2015年的嵌入式產(chǎn)業(yè)看點(diǎn)總結(jié)

在2015年新年到來(lái)之際，我希望給過(guò)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。根據(jù)《EE Live!》的一項(xiàng)年度調(diào)查總結(jié)了嵌入式設(shè)計(jì)的十大趨勢(shì)，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(shí)程延遲。下面我將就此談?wù)勎覍?duì)2015年嵌入式技術(shù)發(fā)展看法。

物聯(lián)網(wǎng)漸成氣候

長(zhǎng)期以來(lái)工業(yè)、消費(fèi)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(shuō)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(lái)越多，見圖 1 HIS的預(yù)測(cè)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(huì)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(wú)限風(fēng)光，到年中各大賣場(chǎng)的少人問(wèn)津，再到年底的黑色星期五搶購(gòu)潮，可穿戴設(shè)備歷經(jīng)起伏動(dòng)蕩后更顯無(wú)限生機(jī)。根據(jù)市場(chǎng)公司Canalys的報(bào)告說(shuō)，2014年Q3的可穿戴智能手表和手環(huán)發(fā)貨量達(dá)到500萬(wàn)個(gè)，預(yù)計(jì)到2015年則會(huì)超過(guò) 2300萬(wàn)個(gè)。

物聯(lián)網(wǎng)熱也從2014年電子公司的收購(gòu)事件中得到驗(yàn)證。老牌的MCU公司Atmel以1.4億美元收購(gòu)NewportMedia，這次收購(gòu)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(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能無(wú)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(gòu)臺(tái)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(gòu)讓微芯可以獲得更專業(yè)的無(wú)線技術(shù)用于現(xiàn)有藍(lán)牙方案產(chǎn)品，并為將來(lái)為物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)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(fèi)電子市場(chǎng)。在2014年夏天微芯還試圖收購(gòu)過(guò)CSR，最后沒(méi)有成功，CSR被高通收購(gòu)。

IT巨頭三星2億美元收購(gòu)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(dòng)應(yīng)用軟件。2014年10 月在湖南大學(xué)召開的中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)嵌入式專委會(huì)會(huì)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(duì)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(jì)上更方便和容易。

圖1 HIS預(yù)測(cè)2011-2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備情況

除了在芯片上整合無(wú)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(duì)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。

開源依然是主流

十大趨勢(shì)中有三個(gè)趨勢(shì)都是與開源軟件有關(guān)。根據(jù) www.embeddforecast.com的報(bào)告Android在嵌入式OS市場(chǎng)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(chǎng)日漸紅火有兩個(gè)原因：第一廣泛的硬件平臺(tái)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(chǎng)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(shí)間將大大縮短，因?yàn)樨S富的第三方資源，未來(lái)系統(tǒng)功能的增加也相對(duì)的容易。

圖2 UBM 2013嵌入式市場(chǎng)研究(左圖是現(xiàn)在右圖是未來(lái)1年嵌入式OS選擇)

FreeRTOS超過(guò)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(gè)結(jié)果與UBM 2103的嵌入式市場(chǎng)研究報(bào)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(gè)針對(duì)MCU的標(biāo)準(zhǔn)交叉開發(fā)平臺(tái)，已經(jīng)移植到了27個(gè)MCU核上，可以支持17種工具鏈。FreeRTOS項(xiàng)目是由Real Time Engineers Ltd 擁有、運(yùn)行和維護(hù)。創(chuàng)始人Richard Barry 同時(shí)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(gè)緊湊的實(shí)時(shí)內(nèi)核，具備RTOS基本功能，占用存儲(chǔ)器也比較少。(但沒(méi)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M(fèi)CU 公司的支持，比如ST最新推出的STM32Cube固件庫(kù)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(gòu)買商業(yè)授權(quán)獲得其私有的授權(quán)協(xié)議，購(gòu)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(shuō)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(lái)。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(gòu)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(xiàng)目，F(xiàn)reeRTOS不支持MPU，也沒(méi)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(shí)時(shí)內(nèi)核：實(shí)用指南》，國(guó)內(nèi)的網(wǎng)友有翻譯成中文電子版本，最近幾年國(guó)內(nèi)的嵌入式軟件開發(fā)圖書中也有章節(jié)對(duì)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(shí)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(zhǎng)一段路。筆者相信借助開源的優(yōu)勢(shì)，假以時(shí)日FreeRTOS發(fā)展前景令人期待。[!--empirenews.page--]

嵌入式多核應(yīng)用仍有難點(diǎn)

十大趨勢(shì)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(shuō)法與嵌入式多核應(yīng)用有一定的關(guān)系。從計(jì)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(wú)疑成為事實(shí)，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(dòng)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(huì)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(duì)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(duì)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(jì)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(duì)于基于多核的可編程SoC開發(fā)，筆者了解到包括兩個(gè)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(gè)Linux和一個(gè)RT-thread)方案，但是實(shí)際基于多核的應(yīng)用并不多，許多解決方案其實(shí)只是使用了一個(gè)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(gè)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(jì)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(jì)采用嵌入式新技術(shù)，既可以推動(dòng)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí)換代，也利于中國(guó)企業(yè)從制造到創(chuàng)造，從工業(yè)化到智能化的蛻變。