聯網示范性應用外，嵌入式企業(yè)在積極發(fā)展可以更好的服務物聯網系統的操作系統技術，既物聯網操作系統。包括微軟、風河、Micrium（uc／OS）都在2014年6月以后紛紛推出針對IoT嵌入式OS，ARM公司在10月宣布了開源的mbed OS，關于物聯網操作系統更多的信息，讀者可以閱讀我寫的“物聯網操作系統淺析”一文，它發(fā)表在2015年1月《單片機與嵌入式系統應用》雜志上。
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開源依然是主流
十大趨勢中有三個趨勢都是與開源軟件有關。根據www.embeddforecast.com的報告Android在嵌入式OS市場份額只要9.4%，到2010年已經增加到19.2%，Android一躍成為除了內部開發(fā)的以外最主要的嵌入式OS。Android在嵌入式市場日漸紅火有兩個原因：第一廣泛的硬件平臺和設備支持，比如Audio、Bluetooth、Camera、GPS、GUI Radio、WiFi等，包括高通、TI、飛思卡爾等半導體公司都投入大量資源開發(fā)基于本公司芯片Android系統，相比傳統的嵌入式OS（包括嵌入式Linux）開發(fā)，用戶在硬件層的工作量大大減少。第二Android的生態(tài)環(huán)境日趨完善。市場上已經有大量軟件支持Android軟硬件系統和第三方機構，這樣基于Android的嵌入式系統產品開發(fā)的時間將大大縮短，因為豐富的第三方資源，未來系統功能的增加也相對的容易。
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圖2 UBM 2013嵌入式市場研究（左圖是現在右圖是未來1年嵌入式OS選擇）
FreeRTOS超過Vxworks、Windows Embedded和uC/OS成為最主要的RTOS也是預料之中的事情，這個結果與UBM 2103的嵌入式市場研究報告的結果基本一致，如圖2。FreeRTOS軟件的開發(fā)始于2002年，是一個針對MCU的標準交叉開發(fā)平臺，已經移植到了27個MCU核上，可以支持17種工具鏈。FreeRTOS項目是由Real Time Engineers Ltd 擁有、運行和維護。創(chuàng)始人Richard Barry 同時還參加基于FreeRTOS技術、面向安全和關鍵應用的軟件-SafeRTOS開發(fā)。
FreeRTOS是一個緊湊的實時內核，具備RTOS基本功能，占用存儲器也比較少。（但沒有內存分配功能），內核調試可以借助第三方-Percepio的嵌入式OS跟蹤工具Tracealyzer。FreeRTOS 最近幾年得到了不少MCU 公司的支持，比如ST最新推出的STM32Cube固件庫使用的就是FreeRTOS，Internich TCP／IP 基本配置就是FreeRTOS ，IAR公司EWARM 工程中有 FreeRTOS的例子，FreeRTOS影響力日漸增加。
FreeRTOS遵循GPL的軟件授權協議，商業(yè)用戶亦可購買商業(yè)授權獲得其私有的授權協議，購買商業(yè)授權的好處是：任何基于FreeRTOS修改和相關的用戶代碼均可以不公開，這也就是我們通常所說的雙授權協議。如果你采用開源授權，你就必須要把FreeRTOS內核相關修改貢獻出來。如果你是商業(yè)產品，希望保留這些修改成為自己的企業(yè)商業(yè)機密，那么就購買商業(yè)授權吧。
相比uC/OS-II/III，FreeRTOS在內核、中間件和可靠性認證等方面還有不小的差距。比如物聯網應用必須的TCP/IP協議，FreeRTOS還必須依賴LWIP開源項目，FreeRTOS不支持MPU，也沒有自己的中間件模塊。在圖書和開發(fā)者普及度方面，Richard Barry寫了一本書，《使用FreeRTOS實時內核：實用指南》，國內的網友有翻譯成中文電子版本，最近幾年國內的嵌入式軟件開發(fā)圖書中也有章節(jié)對FreeRTOS做了介紹，比如李志明著機械工業(yè)社出版的《STM32嵌入式系統開發(fā)實戰(zhàn)指南》，但比較uC/OS-II/III圖書和開發(fā)者普及度FreeRTOS還要走很長一段路。筆者相信借助開源的優(yōu)勢，假以時日FreeRTOS發(fā)展前景令人期待。
嵌入式多核應用仍有難點
