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显微镜下的嵌入式产业 | 2015年的嵌入式有哪些看点

2015/01/05
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2014年岁末,在2015年新年到来之际,我希望给过去一年的嵌入式系统做些梳理和2015年技术发展做一些展望。最近网上一篇“嵌入式系统的十大设计趋势”吸引不少网友的关注,其中部分结论与我的观点一致。“嵌入式系统的十大设计趋势”一文(10 Embedded Design Trends),根据《EE Live!》的一项年度调查总结了嵌入式设计的十大趋势,它们是:Wi-Fi占主流、蓝牙迅速崛起;开放原始码超越商用OS;Android与FreeRTOS为主导;完整原始码可用;多处理技术成为主流;FPGA开始走下坡;虚拟化陷入低潮;IoT首度上榜;专案时程延迟。我想就此谈谈我对2015年嵌入式技术发展看法。

物联网渐成气候
长期以来工业、消费和通信一直是北美三大龙头行业,这次物联网(IoT)能进入前10名的应用,说明物联网产业渐成气候,设备联网的需求越来越多,见图1 HIS的预测数据。Wi-Fi成为目前短距离通信的主流,比如智能家居就广泛采用Wi-Fi标准,蓝牙的迅速崛起得益于智能终端的流行,Gartner预估,2014年全球智能手机销售量将达到12亿部,智能手机将全部会采用蓝牙技术,现在主流的蓝牙4.0技术可以提供与可穿戴设备低功耗连接。


2014年成为可穿戴设备发展历史上不平静的一年。从年初CES上的无限风光,到年中各大卖场的少人问津,再到年底的黑色星期五抢购潮,可穿戴设备历经起伏动荡后更显无限生机。根据市场公司Canalys的报告说,2014年Q3的可穿戴智能手表和手环发货量达到500万个,预计到2015年则会超过2300万个。


物联网热也从2014年电子公司的收购事件中得到验证。老牌的MCU公司Atmel以1.4亿美元收购NewportMedia,这次收购让Atmel 获得Wi-Fi和蓝牙技术,加上已经有的Zigbee,Atmel将拥有更为完整的针对工业物联网智能无线连接组合方案。另外一家老牌MCU公司微芯科技公司(Microchip)以约3.29亿美元收购中国台湾低功耗蓝牙技术提供商创杰科技公司(ISSC)。这次收购让微芯可以获得更专业的无线技术用于现有蓝牙方案产品,并为将来为物联网市场的站稳脚跟打下基础,与Atmel不同的是微芯更侧重在消费电子市场。在2014年夏天微芯还试图收购过CSR,最后没有成功,CSR被高通收购。


IT巨头三星2亿美元收购了智能家居创业公司SmartThings,后者主要在开发智能家居用的开关传感器控制器和移动应用软件。2014年10月在湖南大学召开的中国计算机学会嵌入式专委会会议上,Intel公司王文杰总监介绍Intel在物联网方面的战略和专门成立的物联网事业部情况。IT巨头的进入让产业届对物联网更有信心,在技术整合上也更有力度,系统设计上更方便和容易。


图1 HIS预测2011-2025年全球物联网设备情况

除了在芯片上整合无线功能和研发创新的物联网示范性应用外,嵌入式企业在积极发展可以更好的服务物联网系统的操作系统技术,既物联网操作系统。包括微软、风河、Micrium(uc/OS)都在2014年6月以后纷纷推出针对IoT嵌入式OS,ARM公司在10月宣布了开源mbed OS,关于物联网操作系统更多的信息,读者可以阅读我写的“物联网操作系统浅析”一文,它发表在2015年1月《单片机与嵌入式系统应用》杂志上。

 

开源依然是主流
十大趋势中有三个趋势都是与开源软件有关。根据www.embeddforecast.com的报告Android在嵌入式OS市场份额只要9.4%,到2010年已经增加到19.2%,Android一跃成为除了内部开发的以外最主要的嵌入式OS。Android在嵌入式市场日渐红火有两个原因:第一广泛的硬件平台和设备支持,比如Audio、Bluetooth、Camera、GPS、GUI Radio、WiFi等,包括高通、TI、飞思卡尔等半导体公司都投入大量资源开发基于本公司芯片Android系统,相比传统的嵌入式OS(包括嵌入式Linux)开发,用户在硬件层的工作量大大减少。第二Android的生态环境日趋完善。市场上已经有大量软件支持Android软硬件系统和第三方机构,这样基于Android的嵌入式系统产品开发的时间将大大缩短,因为丰富的第三方资源,未来系统功能的增加也相对的容易。

