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      第2篇:嵌入式計算設備

      2014-07-03 03:33:18江文瑞何小慶審校
      關(guān)鍵詞:微控制器內(nèi)核網(wǎng)關(guān)

      江文瑞 譯,何小慶 審校

      物的定義

      物聯(lián)網(wǎng)的“物”的定義有多種多樣,在Micrium看來,“物”是網(wǎng)絡上發(fā)送和接收信息的一個個嵌入式計算設備(或稱為“嵌入式系統(tǒng)”)。

      圖1 嵌入式計算設備

      什么是嵌入式系統(tǒng)?

      嵌入式系統(tǒng)是基于微控制器(MCU)并以小的內(nèi)存占用運行軟件的電子系統(tǒng)。一些以Linux和Android為基礎的系統(tǒng)也可以稱為嵌入式系統(tǒng),但通常這些通用的操作系統(tǒng)需要運行在應用處理器上,并具有額外的功能,如動態(tài)程序加載功能。這就是為什么基于MCU的嵌入式系統(tǒng)通常被描述為“深嵌入式系統(tǒng)”。在Micrium看來,這些深嵌入式系統(tǒng)就是物聯(lián)網(wǎng)中的“物”。

      嵌入式系統(tǒng)中32位架構(gòu)的微控制器越來越常見,過去幾年中,32位微控制器的價格已經(jīng)大大下降,而其更強大的性能為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員提供了新的選擇。

      對于8和16位MCU,軟件經(jīng)常是使用前/后臺的方法(即超級循環(huán))來實現(xiàn)。但是隨著32位微控制器價格的下降,現(xiàn)在RTOS(實時操作系統(tǒng))成為首選,基于RTOS的設計允許更靈活的和可擴展的軟件運行在這些系統(tǒng)中。一個完整的RTOS系統(tǒng)應該具有內(nèi)核、圖形用戶接口(GUI)、文件系統(tǒng)、USB協(xié)議棧、網(wǎng)絡,以及更多的其他功能,且能夠適合小于1 MB的內(nèi)存空間。隨著RTOS的使用,嵌入式系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)變得更為靈活,故障排除和添加新功能的能力大大增強,使用RTOS還可以簡化實現(xiàn)固件升級的方法??傊?,在32位處理器上使用RTOS更有意義。

      圖2 物聯(lián)網(wǎng)設備軟件架構(gòu)

      針對物的處理器

      在處理器架構(gòu)的選擇方面,到目前為止,主要的競爭者是英特爾(Intel)和ARM。

      一方面,英特爾已經(jīng)把其Atom處理器作為嵌入式處理器來發(fā)展,主要針對的是工業(yè)網(wǎng)絡應用;另一方面,英特爾新的Quark處理器,直接瞄準深嵌入式系統(tǒng)市場。ARM系列處理器包括廣泛的32位體系結(jié)構(gòu),并授權(quán)給大量的供應商。ARM芯片是目前廣泛應用的低功耗架構(gòu),而且處理器軟件的啟動與英特爾相比也要簡單得多。

      人們普遍認為物聯(lián)網(wǎng)硬件應該是低成本的,這樣才可以將物聯(lián)網(wǎng)設備(每個燈泡一個IP地址)遍布整個地球。但事實上,低成本不是適合所有應用的解決方案,尤其是在以IP為核心的網(wǎng)絡中。

      首先,TCP/IP協(xié)議棧不是一個只有一點點代碼的軟件。當然,你可以找到開源的TCP/IP協(xié)議棧,僅僅占據(jù)32 KB空間,但通常它只支持TCP/IP標準最基本的功能,如果需要物聯(lián)網(wǎng)設備能夠在廣闊的主流IP網(wǎng)絡上運行,這就會導致一些問題。第二,TCP需要一定數(shù)量的網(wǎng)絡緩沖區(qū)有效進行工作,這需要寶貴的內(nèi)存。并且,如果需要使用Java,那么物聯(lián)網(wǎng)設備將需要一個操作系統(tǒng)作為基礎來運行Java虛擬機(JVM)。所有這些因素制約了物聯(lián)網(wǎng)設備對低成本架構(gòu)的選擇。

      如何選擇處理器?

      設計物聯(lián)網(wǎng)設備時,哪一款微控制器是好的選擇呢?