十大趨勢中的“多核處理技術成為主流，FPGA開始走下坡，虛擬化陷入低潮”的三種說法與嵌入式多核應用有一定的關系。從計算機發(fā)展的角度看，多處理器和多核技術成為主流這無疑成為事實，它能夠解決摩爾定律發(fā)展到今天處理器的高性能與低功耗的矛盾。多核的處理器已經在高端嵌入式系統的應用中廣泛采用，比如移動多媒體設備和通信設備，代表性的通用芯片產品有飛思卡爾QorIo和TI OMAP系列。FPGA公司Xilinx和Altera也推出多核可編程SoCZynq和Altera SoC FPGA。不同于PC環(huán)境大量使用的虛擬化技術－VmWare和VirtualBox，嵌入式系統的需求復雜且不統一，多核處理器在每一種嵌入式系統中配置和部署都會不一樣，傳統的虛擬化技術很難滿足這些需求。
風河、ENEA和MentorGraphic這三家嵌入式OS公司針對嵌入式多核應用推出各自的虛擬化解決方案，圖3是Mentor Graphic異構多核軟件解決方案，它是對目前商業(yè)嵌入式多核軟件傳統的SMP/AMP解決方案的擴展，可以支持組合了多微處理器核和多微控制器核的SoC，比如TI OMAP5。Mentor的虛擬化（hypervisor）設計更加靈活和高效，在支持ARM TrustZone和OS引導管理方式等方面有一定特色，但是就筆者了解目前的客戶并不多。
對于基于多核的可編程SoC開發(fā)，筆者了解到包括兩個Cortex A9 的ZynqSoC在多核軟件上雖有幾種可以演示的方案，比如RT-thread的雙OS（一個Linux和一個RT-thread）方案，但是實際基于多核的應用并不多，許多解決方案其實只是使用了一個內核，這難免有些尷尬。嵌入式系統的多樣性和復雜性讓多核的應用變得更加困難，多核的軟件開發(fā)工具和OS研究，遠遠落后于硬件技術的發(fā)展，軟件開發(fā)難度太大讓嵌入式多核應用發(fā)展變得非常緩慢，這也是2015年嵌入式技術發(fā)展面臨的一個挑戰(zhàn)。
圖3 Mentor Graphic多核OS方案
總結
嵌入式技術是物聯網產業(yè)、工業(yè)4.0和智能化發(fā)展的重要基礎，嵌入式技術也在互聯和智能的大潮中演進和發(fā)展，嵌入式技術已經滲透到集成電路、通信、軟件和云計算等技術領域。關注嵌入式技術發(fā)展，在新產品和系統設計采用嵌入式新技術，既可以推動創(chuàng)新和產品升級換代，也利于中國企業(yè)從制造到創(chuàng)造，從工業(yè)化到智能化的蛻變。
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摘要：任何技術發(fā)展都會有屬于自己的成熟曲線，也就是必要要經歷初期－發(fā)展－成熟這幾個階段，這是市場營銷的一個規(guī)律（稱為S曲線），智能家居作為一個高技術產業(yè)也不會例外……
摘 要：從2008年Android1.0問世到現在短短的6年Android發(fā)展迅速，2013年手機市場占有率78.6%，正在進入各種嵌入式智能設備領 域 （汽車、家居和穿戴），Android生態(tài)環(huán)境的企業(yè)正在更加廣泛的領域研究和推廣Android的應用，隨著Android終端市場占有率的攀升和應用 軟件增加，Android應用的云和服務器端開發(fā)和測試需求也日益增大……
系列之三：與Misfit的硬件對比看小米手環(huán)做減法
摘 要：市場對小米手環(huán)的反應基本是兩種；一是做手環(huán)的創(chuàng)業(yè)公司們唉聲一片，79元的價格讓他們以前賣數百元的手環(huán)沒法生存了。另外一類是贊揚小米手環(huán)是戰(zhàn) 略性的布局、激活市場、占領入口等等。分析之后，對其簡單實用的特點有了進一步的認識。小米手環(huán)在諸多方面借鑒了Misfit手環(huán)……
摘要：我對物聯網的認識是來自2010年參加中國物聯網大會的感受，之后在接受工控網采訪的時候我談了兩點：第一，物聯網與嵌入式系統密不可分。第二，物聯網學科建設才剛剛開始……
摘要：最近我有機會參加賽靈思公司和機械工業(yè)出版社華章分社共同舉辦的“嵌入式課程教學創(chuàng)新研討會”，與長期從事嵌入式教學工作的老師們共同交流嵌入式教學現狀和未來發(fā)展，在會上我做了“嵌入式教學需改革和創(chuàng)新“的發(fā)言，談了自己對嵌入式教學的理解和思考……
摘要：10月我參加了蘇州集成電路協會的企業(yè)VIP俱樂部活動，以《從嵌入式系統視角看智能硬件》為題談了我對智能硬件設計和產業(yè)發(fā)展的看法，以下是主要的觀點……
摘要：農業(yè)物聯網、智慧城市的安防和物流行業(yè)已經初據規(guī)模，智能家居和可穿戴設備正在興起新一輪的創(chuàng)業(yè)高潮，互聯網公司也正在追趕這一輪萬物互聯（IoT）的大潮，而工業(yè)4.0 將會帶領我們深入到一個嶄新的領域－智能工業(yè)……