   
图2 UBM 2013嵌入式市场研究(左图是现在右图是未来1年嵌入式OS选择)

FreeRTOS超过Vxworks、Windows Embedded和uC/OS成为最主要的RTOS也是预料之中的事情,这个结果与UBM 2103的嵌入式市场研究报告的结果基本一致,如图2。FreeRTOS软件的开发始于2002年,是一个针对MCU的标准交叉开发平台,已经移植到了27个MCU核上,可以支持17种工具链。FreeRTOS项目是由Real Time Engineers Ltd 拥有、运行和维护。创始人Richard Barry 同时还参加基于FreeRTOS技术、面向安全和关键应用的软件-SafeRTOS开发。

FreeRTOS是一个紧凑的实时内核,具备RTOS基本功能,占用存储器也比较少。(但没有内存分配功能),内核调试可以借助第三方-Percepio的嵌入式OS跟踪工具Tracealyzer。FreeRTOS 最近几年得到了不少MCU 公司的支持,比如ST最新推出的STM32Cube固件库使用的就是FreeRTOS,Internich TCP/IP 基本配置就是FreeRTOS ,IAR公司EWARM 工程中有 FreeRTOS的例子,FreeRTOS影响力日渐增加。


FreeRTOS遵循GPL的软件授权协议,商业用户亦可购买商业授权获得其私有的授权协议,购买商业授权的好处是:任何基于FreeRTOS修改和相关的用户代码均可以不公开,这也就是我们通常所说的双授权协议。如果你采用开源授权,你就必须要把FreeRTOS内核相关修改贡献出来。如果你是商业产品,希望保留这些修改成为自己的企业商业机密,那么就购买商业授权吧。


相比uC/OS-II/III,FreeRTOS在内核、中间件和可靠性认证等方面还有不小的差距。比如物联网应用必须的TCP/IP协议,FreeRTOS还必须依赖LWIP开源项目,FreeRTOS不支持MPU,也没有自己的中间件模块。在图书和开发者普及度方面,Richard Barry写了一本书,《使用FreeRTOS实时内核:实用指南》,国内的网友有翻译成中文电子版本,最近几年国内的嵌入式软件开发图书中也有章节对FreeRTOS做了介绍,比如李志明著机械工业社出版的《STM32嵌入式系统开发实战指南》,但比较uC/OS-II/III图书和开发者普及度FreeRTOS还要走很长一段路。笔者相信借助开源的优势,假以时日FreeRTOS发展前景令人期待。

嵌入式多核应用仍有难点
十大趋势中的“多核处理技术成为主流,FPGA开始走下坡,虚拟化陷入低潮”的三种说法与嵌入式多核应用有一定的关系。从计算机发展的角度看,多处理器和多核技术成为主流这无疑成为事实,它能够解决摩尔定律发展到今天处理器的高性能与低功耗的矛盾。多核的处理器已经在高端嵌入式系统的应用中广泛采用,比如移动多媒体设备和通信设备,代表性的通用芯片产品有飞思卡尔QorIo和TI OMAP系列。FPGA公司Xilinx和Altera也推出多核可编程SoCZynq和Altera SoC FPGA。不同于PC环境大量使用的虚拟化技术-VmWare和VirtualBox,嵌入式系统的需求复杂且不统一,多核处理器在每一种嵌入式系统中配置和部署都会不一样,传统的虚拟化技术很难满足这些需求。

风河、ENEA和MentorGraphic这三家嵌入式OS公司针对嵌入式多核应用推出各自的虚拟化解决方案,图3是Mentor Graphic异构多核软件解决方案,它是对目前商业嵌入式多核软件传统的SMP/AMP解决方案的扩展,可以支持组合了多微处理器核和多微控制器核的SoC,比如TI OMAP5。Mentor的虚拟化(hypervisor)设计更加灵活和高效,在支持ARM TrustZone和OS引导管理方式等方面有一定特色,但是就笔者了解目前的客户并不多。


