克服嵌入式開發(fā)的障礙

已經(jīng)創(chuàng)建了許多開發(fā)人員工具和支持的硬件和軟件產(chǎn)品，以幫助最大限度地降低嵌入式開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，加快從小型消費(fèi)設(shè)備到高性能等各種產(chǎn)品的上市時(shí)間工業(yè)控制和遙感設(shè)備。即使入門也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)檐浖_發(fā)取決于硬件是否準(zhǔn)備就緒。后續(xù)集成受到硬件和軟件之間的許多相互依賴性的影響，從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，適配層和OS內(nèi)核向上到應(yīng)用程序接口（API）和應(yīng)用程序本身。雖然必須面對(duì)這些問題，但開發(fā)團(tuán)隊(duì)通常希望將他們的資源集中在應(yīng)用程序級(jí)別，以創(chuàng)建獨(dú)特的功能，從而使產(chǎn)品在市場(chǎng)中脫穎而出。

為了幫助克服一些早期障礙，芯片供應(yīng)商已經(jīng)創(chuàng)建了開發(fā)平臺(tái)，可以解決許多硬件設(shè)計(jì)難題并加快開始處理軟件的過程。在選擇提供所有必需功能并接近理想配置的平臺(tái)后，團(tuán)隊(duì)可以在項(xiàng)目進(jìn)展時(shí)對(duì)硬件進(jìn)行微調(diào)，以添加獨(dú)特或增值功能。最終，可以為生產(chǎn)目的創(chuàng)建定制的，小型化的硬件版本。

另一方面，可提供大量單板計(jì)算機(jī)（SBC）或計(jì)算機(jī)模塊（COM）硬件，采用流行的處理器架構(gòu)，如x86，Intel?Atom?或ARM?，采用各種微型外形，如PC/104或Mini ITX。這些可以用作軟件開發(fā)的平臺(tái)，然后在很少或不需要對(duì)硬件進(jìn)行進(jìn)一步修改的情況下擴(kuò)展到生產(chǎn)中。

任何嵌入式開發(fā)平臺(tái)都需要板級(jí)支持包（BSP）來提供必要的軟件用于控制特定于硬件的功能。 BSP的各種元素包括板上設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，使OS能夠與板硬件通信的適配層，以及用于加載和啟動(dòng)OS的引導(dǎo)加載程序。由于存在將硬件與OS連接的各種軟件組件，因此創(chuàng)建BSP取決于操作系統(tǒng)及其特性的知識(shí)。

軟件選擇：Windows嵌入式路由

創(chuàng)建使用Microsoft?Windows?CE或Windows XP Embedded等框架的嵌入式操作系統(tǒng)映像和應(yīng)用程序軟件為產(chǎn)品開發(fā)人員提供了在商業(yè)支持的生態(tài)系統(tǒng)中工作的優(yōu)勢(shì)。這種方法的好處包括訪問現(xiàn)成的商業(yè)工具，如Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境（IDE），其中包括用于設(shè)計(jì)和構(gòu)建自定義操作系統(tǒng)映像的Platform Builder工具集。開發(fā)人員可以使用此工具從目錄項(xiàng)菜單中僅選擇所需的功能，從而最大限度地減少對(duì)內(nèi)存等系統(tǒng)資源的需求，從而自定義操作系統(tǒng)映像。還有一些現(xiàn)成的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序列表可以快速輕松地合并，或者在必要時(shí)幫助構(gòu)建自定義驅(qū)動(dòng)程序。

因?yàn)镸icrosoft Embedded OS內(nèi)核和典型行為是已知的，所以第三方如電路板供應(yīng)商可以更輕松地提供所需的支持，如BSP，以幫助開發(fā)人員快速啟動(dòng)和運(yùn)行硬件。

