雖然嵌入式系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)同源,但由于應用領域和研發(fā)人員的不同,嵌入式系統(tǒng)很早就走向了相對獨立的發(fā)展道路。通用計算機軟件幫助人們解決了各種繁雜的問題,隨著需求的提升,所面臨的問題越來越復雜,軟件領域的大師們對這些問題進行了深入研究和實踐,于是誕生了科學的軟件工程理論,無需多言,通用計算機軟件的發(fā)展是我們有目共睹的。
再回過頭來看嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,其需求相對來說較為簡單,比如,通過熱電阻傳感器測溫、上下限報警與繼電器的動作,因此嵌入式系統(tǒng)的應用開發(fā)似乎沒有必要使用復雜的軟件工程方法,于是通用計算機系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)走上了不同的發(fā)展道路。
當嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到今天,所面對的問題也日益變得復雜起來,而編程模式卻沒有多大的進步,這就是所面臨的困境。相信大家都或多或少地感覺到了,嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的環(huán)境已經(jīng)開始發(fā)生根本的改變,智能硬件和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等都讓人始料不及,危機感油然而生。
盡管企業(yè)投入巨資不遺余力地組建了龐大的開發(fā)團隊,當產(chǎn)品開發(fā)完成后,從原材料BOM與制造成本角度來看,毛利還算不錯。當扣除研發(fā)投入和合理的營銷成本后,企業(yè)的利潤所剩無幾,即便這樣員工依然還是感到不滿意,這就是傳統(tǒng)企業(yè)管理者的窘境。
雖然ZLG投入了大量的人力資源,但重復勞動所造成的損耗以億元計。上千種MCU、大量的片上外設、眾多的外圍器件,操作方式不盡相同。由于缺乏平臺化的技術,即便相同的外圍器件,幾乎都要重新編寫相應的代碼和文檔并進行測試,所有的應用軟件很難做到完美地復用。
在開發(fā)同一系列高中低三個層次的產(chǎn)品時,通常會遇到這樣的問題,主芯片可能使用Arm9?、雙核A9和DSP,其操作系統(tǒng)分別為μC/OS-II、Linux和SysBIOS。不僅驅動代碼不兼容,而且應用層代碼也不一樣,如此一來,僅僅維護這些各不相同的代碼就要消耗大量的人力資源。同時,對于開發(fā)人員,每天處在這繁重的維護工作中,很難再專注于產(chǎn)品本身,發(fā)現(xiàn)新的創(chuàng)新點。
傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)門檻很高,從硬件到軟件,從底層驅動到各種協(xié)議棧、中間件,再到應用程序,這些都是嵌入式開發(fā)必須要掌握的技能。比如,使用一個新的MCU,需要閱讀上千頁的數(shù)據(jù)手冊;使用OS不得不深入底層,了解原理和移植底層核心代碼;產(chǎn)品需要聯(lián)網(wǎng),又不得不學習豐富的通信技術和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(NB-IoT、Lora、Bluetooth、WIF、HTTP、MQTT、LWM2M、TLS……)。
相信很多開發(fā)者都有過項目從最底層的寄存器操作開始,一步一步地構建整個開發(fā)平臺的慘痛經(jīng)歷。項目投入了大量的人力、物力、財力,結果往往卻不甚理想。這是因為我們并非是各個方面的專家,不可能每一面都能做得很好,項目自然會為此而付出巨大的成本。
