2015年的嵌入式產業看點總結
2015-01-07 20:19:38 本站原創在2015年新年到來之際，我希望給過去一年的嵌入式系統做些梳理和2015年技術發展做一些展望。根據《EE Live!》的一項年度調查總結了嵌入式設計的十大趨勢，它們是：Wi-Fi占主流、藍牙迅速崛起;開放原始碼超越商用OS;Android與FreeRTOS為主導;完整原始碼可用;多處理技術成為主流;FPGA開始走下坡;虛擬化陷入低潮;IoT首度上榜;專案時程延遲。下面我將就此談談我對2015年嵌入式技術發展看法。
物聯網漸成氣候
長期以來工業、消費和通信一直是北美三大龍頭行業，這次物聯網(IoT)能進入前10名的應用，說明物聯網產業漸成氣候，設備聯網的需求越來越多，見圖 1 HIS的預測數據。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標準，藍牙的迅速崛起得益于智能終端的流行，Gartner預估，2014年全球智能手機銷售量將達到12億部，智能手機將全部會采用藍牙技術，現在主流的藍牙4.0技術可以提供與可穿戴設備超低功耗連接。
2014年成為可穿戴設備發展歷史上不平靜的一年。從年初CES上的無限風光，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，可穿戴設備歷經起伏動蕩后更顯無限生機。根據市場公司Canalys的報告說，2014年Q3的可穿戴智能手表和手環發貨量達到500萬個，預計到2015年則會超過 2300萬個。
物聯網熱也從2014年電子公司的收購事件中得到驗證。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和藍牙技術，加上已經有的Zigbee，Atmel將擁有更為完整的針對工業物聯網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牙技術提供商創杰科技公司(ISSC)。這次收購讓微芯可以獲得更專業的無線技術用于現有藍牙方案產品，并為將來為物聯網市場的站穩腳跟打下基礎，與Atmel不同的是微芯更側重在消費電子市場。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業公司SmartThings，后者主要在開發智能家居用的開關、傳感器、控制器和移動應用軟件。2014年10 月在湖南大學召開的中國計算機學會嵌入式專委會會議上，Intel公司王文杰總監介紹Intel在物聯網方面的戰略和專門成立的物聯網事業部情況。IT巨頭的進入讓產業屆對物聯網更有信心，在技術整合上也更有力度，系統設計上更方便和容易。
圖1 HIS預測2011-2025年全球物聯網設備情況
除了在芯片上整合無線功能和研發創新的物聯網示范性應用外，嵌入式企業在積極發展可以更好的服務物聯網系統的操作系統技術，既物聯網操作系統。包括微軟、風河、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，關于物聯網操作系統更多的信息，讀者可以閱讀我寫的“物聯網操作系統淺析”一文，它發表在2015年1月《單片機與嵌入式系統應用》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。根據 www.embeddforecast.com的報告Android在嵌入式OS市場份額只要9.4%，到2010年已經增加到 19.2%，Android一躍成為除了內部開發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、飛思卡爾等半導體公司都投入大量資源開發基于本公司芯片Android系統，相比傳統的嵌入式OS(包括嵌入式Linux)開發，用戶在硬件層的工作量大大減少。第二Android的生態環境日趨完善。市場上已經有大量軟件支持Android軟硬件系統和第三方機構，這樣基于Android的嵌入式系統產品開發的時間將大大縮短，因為豐富的第三方資源，未來系統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也是預料之中的事情，這個結果與UBM 2103的嵌入式市場研究報告的結果基本一致，如圖2。FreeRTOS軟件的開發始于2002年，是一個針對MCU的標準交叉開發平臺，已經移植到了27個MCU核上，可以支持17種工具鏈。FreeRTOS項目是由Real Time Engineers Ltd 擁有、運行和維護。創始人Richard Barry 同時還參加基于FreeRTOS技術、面向安全和關鍵應用的軟件-SafeRTOS開發。
FreeRTOS是一個緊湊的實時內核，具備RTOS基本功能，占用存儲器也比較少。(但沒有內存分配功能)，內核調試可以借助第三方 -Percepio的嵌入式OS跟蹤工具Tracealyzer。FreeRTOS 最近幾年得到了不少MCU 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，FreeRTOS影響力日漸增加。
FreeRTOS遵循GPL的軟件授權協議，商業用戶亦可購買商業授權獲得其私有的授權協議，購買商業授權的好處是：任何基于FreeRTOS修改和相關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協議。如果你采用開源授權，你就必須要把FreeRTOS內核相關修改貢獻出來。如果你是商業產品，希望保留這些修改成為自己的企業商業機密，那么就購買商業授權吧。
相比uC/OS-II/III，FreeRTOS在內核、中間件和可靠性認證等方面還有不小的差距。比如物聯網應用必須的TCP/IP協議，FreeRTOS還必須依賴LWIP開源項目，FreeRTOS不支持MPU，也沒有自己的中間件模塊。在圖書和開發者普及度方面，Richard Barry寫了一本書，《使用FreeRTOS實時內核：實用指南》，國內的網友有翻譯成中文電子版本，最近幾年國內的嵌入式軟件開發圖書中也有章節對FreeRTOS做了介紹，比如李志明著機械工業社出版的《STM32嵌入式系統開發實戰指南》，但比較uC/OS-II/III圖書和開發者普及度FreeRTOS還要走很長一段路。筆者相信借助開源的優勢，假以時日FreeRTOS發展前景令人期待。
嵌入式多核應用仍有難點
十大趨勢中的“多核處理技術成為主流，FPGA開始走下坡，虛擬化陷入低潮”的三種說法與嵌入式多核應用有一定的關系。從計算機發展的角度看，多處理器和多核技術成為主流這無疑成為事實，它能夠解決摩爾定律發展到今天處理器的高性能與低功耗的矛盾。多核的處理器已經在高端嵌入式系統的應用中廣泛采用，比如移動多媒體設備和通信設備，代表性的通用芯片產品有飛思卡爾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環境大量使用的虛擬化技術-VmWare和VirtualBox，嵌入式系統的需求復雜且不統一，多核處理器在每一種嵌入式系統中配置和部署都會不一樣，傳統的虛擬化技術很難滿足這些需求。
風河、ENEA和MentorGraphic這三家嵌入式OS公司針對嵌入式多核應用推出各自的虛擬化解決方案，圖3是Mentor Graphic異構多核軟件解決方案，它是對目前商業嵌入式多核軟件傳統的SMP/AMP解決方案的擴展，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)設計更加靈活和高效，在支持ARM TrustZone和OS引導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，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，但是實際基于多核的應用并不多，許多解決方案其實只是使用了一個內核，這難免有些尷尬。嵌入式系統的多樣性和復雜性讓多核的應用變得更加困難，多核的軟件開發工具和OS研究，遠遠落后于硬件技術的發展，軟件開發難度太大讓嵌入式多核應用發展變得非常緩慢，這也是2015年嵌入式技術發展面臨的一個挑戰。
圖3 Mentor Graphic多核OS方案
總結
嵌入式技術是物聯網產業、工業4.0和智能化發展的重要基礎，嵌入式技術也在互聯和智能的大潮中演進和發展，嵌入式技術已經滲透到集成電路、通信、軟件和云計算等技術領域。關注嵌入式技術發展，在新產品和系統設計采用嵌入式新技術，既可以推動創新和產品升級換代，也利于中國企業從制造到創造，從工業化到智能化的蛻變。