除了BSP之外，還需要一個(gè)用于定制操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具包（SDK）來幫助工程團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建應(yīng)用程序軟件。 SDK提供必要的軟件，包括一組允許應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)交互的應(yīng)用程序接口（API）。 Platform Builder工具集還包括一個(gè)應(yīng)用程序向?qū)?，可幫助硬件團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建基本的示例應(yīng)用程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL），這些應(yīng)用程序與SDK一起幫助應(yīng)用程序開發(fā)人員了解操作系統(tǒng)并使用eMbedded Visual等工具創(chuàng)建自己的自定義應(yīng)用程序C ++?。圖1說明了Windows Embedded CE開發(fā)中涉及的硬件和軟件組件。

圖1：Windows Embedded軟件將應(yīng)用程序與底層硬件連接起來。

Microsoft最近通過引入用于Windows CE .NET的標(biāo)準(zhǔn)SDK簡(jiǎn)化了跨設(shè)備應(yīng)用程序的編寫。這提供了一組基準(zhǔn)組件，開發(fā)人員只需將標(biāo)準(zhǔn)SDK作為組件包含在其Windows CE .NET設(shè)備中即可確保在其設(shè)備中使用。 eMbedded Visual C ++ 4.0及更高版本中包含對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SDK的支持。

Advantech AIMB212D是硬件平臺(tái)的一個(gè)示例，非常適合開發(fā)基于Windows Compact Embedded（CE）或XP Embedded的設(shè)備（ XPE），雖然它不僅限于Windows Embedded開發(fā)。該主板具有雙核Intel Atom CPU，PCI和PCie插槽，千兆以太網(wǎng)支持，多個(gè)串行和USB端口以及GPIO。研華為使用SUSIAccess的低級(jí)傳感器和云連接支持多種BIOS選項(xiàng)，WinXP和Win7驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)用程序和API。稍后會(huì)詳細(xì)介紹。

開源選擇

雖然Visual Studio現(xiàn)在支持Linux和iOS開發(fā)以及Windows Embedded，但Linux開發(fā)人員歷史上并沒有獲得商業(yè)支持的好處工具。盡管如此，開源開發(fā)帶來的自由以及與Linux交互的低前期成本是使Linux變得非常受歡迎的因素。事實(shí)上，大多數(shù)非桌面計(jì)算系統(tǒng)現(xiàn)在都運(yùn)行在某種形式的Linux操作系統(tǒng)上。

即便如此，開發(fā)基于Linux的設(shè)備可能更容易，更高效，更方便。例如，當(dāng)OS的屬性變化如此廣泛時(shí)，硬件供應(yīng)商很難創(chuàng)建合適的BSP。創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化嵌入式Linux發(fā)行版的舉措試圖克服硬件開發(fā)人員的一些變幻莫測(cè)，從而簡(jiǎn)化硬件和軟件開發(fā)的交叉。 uClinux是針對(duì)簡(jiǎn)單微控制器的項(xiàng)目示例。它可以基于Linux 2.0,2.4或2.6內(nèi)核，并附帶用戶應(yīng)用程序，庫和工具鏈。微控制器供應(yīng)商可以為任何給定產(chǎn)品的評(píng)估板創(chuàng)建一個(gè)uClinux BSP，從而為客戶提供更快，更簡(jiǎn)單的開發(fā)路徑，前提是他們?yōu)樗x擇的微控制器使用適當(dāng)?shù)膗Clinux端口。

Yocto Project是另一種方法的示例，旨在幫助硬件開發(fā)人員在將開源開發(fā)自由與商業(yè)支持框架的便利性相結(jié)合的環(huán)境中創(chuàng)建自定義Linux發(fā)行版。該項(xiàng)目建立了通用模板，工具和方法，并利用Linux基金會(huì)的長(zhǎng)期支持計(jì)劃（LTSI）來標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)核。 LTSI提供必要的范圍，以嚴(yán)格控制的節(jié)奏應(yīng)用安全性和錯(cuò)誤修復(fù)，允許每個(gè)內(nèi)核版本得到適當(dāng)維護(hù)。