什么都要做,卻什么也做不好,這就是當前嵌入式開發(fā)的真實寫照。同時,對于一個具體產(chǎn)品來講,這些技術僅僅只是產(chǎn)品的基礎“工具”,并非“核心域”,產(chǎn)品的價值在于產(chǎn)品本身的創(chuàng)新。若在開發(fā)產(chǎn)品前,開發(fā)者需要花大量的時間和精力學習這些新技術、新知識,不僅嚴重影響產(chǎn)品的開發(fā)進度,而且隨著時間的消耗,最初的創(chuàng)意、最初的靈感,很可能就被這些技術細節(jié)打敗,消磨殆盡,很難開發(fā)出具有競爭力的產(chǎn)品了。為了解決種種痛點,經(jīng)過十多年的不斷研發(fā)、積累和完善,ZLG推出了AWorksLP平臺。
如圖1所示是AWorksLP的標識符。從概念上講,AWorksLP是ZLG經(jīng)過十多年時間積累開發(fā)的IoT物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。AWorksLP平臺的宗旨是“軟件定義一切”,使應用與具體硬件平臺徹底分離,實現(xiàn)“一次編程、終生使用”和“跨平臺”。AWorksLP提供了大量高質量、可復用的組件,行業(yè)合作伙伴可以在該平臺上直接開發(fā)各種應用,通過有線接入和無線接入收集、管理和處理數(shù)據(jù)。從而將程序員從“自底層寄存器開始開發(fā)、學習各種協(xié)議”的苦海中解放出來,使開發(fā)者可以回歸產(chǎn)品本質,以應用為中心,將主要精力集中在需求、算法和用戶體驗等業(yè)務邏輯上。具體來說,可以從兩個方面來理解AWorksLP。
首先,AWorksLP是一個平臺。它提供了一種通用機制,能夠將各種軟件組件有機的集成在一起,使其可以為用戶提供數(shù)量龐大且高質量、高價值的服務。這些組件經(jīng)過了精心的設計和實現(xiàn),在代碼體積、效率、可靠性和易用性方面下了很多夫。
其次,AWorksLP是跨平臺的,這里的平臺指的是底層硬件平臺或具體軟件的實現(xiàn)。AWorksLP規(guī)范了各種類型組件的通用接口,這些通用接口是對某一類功能高度抽象的結果,與具體芯片、外設、器件及實現(xiàn)方式均無關。例如,定義了一組文件系統(tǒng)接口,接口與具體存儲硬件,具體文件系統(tǒng)實現(xiàn)方法(FAT、YaFFS、UFFS等)均無關。換言之,存儲硬件、文件系統(tǒng)的實現(xiàn)都可以任意更換,不會影響到通用接口?;诖?,只要應用程序基于這些通用接口進行開發(fā)。那么,應用程序就可以跨平臺使用,更換底層硬件不會影響到應用程序。換句話說,無論 MCU 如何改變,則基于AWorksLP平臺的應用軟件均可復用。
下面,首先簡述AWorksLP的基本特點,然后向讀者展示AWorksLP的架構圖。
AWorksLP具有以下特點:
? 所有內部組件均可靜態(tài)實例化,避免內存泄漏,提高系統(tǒng)運行的確定性和實時性;
? 深度優(yōu)化了組件初始化過程,使系統(tǒng)能以極短的時間(通常小于1s)啟動;
? 所有組件可插拔、可替換、可配置(可通過便捷的圖形配置工具完成);
? 領先的驅動管理框架:AWbus-lite,使驅動程序可以得到最大限度的復用;
? 先進的電源管理模塊,最大限度地降低功耗;
? 提供常用的通用組件:文件系統(tǒng)、TCP/IP議棧、USB協(xié)議棧等;
? 主要目標領域:IoT物聯(lián)網(wǎng),提供WiFi、Bluetooth、Zigbee、GPRS、3G等無線接入方式,以及6LoWPAN、TLS、DTLS、CoAP、MQTT、LWM2M等物聯(lián)網(wǎng)關鍵協(xié)議棧。云端接入方面,支持機智云、IBM、阿里云等云服務平臺應用程序框架,很快也將推出ZLG自主研發(fā)的云平臺;
? 包含極微小原生內核,任務數(shù)量無限制,高達1024優(yōu)先級,支持同優(yōu)先級任務,最小能在1K RAM、2K ROM中運行,包含多任務管理、信號量、互斥量、消息隊列等多種OS服務;
? 除原生內核外,也可使用ucCOS、FreeRTOS等實時操作系統(tǒng)作為AWorksLP的內核;
