2015年的嵌入式產(chǎn)業(yè)看點(diǎn)總結(jié)
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。根據(jù)《EE Live!》的一項(xiàng)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。下面我將就此談?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(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(yàn)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(fèi)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。
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?yàn)樨S富的第三方資源,未來系統(tǒng)功能的增加也相對的容易。
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(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(shí)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M(fèi)CU 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(xiàng)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(shí)時內(nèi)核:實(shí)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(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。[!--empirenews.page--]
嵌入式多核應(yīng)用仍有難點(diǎn)
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(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(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。