顯微鏡下的嵌入式產(chǎn)業(yè) | 2015年的嵌入式有哪些看點

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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(tǒng)做些梳理和2015年技術(shù)發(fā)展做一些展望。最近網(wǎng)上一篇“嵌入式系統(tǒng)的十大設(shè)計趨勢”吸引不少網(wǎng)友的關(guān)注，其中部分結(jié)論與我的觀點一致。“嵌入式系統(tǒng)的十大設(shè)計趨勢”一文（10 Embedded Design Trends），根據(jù)《EE Live！》的一項年度調(diào)查總結(jié)了嵌入式設(shè)計的十大趨勢，它們是：Wi-Fi占主流、藍(lán)牙迅速崛起；開放原始碼超越商用OS；Android與FreeRTOS為主導(dǎo)；完整原始碼可用；多處理技術(shù)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?wù)勎覍?015年嵌入式技術(shù)發(fā)展看法。

物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)（IoT）能進(jìn)入前10名的應(yīng)用，說明物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)漸成氣候，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的需求越來越多，見圖1 HIS的預(yù)測數(shù)據(jù)。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(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙的迅速崛起得益于智能終端的流行，Gartner預(yù)估，2014年全球智能手機(jī)銷售量將達(dá)到12億部，智能手機(jī)將全部會采用藍(lán)牙技術(shù)，現(xiàn)在主流的藍(lán)牙4.0技術(shù)可以提供與可穿戴設(shè)備超低功耗連接。

2014年成為可穿戴設(shè)備發(fā)展歷史上不平靜的一年。從年初CES上的無限風(fēng)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(shè)備歷經(jīng)起伏動蕩后更顯無限生機(jī)。根據(jù)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(dá)到500萬個，預(yù)計到2015年則會超過2300萬個。

物聯(lián)網(wǎng)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(lán)牙技術(shù)，加上已經(jīng)有的Zigbee，Atmel將擁有更為完整的針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(lán)牙技術(shù)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(shù)用于現(xiàn)有藍(lán)牙方案產(chǎn)品，并為將來為物聯(lián)網(wǎng)市場的站穩(wěn)腳跟打下基礎(chǔ)，與Atmel不同的是微芯更側(cè)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(guān)、傳感器、控制器和移動應(yīng)用軟件。2014年10月在湖南大學(xué)召開的中國計算機(jī)學(xué)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(lián)網(wǎng)方面的戰(zhàn)略和專門成立的物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部情況。IT巨頭的進(jìn)入讓產(chǎn)業(yè)屆對物聯(lián)網(wǎng)更有信心，在技術(shù)整合上也更有力度，系統(tǒng)設(shè)計上更方便和容易。

圖1 HIS預(yù)測2011-2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(lián)網(wǎng)示范性應(yīng)用外，嵌入式企業(yè)在積極發(fā)展可以更好的服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)技術(shù)，既物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。包括微軟、風(fēng)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(guān)于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)更多的信息，讀者可以閱讀我寫的“物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)淺析”一文，它發(fā)表在2015年1月《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(guān)。根據(jù)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(jīng)增加到19.2%，Android一躍成為除了內(nèi)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(shè)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(dǎo)體公司都投入大量資源開發(fā)基于本公司芯片Android系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)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(jīng)有大量軟件支持Android軟硬件系統(tǒng)和第三方機(jī)構(gòu)，這樣基于Android的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)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(xiàn)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(yù)料之中的事情，這個結(jié)果與UBM 2103的嵌入式市場研究報告的結(jié)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(biāo)準(zhǔn)交叉開發(fā)平臺，已經(jīng)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(hù)。創(chuàng)始人Richard Barry 同時還參加基于FreeRTOS技術(shù)、面向安全和關(guān)鍵應(yīng)用的軟件-SafeRTOS開發(fā)。

FreeRTOS是一個緊湊的實時內(nèi)核，具備RTOS基本功能，占用存儲器也比較少。（但沒有內(nèi)存分配功能），內(nèi)核調(diào)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，F(xiàn)reeRTOS影響力日漸增加。

FreeRTOS遵循GPL的軟件授權(quán)協(xié)議，商業(yè)用戶亦可購買商業(yè)授權(quán)獲得其私有的授權(quán)協(xié)議，購買商業(yè)授權(quán)的好處是：任何基于FreeRTOS修改和相關(guān)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(quán)協(xié)議。如果你采用開源授權(quán)，你就必須要把FreeRTOS內(nèi)核相關(guān)修改貢獻(xiàn)出來。如果你是商業(yè)產(chǎn)品，希望保留這些修改成為自己的企業(yè)商業(yè)機(jī)密，那么就購買商業(yè)授權(quán)吧。