? 提供第三方組件的適配器,方便用戶跳過移植階段,直接使用第三方組件,比如LWIP、FatFS、SQLite等。
簡單的說AWorksLP平臺提供了標準化的硬件擴展接口與硬件無關的標準化API函數(shù)接口,提供了大量高質量的組件,這些組件都是可剪裁、可配置的?;贏WorksLP中大量的組件,開發(fā)者無需關心與MCU、OS有關的基礎知識,只要會 C語言就能將需求開發(fā)成產(chǎn)品。
為了幫助用戶快速搭建產(chǎn)品原型,ZLG還提供了豐富的硬件模塊供開發(fā)者選擇,如i.MX28x底板及系列核心板、M3352底板及系列核心板、M6748底板及系列核心板和一系列外圍擴展配件(傳感器配件、ZigBee配件、WI-FI配件、3G配件等工業(yè)IoT常用配件)。
可以簡單地將AWorksLP看作三層結構:應用層、中間層和硬件層。
包含用戶編寫的應用程序。應用程序可以使用C開發(fā),也可以使用C++開發(fā)。對于部分硬件平臺,AWorksLP還提供了Python(MicroPython)的支持,用戶可以直接使用Python語言開發(fā)應用程序。
中間層是AWorksLP的主體部分,其包含了各式各樣的組件,在AWorksLP中,一切軟件都可以視為組件,常見的有:驅動軟件(比如,PCF85063驅動)、通用工具軟件(比如,鏈表、環(huán)形緩沖區(qū))、一些大型的協(xié)議棧(比如,TCP/IP)等。
雖然AWorksLP集成的組件十分繁多,但都是可裁剪的,AWorksLP甚至能夠在只有幾K內存的小資源平臺上運行。其中,AMetal是一個特殊的組件,其位于外設和外圍器件之上,本質上是一個裸機支持包,負責與底層硬件打交道,完成寄存器級別的操作,封裝底層硬件的功能,并完成基礎功能的抽象,為系統(tǒng)上層提供統(tǒng)一的硬件操作接口。換言之,AMetal處理了底層硬件的差異性,使系統(tǒng)上層專注于硬件功能的使用,無需再處理繁雜器件之間的差異性,為每一類不同器件編寫不同的驅動。
除AMetal外,其余所有組件可以分為5大類(在架構圖中使用黑色的矩形框進行了劃分,并在矩形框左上角對該類組件進行了命名):應用框架&庫(Application Frameworks & Libs)、基礎服務(Base Facilities)、實時內核(Real-Time Kernel)、網(wǎng)絡(Networking)、設備管理(Device Management)。
應用框架是直接為應用程序服務的,主要包含一些大型的系統(tǒng)框架,如:GUI、腳本引擎、數(shù)據(jù)庫、Bootloader等。
AWorksLP兼容Posix,使基于Posix接口的應用程序可以無縫移植到AWorksLP平臺中運行。為便于用戶使用,AWorksLP還提供了一系列算法庫。
在這里,特別說明一下相對讀者來講比較陌生的一個概念:“AWPI C++框架”,其同樣是由廣州致遠電子股份有限公司推出的。AWPI提供了一套C++接口,它與操作系統(tǒng)和平臺均無關,在任何地方都可以使用,類似于Posix接口,只要一個系統(tǒng)兼容AWPI,那么基于AWPI的應用就可以在該系統(tǒng)中運行。
當前,AWPI已經(jīng)支持AWorksLP、Windows和Linux系統(tǒng)。如此一來,習慣于在Windows或Linux上做開發(fā)的C++程序員,只要其使用AWPI開發(fā)C++應用程序,那么這些應用程序就可以在AWorksLP中運行,而AWorksLP又是定位于IoT物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng),換句話說,C++程序員無需了解嵌入式底層,就可以直接使用C++開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)相關應用。