      ①在物聯(lián)網(wǎng)設備中,對于ARM處理器,Cortex-M0是很好的選擇。對于網(wǎng)關(guān)設備,ARM Cortex-M3/M4或Cortex-A是不錯的選擇,因為它們具有良好的處理能力。

      ②對于非ARM處理器,用于物聯(lián)網(wǎng)設備的一個好的選擇是瑞薩(Renesas)的RL78或RX100,對于網(wǎng)關(guān)設備,可選擇瑞薩RX600或RZ。

      無論上述的哪種方式,不斷上市的新處理器會具有更多的閃存和內(nèi)存,并始終維持低成本。

      功耗的問題

      現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)設計的一個共識就是降低功耗,常見的方法是系統(tǒng)盡可能快地執(zhí)行,然后立即進入睡眠模式?,F(xiàn)在的處理器核心架構(gòu),在低性能狀態(tài)下,可以做到基本上不消耗任何電力。針對無線傳感器網(wǎng)絡邊緣節(jié)點的設計,這種特性很有吸引力。這種針對性能的低功耗優(yōu)化設計意味著要晶體管工作電壓接近(或小于)其閾值電壓。

      ARM是目前一個經(jīng)過優(yōu)化后可以工作在接近CMOS晶體管閾值電壓的處理器內(nèi)核,并在幾 MHz的時鐘頻率下執(zhí)行指令。ARM的近閾值(near-threshold)設計與Cortex-M0架構(gòu)兼容,這對軟件開發(fā)社區(qū)來說是個好消息。近閾值的設計不是很容易,ARM可以與多個晶圓工廠一起工作,而不必自己擁有芯片工藝。這與亞閾值(sub-threshold)設計的情形不同,亞閾值設計需要芯片公司和晶圓工廠自己定義一個制造過程,這種方式會給芯片公司和晶圓工廠帶來很大的風險。

      編程語言的使用

      用于深嵌入式系統(tǒng)的編程語言可以是C或C++,有時是Java。需要注意的是,Java總是運行在操作系統(tǒng)之上。所以,你的選擇不是C/C++或Java兩者之一,而是C/C++和Java都會使用。

      對于物聯(lián)網(wǎng)設備,Java是很有吸引力的,因為全球有大量的Java開發(fā)者,他們給行業(yè)帶來了巨大的增長潛力。據(jù)Oracle和ARM公司估計,全球大約有45萬嵌入式軟件工程師,約九百萬Java開發(fā)人員。

      Java引擎的資源占用是必須要考慮的因素,Oracle針對小型設備的嵌入式Java ME產(chǎn)品估計有下述系統(tǒng)需求:

      ①基于ARM架構(gòu)的SoC系統(tǒng)。

      ②內(nèi)存占用(近似估計)。從130 KB RAM/350 KB ROM(最小的,定制的配置),到700 KB RAM/2 000 KB ROM(完整的,標準配置)。

      ③非常簡單的嵌入式內(nèi)核,或一個更強大的嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)。

      ④至少一種類型的網(wǎng)絡連接(有線或無線)。

      以上這些指標不符合Micrium關(guān)于深嵌入式系統(tǒng)的設備定義。上述需求加上嵌入式內(nèi)核和通信協(xié)議棧,將ROM和RAM的總量推進到數(shù)兆。顯然,對于物聯(lián)網(wǎng)設備,Java的使用將受到成本和能力的限制。

      物的設計

      在不計成本的情況下,可以選擇一個單一強大的處理器,運行設備所有需要的任務,然而,工程中常常要做些折中,在傳感器/執(zhí)行器設備中使用兩個處理器:一個是低成本的處理器(8或16位),用于物理世界的接口;另一個為32位處理器,連接網(wǎng)絡接口。第二個處理器通常被放在一個單獨的模塊上,協(xié)議已被認證并遵守FCC的規(guī)范。具有兩個處理器的物聯(lián)網(wǎng)設備結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

      圖3 具有兩個處理器的物聯(lián)網(wǎng)設備結(jié)構(gòu)圖

      當采用雙處理器時,對于傳感器/執(zhí)行器的處理,實時內(nèi)核不是必需的,而對于通信模塊,強烈建議要使用實時內(nèi)核。

      網(wǎng)關(guān)的設計

      網(wǎng)關(guān)連接兩個不同的網(wǎng)絡,以便網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)流動,通常是專有網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)之間的連接,網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

      圖4 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

      舉個智能家居的例子。不同的公共事業(yè)公司可能在你的家里安裝了各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)設備,每一個都有自己的網(wǎng)關(guān),這些可以包括電、天然氣、水、電話、互聯(lián)網(wǎng)、有線/衛(wèi)星電視、報警系統(tǒng)、醫(yī)療設備等。這些網(wǎng)關(guān)的一部分可能需要額外的功能,如本地存儲或者用戶接口。

      總之,物聯(lián)網(wǎng)的物是一個智能的嵌入式系統(tǒng),設計中應考慮到性能和功耗的平衡,嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)在雙處理器的物和網(wǎng)關(guān)中是必需的組件。

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