相比uC/OS-II/III，F(xiàn)reeRTOS在內(nèi)核、中間件和可靠性認(rèn)證等方面還有不小的差距。比如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必須的TCP/IP協(xié)議，F(xiàn)reeRTOS還必須依賴LWIP開源項目，F(xiàn)reeRTOS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(nèi)核：實用指南》，國內(nèi)的網(wǎng)友有翻譯成中文電子版本，最近幾年國內(nèi)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(jī)械工業(yè)社出版的《STM32嵌入式系統(tǒng)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(yīng)用仍有難點
十大趨勢中的“多核處理技術(shù)成為主流，F(xiàn)PGA開始走下坡，虛擬化陷入低潮”的三種說法與嵌入式多核應(yīng)用有一定的關(guān)系。從計算機(jī)發(fā)展的角度看，多處理器和多核技術(shù)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(jīng)在高端嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中廣泛采用，比如移動多媒體設(shè)備和通信設(shè)備，代表性的通用芯片產(chǎn)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(shù)－VmWare和VirtualBox，嵌入式系統(tǒng)的需求復(fù)雜且不統(tǒng)一，多核處理器在每一種嵌入式系統(tǒng)中配置和部署都會不一樣，傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)很難滿足這些需求。

風(fēng)河、ENEA和MentorGraphic這三家嵌入式OS公司針對嵌入式多核應(yīng)用推出各自的虛擬化解決方案，圖3是Mentor Graphic異構(gòu)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(tǒng)的SMP/AMP解決方案的擴(kuò)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(shè)計更加靈活和高效，在支持ARM TrustZone和OS引導(dǎo)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(yīng)用并不多，許多解決方案其實只是使用了一個內(nèi)核，這難免有些尷尬。嵌入式系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性讓多核的應(yīng)用變得更加困難，多核的軟件開發(fā)工具和OS研究，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硬件技術(shù)的發(fā)展，軟件開發(fā)難度太大讓嵌入式多核應(yīng)用發(fā)展變得非常緩慢，這也是2015年嵌入式技術(shù)發(fā)展面臨的一個挑戰(zhàn)。

圖3 Mentor Graphic多核OS方案

總結(jié)
嵌入式技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)、工業(yè)4.0和智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)，嵌入式技術(shù)也在互聯(lián)和智能的大潮中演進(jìn)和發(fā)展，嵌入式技術(shù)已經(jīng)滲透到集成電路、通信、軟件和云計算等技術(shù)領(lǐng)域。關(guān)注嵌入式技術(shù)發(fā)展，在新產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計采用嵌入式新技術(shù)，既可以推動創(chuàng)新和產(chǎn)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。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載！

系列之一：智能家居的S曲線

摘要：任何技術(shù)發(fā)展都會有屬于自己的成熟曲線，也就是必要要經(jīng)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(shù)產(chǎn)業(yè)也不會例外……

系列之二：Android開發(fā)，才剛剛開始

摘 要：從2008年Android1.0問世到現(xiàn)在短短的6年Android發(fā)展迅速，2013年手機(jī)市場占有率78.6%，正在進(jìn)入各種嵌入式智能設(shè)備領(lǐng) 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(lǐng)域研究和推廣Android的應(yīng)用，隨著Android終端市場占有率的攀升和應(yīng)用 軟件增加，Android應(yīng)用的云和服務(wù)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(yīng)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(shù)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(lǐng)入口等等。分析之后，對其簡單實用的特點有了進(jìn)一步的認(rèn)識。小米手環(huán)在諸多方面借鑒了Misfit手環(huán)……

系列之四：物聯(lián)網(wǎng)的成算

摘要：我對物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識是來自2010年參加中國物聯(lián)網(wǎng)大會的感受，之后在接受工控網(wǎng)采訪的時候我談了兩點：第一，物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分。第二，物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科建設(shè)才剛剛開始……

系列之五：開學(xué)季，也來談?wù)勄度胧浇虒W(xué)

摘要：最近我有機(jī)會參加賽靈思公司和機(jī)械工業(yè)出版社華章分社共同舉辦的“嵌入式課程教學(xué)創(chuàng)新研討會”，與長期從事嵌入式教學(xué)工作的老師們共同交流嵌入式教學(xué)現(xiàn)狀和未來發(fā)展，在會上我做了“嵌入式教學(xué)需改革和創(chuàng)新“的發(fā)言，談了自己對嵌入式教學(xué)的理解和思考……

系列之六：從嵌入式系統(tǒng)視角看智能硬件

摘要：10月我參加了蘇州集成電路協(xié)會的企業(yè)VIP俱樂部活動，以《從嵌入式系統(tǒng)視角看智能硬件》為題談了我對智能硬件設(shè)計和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的看法，以下是主要的觀點……

系列之七：我看工業(yè)4.0與嵌入式系統(tǒng)

摘要：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市的安防和物流行業(yè)已經(jīng)初據(jù)規(guī)模，智能家居和可穿戴設(shè)備正在興起新一輪的創(chuàng)業(yè)高潮，互聯(lián)網(wǎng)公司也正在追趕這一輪萬物互聯(lián)（IoT）的大潮，而工業(yè)4.0 將會帶領(lǐng)我們深入到一個嶄新的領(lǐng)域－智能工業(yè)……