AWorksLP提供了一系列基礎服務,這是一些高效、功能完善的組件,主要包括:文件系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、Shell服務、加密(安全)服務、電源管理(低功耗)、測試框架、狀態(tài)機框框架、事件管理框架等。
實時內核可以看作一個OS內核,提供OS基礎服務:時間管理、線程服務、同步(互斥鎖、信號量、消息郵箱等)、原子操作、數(shù)據(jù)傳遞、內存管理等。
通常情況下,AWorksLP默認使用的OS內核是廣州致遠電子股份有限公司自主研發(fā)的輕量級RTOS:AWorksLP(RTK)。但實際上,AWorksLP并不限制使用某一特定的操作系統(tǒng),操作如同驅動代碼一樣,僅僅是一個可以根據(jù)需要任意更換的組件。
在AWorksLP中,要使用某一操作系統(tǒng),僅需提供一個對應的適配器即可。操作系統(tǒng)適配器直接駐留在操作系統(tǒng)接口之上,主要用于屏蔽各類操作系統(tǒng)和硬件接口的差異,從而大大地增強了AWorksLP的可移植性和可維護性。
當前,AWorks已經(jīng)為常見的操作系統(tǒng)提供了適配器,比如,SYSBIOS Adaptor、Windows Adaptor、Linux Adaptor等。以支持在AWorks中使用這些操作系統(tǒng)。
網(wǎng)絡是AWorksLP非常重要的組成部分,也是其作為IoT生態(tài)系統(tǒng)的必備條件。在萬物互聯(lián)的大趨勢下,網(wǎng)絡相關技術也得到了快速的發(fā)展。AWorksLP緊隨時代潮流,支持眾多常用協(xié)議以及最新的協(xié)議。用戶基于AWorksLP平臺開發(fā),無需再深入研究網(wǎng)絡協(xié)議,直接使用這些協(xié)議即可。
目前,AWorksLP支持常見的通信技術,主要有:ModBus協(xié)議、CAN協(xié)議(這里的CAN側重于CAN協(xié)議棧,設備管理中的CAN側重于CAN硬件通訊接口)、Cellular(蜂窩)、WIFI、以太網(wǎng)、Lora WAN、NB-IoT、Bluetooth、zigbee等。
同時,AWorksLP具有TCP/IP協(xié)議棧,支持IPv6,支持TLS(使用TLS加密通信)以及大量基于TCP/IP的應用協(xié)議,如:FTP、SMTP、HTTP、MQTT、CoAP、LWM2M等。
特別地,隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,越來越多的設備需要接入“云”,AWorksLP已經(jīng)針對第三方云(主要包括阿里云、機智云等)進行了適配,基于AWorks的應用可以輕松的接入這些“云”,第三方云的支持可以方便用戶將之前的程序遷移到AWorksLP平臺。除此之外,AWorksLP平臺還將推出自主研發(fā)的云平臺。
設備管理用于管理一系列硬件設備,在嵌入式系統(tǒng)中,設備的種類非常繁多,如GPIO、PWM、ADC、ADC、IIC、SPI、CAN、Serial、USB、PCIe、傳感器、人機界面、媒體設備、存儲設備等。使用一個設備管理框架可以實現(xiàn)對這些設備“有條不紊”的管理。
硬件層表示了當前AWorksLP支持的硬件設備。主要分為兩大類:
當前支持的CPU內核主要有:Cortex?-M0/3/4/7、Coterx-A7/8/9、Arm7?/Arm9?、DSP等常用內核。
外設主要是指MCU的片上外設,如ADC、DAC、GPIO、UART、SPI、IIC等;外圍器件主要是指一些IC芯片,常見的有:各類傳感器芯片、存儲器芯片、接口擴展芯片(比如,UART轉兩路SPI)、專用芯片(如以太網(wǎng)PHY芯片)等。
AWorksLP的發(fā)布形式是SDK(Software Development Kit),SDK中包含了文檔、工具、示例代碼、模版工程等。詳見圖3。
詳盡的文檔旨在幫助用戶快速上手AWorksLP。例如:《快速入門手冊》可以幫助用戶快速搭建好開發(fā)環(huán)境;《用戶手冊》可以使用戶對SDK有更深入的了解,如目錄結構、平臺資源(ADC通道數(shù)目、PWM通道數(shù)目等)等,并掌握硬件平臺相關資源的定義和配置(如LED0對應的I/O口)。
