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)風險，加快從小型消費設(shè)備到高性能等各種產(chǎn)品的上市時間工業(yè)控制和遙感設(shè)備。即使入門也是一個挑戰(zhàn)，因為軟件開發(fā)取決于硬件是否準備就緒。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)動程序，適配層和OS內(nèi)核向上到應用程序接口（API）和應用程序本身。雖然必須面對這些問題，但開發(fā)團隊通常希望將他們的資源集中在應用程序級別，以創(chuàng)建獨特的功能，從而使產(chǎn)品在市場中脫穎而出。

為了幫助克服一些早期障礙，芯片供應商已經(jīng)創(chuàng)建了開發(fā)平臺，可以解決許多硬件設(shè)計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后，團隊可以在項目進展時對硬件進行微調(diào)，以添加獨特或增值功能。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，可提供大量單板計算機（SBC）或計算機模塊（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，然后在很少或不需要對硬件進行進一步修改的情況下擴展到生產(chǎn)中。

任何嵌入式開發(fā)平臺都需要板級支持包（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OS的引導加載程序。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。

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。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菜單中僅選擇所需的功能，從而最大限度地減少對內(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)動程序列表可以快速輕松地合并，或者在必要時幫助構(gòu)建自定義驅(qū)動程序。

因為Microsoft 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)人員快速啟動和運行硬件。

除了BSP之外，還需要一個用于定制操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具包（SDK）來幫助工程團隊創(chuàng)建應用程序軟件。 SDK提供必要的軟件，包括一組允許應用程序與操作系統(tǒng)交互的應用程序接口（API）。 Platform Builder工具集還包括一個應用程序向?qū)?，可幫助硬件團隊創(chuàng)建基本的示例應用程序和動態(tài)鏈接庫（DLL），這些應用程序與SDK一起幫助應用程序開發(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的標準SDK簡化了跨設(shè)備應用程序的編寫。這提供了一組基準組件，開發(fā)人員只需將標準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標準SDK的支持。

Advantech AIMB212D是硬件平臺的一個示例，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，多個串行和USB端口以及GPIO。研華為使用SUSIAccess的低級傳感器和云連接支持多種BIOS選項，WinXP和Win7驅(qū)動程序，實用程序和API。稍后會詳細介紹。

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。事實上，大多數(shù)非桌面計算系統(tǒng)現(xiàn)在都運行在某種形式的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OS的屬性變化如此廣泛時，硬件供應商很難創(chuàng)建合適的BSP。創(chuàng)建標準化嵌入式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，從而簡化硬件和軟件開發(fā)的交叉。 uClinux是針對簡單微控制器的項目示例。它可以基于Linux 2.0,2.4或2.6內(nèi)核，并附帶用戶應用程序，庫和工具鏈。微控制器供應商可以為任何給定產(chǎn)品的評估板創(chuàng)建一個uClinux BSP，從而為客戶提供更快，更簡單的開發(fā)路徑，前提是他們?yōu)樗x擇的微控制器使用適當?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。該項目建立了通用模板，工具和方法，并利用Linux基金會的長期支持計劃（LTSI）來標準化內(nèi)核。 LTSI提供必要的范圍，以嚴格控制的節(jié)奏應用安全性和錯誤修復，允許每個內(nèi)核版本得到適當維護。

與Yocto項目的連接可以為各種類型的組織提供優(yōu)勢，包括芯片制造商，工具供應商，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化Linux的設(shè)備開發(fā)。 Yocto項目為Linux構(gòu)建系統(tǒng)和操作系統(tǒng)實施的碎片提供了解毒劑，這可能使產(chǎn)品開發(fā)復雜化并阻礙硬件或軟件供應商為其客戶提供支持的努力。 Yocto項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)品的上市時間，例如汽車模塊或運營商級電信系統(tǒng)。

Digi Connectcore 6UL是一個帶有源代碼的完整Yocto Project Linux BSP的SBC示例。該板還集成了對無線連接的支持，包括IEEE 802.11a/b/g/n/ac和Bluetooth?4.2，用于添加Grove傳感器或擴展板的連接器，以及支持加密，密鑰存儲和安全啟動以保護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作為智能手機和平板電腦的平臺也取得了巨大的成功。開發(fā)人員可以使用Android SDK和Android Studio或第三方應用開發(fā)工具等工具快速為Android手機創(chuàng)建移動設(shè)備或應用。谷歌現(xiàn)在正在擴展Android系列以包括其他類型的設(shè)備：Android Wear就是一個例子，旨在開發(fā)可穿戴電子產(chǎn)品，如智能手表。

Android Things的到來對于開發(fā)人員來說可能是一個令人興奮的舉動嵌入式系統(tǒng)與Yocto項目類似，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)建應用程序，就像開發(fā)移動應用程序一樣簡單，并且可以將新的應用程序開發(fā)人員群體從移動場景帶入嵌入式世界。隨時可用的交鑰匙，認證開發(fā)板和Android Things SDK使原型設(shè)計能夠立即開始。

Android Things SDK（圖2）支持用于移動開發(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器學習應用程序，對于未來工業(yè)自動化的發(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)，如用于振動傳感的加速度計信號，生產(chǎn)率指標，組件可追溯性數(shù)據(jù)或質(zhì)量信息，如檢查圖像。當然，這兩種SBC都經(jīng)過認證，可以連接到Microsoft Azure云，并附帶軟件來實現(xiàn)這一點。

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，具有支持數(shù)據(jù)挖掘，備份和遠程恢復的附加功能，并幫助將感測數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖腥A的WISE-PaaS物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺，提供遠程監(jiān)控，設(shè)備管理等服務尋求使用Digi Connectcore 6UL板解決類似應用程序的開發(fā)人員，在基于Yocto的Linux環(huán)境中工作，可以利用Digi開發(fā)的軟件擴展來促進云集成。其中包括Digi TrustFence?基于硬件/軟件的安全框架，對空中下載（OTA）固件更新的支持，以及遠程設(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平臺的BSP和軟件擴展，包括對云集成的支持。

圖3：Digi嵌入式平臺增加了軟件擴展，充分利用了Yocto項目的托管特性。

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，智能相機或其他傳感器的低級接口的API，還提供對Weave通信平臺的訪問，以簡化將設(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服務器，該服務器處理安全設(shè)備注冊，設(shè)備管理以及與Google智能助理等服務的集成。使用Weave開發(fā)者控制臺可以輕松設(shè)置和監(jiān)控設(shè)備，并且注冊為Weave開發(fā)人員可以訪問Weave Developer應用程序，以便通過移動設(shè)備或平板電腦測試和控制設(shè)備。

啟動Android Things項目很容易，使用支持的電路板，如Wandboard的PICO-PI-IMX6UL。這是基于恩智浦i.MX6應用處理器，內(nèi)置IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi和藍牙4.1支持，4 GB可移動存儲卡，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。進一步的連接和多媒體擴展是可能的。

結(jié)論

通過良好支持的SBC設(shè)計嵌入式系統(tǒng)更加友好和快捷，簡化了對系統(tǒng)啟動和運行所需資源的訪問。即便如此，操作系統(tǒng)的選擇也會對項目的成功產(chǎn)生深遠的影響。 BSP和SDK中的驅(qū)動程序和API等軟件以及應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)注應用程序級別的差異化功能。

像Yocto Project這樣的計劃使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化的移動應用程序開發(fā)體驗。