與Yocto項(xiàng)目的連接可以為各種類型的組織提供優(yōu)勢(shì)，包括芯片制造商，工具供應(yīng)商，Linux發(fā)行版的創(chuàng)建者和嵌入式設(shè)備開發(fā)人員。因此，該項(xiàng)目得到了眾多行業(yè)參與者的支持，他們正在投入人力和資源來幫助簡(jiǎn)化Linux的設(shè)備開發(fā)。 Yocto項(xiàng)目為L(zhǎng)inux構(gòu)建系統(tǒng)和操作系統(tǒng)實(shí)施的碎片提供了解毒劑，這可能使產(chǎn)品開發(fā)復(fù)雜化并阻礙硬件或軟件供應(yīng)商為其客戶提供支持的努力。 Yocto項(xiàng)目帶來的額外效率還有助于降低開發(fā)成本，加快需要高質(zhì)量保證的產(chǎn)品的上市時(shí)間，例如汽車模塊或運(yùn)營(yíng)商級(jí)電信系統(tǒng)。

Digi Connectcore 6UL是一個(gè)帶有源代碼的完整Yocto Project Linux BSP的SBC示例。該板還集成了對(duì)無線連接的支持，包括IEEE 802.11a/b/g/n/ac和Bluetooth?4.2，用于添加Grove傳感器或擴(kuò)展板的連接器，以及支持加密，密鑰存儲(chǔ)和安全啟動(dòng)以保護(hù)的硬件安全元件連接智能設(shè)備。

Android Things

作為一款基于Linux的操作系統(tǒng)，除了大型組織的支持之外，Android作為智能手機(jī)和平板電腦的平臺(tái)也取得了巨大的成功。開發(fā)人員可以使用Android SDK和Android Studio或第三方應(yīng)用開發(fā)工具等工具快速為Android手機(jī)創(chuàng)建移動(dòng)設(shè)備或應(yīng)用。谷歌現(xiàn)在正在擴(kuò)展Android系列以包括其他類型的設(shè)備：Android Wear就是一個(gè)例子，旨在開發(fā)可穿戴電子產(chǎn)品，如智能手表。

Android Things的到來對(duì)于開發(fā)人員來說可能是一個(gè)令人興奮的舉動(dòng)嵌入式系統(tǒng)與Yocto項(xiàng)目類似，Android Things理念使開發(fā)人員不必創(chuàng)建或修改自己的Linux內(nèi)核。這有望為小型，資源受限的設(shè)備創(chuàng)建應(yīng)用程序，就像開發(fā)移動(dòng)應(yīng)用程序一樣簡(jiǎn)單，并且可以將新的應(yīng)用程序開發(fā)人員群體從移動(dòng)場(chǎng)景帶入嵌入式世界。隨時(shí)可用的交鑰匙，認(rèn)證開發(fā)板和Android Things SDK使原型設(shè)計(jì)能夠立即開始。

Android Things SDK（圖2）支持用于移動(dòng)開發(fā)的Google Services API子集，并刪除那些不適合嵌入式開發(fā)的。通常，這些是需要用戶輸入或身份驗(yàn)證憑據(jù)的API。另一方面，添加了Things支持庫，它引入了嵌入式設(shè)備中常見而不是移動(dòng)設(shè)備中的硬件類型的API。這些包括連接到GPIO或接口的傳感器和執(zhí)行器，例如I 2 C，SPI或UART。

圖2： Android Things在物聯(lián)網(wǎng)支持庫中添加了額外的API來管理嵌入式設(shè)備中使用的硬件類型。

將傳感器連接到云端

從多個(gè)通道捕獲傳感器數(shù)據(jù)的能力，匯總并發(fā)送到云中的分析和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序，對(duì)于未來工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展至關(guān)重要。在Advantech AIMB212D和Digi Connectcore 6UL等連接SBC上托管的應(yīng)用程序在第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，收集和轉(zhuǎn)發(fā)傳感器數(shù)據(jù)，如用于振動(dòng)傳感的加速度計(jì)信號(hào)，生產(chǎn)率指標(biāo)，組件可追溯性數(shù)據(jù)或質(zhì)量信息，如檢查圖像。當(dāng)然，這兩種SBC都經(jīng)過認(rèn)證，可以連接到Microsoft Azure云，并附帶軟件來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