示例代碼展示了一些組件的使用方法,比如,多任務、文件系統(tǒng)、定時器、內存管理等等。當用戶使用一個新的組件時,可以參考SDK中提供的示例代碼,快速理解各個接口的使用方法。模版工程用于用戶快速創(chuàng)建自己的應用工程,使創(chuàng)建新的工程非常簡單:拷貝一份模版工程并重命名即可。
AWorksLP是不開源的,內部核心功能組件都是以庫的形式提供,相關接口通過頭文件引出。用戶直接使用各個組件提供的接口開發(fā)應用程序,專注于應用程序開發(fā),無需關心底層實現(xiàn)。需要注意的是,AWorksLP SDK與具體硬件開發(fā)套件相對應,不同硬件平臺使用的SDK是不同的。廣州致遠電子股份有限公司推出了一系列嵌入式硬件開發(fā)套件,供用戶二次開發(fā),快速搭建產(chǎn)品原型。如EPC-AW280底板可以分別與A280-W64F8AWI(WIFI核心板)、A280-Z64F8AWI(zigbee核心板)和A280-M64F8AWI(無線讀卡核心板)組成3套開發(fā)套件,詳見圖4。
為了便于客戶使用,廣州致遠電子股份有限公司為每套硬件都提供了對應的AWorksLP SDK,即SDK與具體硬件開發(fā)套件一一對應。在使用AWorksLP前,需要聯(lián)系廣州致遠電子股份有限公司,獲取到對應硬件的SDK。
不同硬件對應的SDK是不同的,不建議混用。不同SDK對底層硬件的不同分別進行了處理,屏蔽了底層硬件的差異性,對于用戶來講,無論使用何種硬件,應用程序使用的API是完全相同的,也正因為如此,應用程序不會與某一硬件平臺捆綁,可以很容易地實現(xiàn)跨平臺復用。
對于用戶來講,獲取AWorksLP SDK后,即可基于AWorksLP快速開發(fā)應用程序。在開發(fā)某一應用程序前,需要先建立一個新的工程,在AWorksLP SDK中,已經(jīng)提供了模板工程,“新建工程”只需簡單拷貝一下即可。
模板工程就是位于projects_keil5\applications目錄下的template文件夾。新建工程即將template文件夾重新復制一份,并將拷貝得到的文件夾重命名為與具體應用相關的名字,例如:要編寫一個LED閃爍應用,則可以命名為:led_blinking。接著打開led_blinking文件夾,將工程文件template.uvprojx也重命名為led_blinking.uvprojx,至此,即完成了工程的建立。若用戶已經(jīng)正確安裝了keil軟件,則雙擊led_blinking.uvprojx工程文件即可打開工程。(更詳細的操作詳見配套開發(fā)資料中的《快速入門手冊》,其中包含了詳盡的軟件安裝步驟)。打開工程后,即可在user_code分組下的main.c文件中添加具體的應用程序代碼。
作為示例,可以編寫一個簡單的LED閃爍程序,詳見程序清單1.1。
將該程序編譯、鏈接后即可生成程序固件,并可以下載到開發(fā)板上運行,具體操作方法相見SDK中的《快速入門手冊》。
在AWorksLP中,函數(shù)的命名以“aw_”開頭,其中,aw_led_toggle()在aw_led.h文件中聲明,用于翻轉LED;aw_mdelay()在aw_delay.h文件中聲明,用于延時指定的時間(單位:毫秒)。這些接口的詳細使用方法將在后續(xù)相關的章節(jié)予以介紹。需要特別注意的是,在AWorksLP平臺中編寫應用程序時,所有源文件都應該首先包含aworks.h文件。
在這里,初步體會了LED和延時服務兩類API,實際中,任何模塊或服務的使用方法都是類似的。首先,包含該模塊或服務對應的頭文件(“aw_xxx.h”);然后,使用頭文件中提供的API。后續(xù)章節(jié)將詳細介紹AWorksLP提供的一些基礎服務,比如,常用設備(LED、按鍵、數(shù)碼管等)、常用外設(GPIO、PWM、SPI等)、時間管理、內存管理、OS內核、文件系統(tǒng)等。