第2篇：嵌入式計算設備

江文瑞 譯，何小慶 審校

物的定義

物聯網的“物”的定義有多種多樣，在Micrium看來，“物”是網絡上發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”）。

圖1 嵌入式計算設備

什么是嵌入式系統？

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

嵌入式系統中32位架構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大大下降，而其更強大的性能為嵌入式系統開發人員提供了新的選擇。

對于8和16位MCU，軟件經常是使用前/后臺的方法（即超級循環）來實現。但是隨著32位微控制器價格的下降，現在RTOS（實時操作系統）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中。一個完整的RTOS系統應該具有內核、圖形用戶接口（GUI）、文件系統、USB協議棧、網絡，以及更多的其他功能，且能夠適合小于1 MB的內存空間。隨著RTOS的使用，嵌入式系統的軟件體系結構變得更為靈活，故障排除和添加新功能的能力大大增強，使用RTOS還可以簡化實現固件升級的方法。總之，在32位處理器上使用RTOS更有意義。

圖2 物聯網設備軟件架構

針對物的處理器

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

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

人們普遍認為物聯網硬件應該是低成本的，這樣才可以將物聯網設備（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為核心的網絡中。

首先，TCP/IP協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協議棧，僅僅占據32 KB空間，但通常它只支持TCP/IP標準最基本的功能，如果需要物聯網設備能夠在廣闊的主流IP網絡上運行，這就會導致一些問題。第二，TCP需要一定數量的網絡緩沖區有效進行工作，這需要寶貴的內存。并且，如果需要使用Java，那么物聯網設備將需要一個操作系統作為基礎來運行Java虛擬機（JVM）。所有這些因素制約了物聯網設備對低成本架構的選擇。

如何選擇處理器？

設計物聯網設備時，哪一款微控制器是好的選擇呢？

①在物聯網設備中，對于ARM處理器，Cortex-M0是很好的選擇。對于網關設備，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，用于物聯網設備的一個好的選擇是瑞薩（Renesas）的RL78或RX100，對于網關設備，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存，并始終維持低成本。

功耗的問題

現在嵌入式系統設計的一個共識就是降低功耗，常見的方法是系統盡可能快地執行，然后立即進入睡眠模式。現在的處理器核心架構，在低性能狀態下，可以做到基本上不消耗任何電力。針對無線傳感器網絡邊緣節點的設計，這種特性很有吸引力。這種針對性能的低功耗優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是目前一個經過優化后可以工作在接近CMOS晶體管閾值電壓的處理器內核，并在幾 MHz的時鐘頻率下執行指令。ARM的近閾值（near-threshold）設計與Cortex-M0架構兼容，這對軟件開發社區來說是個好消息。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。

對于物聯網設備，Java是很有吸引力的，因為全球有大量的Java開發者，他們給行業帶來了巨大的增長潛力。據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產品估計有下述系統需求：

①基于ARM架構的SoC系統。

②內存占用（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核，或一個更強大的嵌入式操作系統和嵌入式實時操作系統。

④至少一種類型的網絡連接（有線或無線）。

以上這些指標不符合Micrium關于深嵌入式系統的設備定義。上述需求加上嵌入式內核和通信協議棧，將ROM和RAM的總量推進到數兆。顯然，對于物聯網設備，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，連接網絡接口。第二個處理器通常被放在一個單獨的模塊上，協議已被認證并遵守FCC的規范。具有兩個處理器的物聯網設備結構圖如圖3所示。

圖3 具有兩個處理器的物聯網設備結構圖

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

網關的設計

網關連接兩個不同的網絡，以便網絡之間的數據流動，通常是專有網絡和互聯網之間的連接，網關結構如圖4所示。

圖4 網關結構

舉個智能家居的例子。不同的公共事業公司可能在你的家里安裝了各種各樣的物聯網設備，每一個都有自己的網關，這些可以包括電、天然氣、水、電話、互聯網、有線/衛星電視、報警系統、醫療設備等。這些網關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，物聯網的物是一個智能的嵌入式系統，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在雙處理器的物和網關中是必需的組件。