对于基于多核的可编程SoC开发,笔者了解到包括两个Cortex A9 的ZynqSoC在多核软件上虽有几种可以演示的方案,比如RT-thread的双OS(一个Linux和一个RT-thread)方案,但是实际基于多核的应用并不多,许多解决方案其实只是使用了一个内核,这难免有些尴尬。嵌入式系统的多样性和复杂性让多核的应用变得更加困难,多核的软件开发工具和OS研究,远远落后于硬件技术的发展,软件开发难度太大让嵌入式多核应用发展变得非常缓慢,这也是2015年嵌入式技术发展面临的一个挑战。

图3 Mentor Graphic多核OS方案

总结
嵌入式技术是物联网产业、工业4.0智能化发展的重要基础,嵌入式技术也在互联和智能的大潮中演进和发展,嵌入式技术已经渗透到集成电路、通信、软件和云计算等技术领域。关注嵌入式技术发展,在新产品和系统设计采用嵌入式新技术,既可以推动创新和产品升级换代,也利于中国企业从制造到创造,从工业化到智能化的蜕变。

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系列之一:智能家居的S曲线

摘要:任何技术发展都会有属于自己的成熟曲线,也就是必要要经历初期-发展-成熟这几个阶段,这是市场营销的一个规律(称为S曲线),智能家居作为一个高技术产业也不会例外……

系列之二:Android开发,才刚刚开始

摘 要:从2008年Android1.0问世到现在短短的6年Android发展迅速,2013年手机市场占有率78.6%,正在进入各种嵌入式智能设备领 域 (汽车、家居和穿戴),Android生态环境的企业正在更加广泛的领域研究和推广Android的应用,随着Android终端市场占有率的攀升和应用 软件增加,Android应用的云和服务器端开发和测试需求也日益增大……

系列之三:与Misfit的硬件对比看小米手环做减法

摘 要:市场对小米手环的反应基本是两种;一是做手环的创业公司们唉声一片,79元的价格让他们以前卖数百元的手环没法生存了。另外一类是赞扬小米手环是战 略性的布局、激活市场、占领入口等等。分析之后,对其简单实用的特点有了进一步的认识。小米手环在诸多方面借鉴了Misfit手环……

系列之四:物联网的成算

摘要:我对物联网的认识是来自2010年参加中国物联网大会的感受,之后在接受工控网采访的时候我谈了两点:第一,物联网与嵌入式系统密不可分。第二,物联网学科建设才刚刚开始……

系列之五:开学季,也来谈谈嵌入式教学

摘要:最近我有机会参加赛灵思公司和机械工业出版社华章分社共同举办的“嵌入式课程教学创新研讨会”,与长期从事嵌入式教学工作的老师们共同交流嵌入式教学现状和未来发展,在会上我做了“嵌入式教学需改革和创新“的发言,谈了自己对嵌入式教学的理解和思考……

系列之六:从嵌入式系统视角看智能硬件

摘要:10月我参加了苏州集成电路协会的企业VIP俱乐部活动,以《从嵌入式系统视角看智能硬件》为题谈了我对智能硬件设计和产业发展的看法,以下是主要的观点……

系列之七:我看工业4.0与嵌入式系统

摘要:农业物联网、智慧城市的安防和物流行业已经初据规模,智能家居和可穿戴设备正在兴起新一轮的创业高潮,互联网公司也正在追赶这一轮万物互联(IoT)的大潮,而工业4.0 将会带领我们深入到一个崭新的领域-智能工业……

FreeRTOS

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FreeRTOS 专职开发人员一直与芯片公司紧密合作, 为客户提供市场领先external_link以及免费的商用级、高品质 RTOS和工具。

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中国软件行业协会嵌入式系统分会副理事长,嵌入式系统联谊会秘书长,中国软件行业协会理事。是国内最早涉足嵌入式OS者之一,创办了北京麦克泰软件技术有限公司,有近30年嵌入式技术和市场经验。是《嵌入式操作系统风云录:历史演进与物联网未来》一书作者,并译有《嵌入式实时操作系统μC/OS-III应用开发》和《嵌入式软件精解》等多本译著。目前关注的领域:嵌入式OS、物联网与穿戴设备和技术创业。个人网站:www.hexiaoqing.net。