除了嵌入式軟件API，研華還提供帶有AIMB212D的SUSIAccess?API。像SMbus和硬件監(jiān)視器一樣用于從連接的傳感器捕獲數(shù)據(jù)。 SUSIAccess結(jié)合了研華的安全和統(tǒng)一智能接口（SUSI），用于監(jiān)控嵌入式設(shè)備，具有支持?jǐn)?shù)據(jù)挖掘，備份和遠(yuǎn)程恢復(fù)的附加功能，并幫助將感測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖腥A的WISE-PaaS物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺(tái)，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)備管理等服務(wù)尋求使用Digi Connectcore 6UL板解決類似應(yīng)用程序的開發(fā)人員，在基于Yocto的Linux環(huán)境中工作，可以利用Digi開發(fā)的軟件擴(kuò)展來促進(jìn)云集成。其中包括Digi TrustFence?基于硬件/軟件的安全框架，對(duì)空中下載（OTA）固件更新的支持，以及遠(yuǎn)程設(shè)備管理和健康監(jiān)控。圖3顯示了構(gòu)成Digi嵌入式Y(jié)octo平臺(tái)的BSP和軟件擴(kuò)展，包括對(duì)云集成的支持。

圖3：Digi嵌入式平臺(tái)增加了軟件擴(kuò)展，充分利用了Yocto項(xiàng)目的托管特性。

Android Things特別適合創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不僅包括用于設(shè)置溫度傳感器，智能相機(jī)或其他傳感器的低級(jí)接口的API，還提供對(duì)Weave通信平臺(tái)的訪問，以簡(jiǎn)化將設(shè)備連接到Google Cloud的過程。使用Weave設(shè)備SDK，開發(fā)人員可以將設(shè)備連接到Google的Weave服務(wù)器，該服務(wù)器處理安全設(shè)備注冊(cè)，設(shè)備管理以及與Google智能助理等服務(wù)的集成。使用Weave開發(fā)者控制臺(tái)可以輕松設(shè)置和監(jiān)控設(shè)備，并且注冊(cè)為Weave開發(fā)人員可以訪問Weave Developer應(yīng)用程序，以便通過移動(dòng)設(shè)備或平板電腦測(cè)試和控制設(shè)備。

啟動(dòng)Android Things項(xiàng)目很容易，使用支持的電路板，如Wandboard的PICO-PI-IMX6UL。這是基于恩智浦i.MX6應(yīng)用處理器，內(nèi)置IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi和藍(lán)牙4.1支持，4 GB可移動(dòng)存儲(chǔ)卡，并提供GPIO，I 2 C，I 2 S，UART和SPI用于連接傳感器或控制器等外部設(shè)備。進(jìn)一步的連接和多媒體擴(kuò)展是可能的。

結(jié)論

通過良好支持的SBC設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)更加友好和快捷，簡(jiǎn)化了對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行所需資源的訪問。即便如此，操作系統(tǒng)的選擇也會(huì)對(duì)項(xiàng)目的成功產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 BSP和SDK中的驅(qū)動(dòng)程序和API等軟件以及應(yīng)用它們的良好支持工具有助于最大限度地減少開發(fā)人員必須自己完成的工作，并允許更加關(guān)注應(yīng)用程序級(jí)別的差異化功能。

像Yocto Project這樣的計(jì)劃使Linux開發(fā)人員能夠享受類似于那些選擇Windows Embedded路由的用戶所提供的支持。 Android Things現(xiàn)在為小型連接設(shè)備的創(chuàng)建者提供類似的好處和簡(jiǎn)化的移動(dòng)應(yīng)用程序開發(fā)體驗(yàn)。