2015年的嵌入式产业看点总结

在2015年新年到来之际，我希望给过去一年的嵌入式系统做些梳理和2015年技术发展做一些展望。根据《EE Live!》的一项年度调查总结了嵌入式设计的十大趋势，它们是：Wi-Fi占主流、蓝牙迅速崛起;开放原始码超越商用OS;Android与FreeRTOS为主导;完整原始码可用;多处理技术成为主流;FPGA开始走下坡;虚拟化陷入低潮;IoT首度上榜;专案时程延迟。下面我将就此谈谈我对2015年嵌入式技术发展看法。

物联网渐成气候

长期以来工业、消费和通信一直是北美三大龙头行业，这次物联网(IoT)能进入前10名的应用，说明物联网产业渐成气候，设备联网的需求越来越多，见图 1 HIS的预测数据。Wi-Fi成为目前短距离通信的主流，比如智能家居就广泛采用Wi-Fi标准，蓝牙的迅速崛起得益于智能终端的流行，Gartner预估，2014年全球智能手机销售量将达到12亿部，智能手机将全部会采用蓝牙技术，现在主流的蓝牙4.0技术可以提供与可穿戴设备超低功耗连接。

2014年成为可穿戴设备发展历史上不平静的一年。从年初CES上的无限风光，到年中各大卖场的少人问津，再到年底的黑色星期五抢购潮，可穿戴设备历经起伏动荡后更显无限生机。根据市场公司Canalys的报告说，2014年Q3的可穿戴智能手表和手环发货量达到500万个，预计到2015年则会超过 2300万个。

物联网热也从2014年电子公司的收购事件中得到验证。老牌的MCU公司Atmel以1.4亿美元收购NewportMedia，这次收购让Atmel 获得Wi-Fi和蓝牙技术，加上已经有的Zigbee，Atmel将拥有更为完整的针对工业物联网智能无线连接组合方案。另外一家老牌MCU公司微芯科技公司(Microchip)以约3.29亿美元收购台湾低功耗蓝牙技术提供商创杰科技公司(ISSC)。这次收购让微芯可以获得更专业的无线技术用于现有蓝牙方案产品，并为将来为物联网市场的站稳脚跟打下基础，与Atmel不同的是微芯更侧重在消费电子市场。在2014年夏天微芯还试图收购过CSR，最后没有成功，CSR被高通收购。

IT巨头三星2亿美元收购了智能家居创业公司SmartThings，后者主要在开发智能家居用的开关、传感器、控制器和移动应用软件。2014年10 月在湖南大学召开的中国计算机学会嵌入式专委会会议上，Intel公司王文杰总监介绍Intel在物联网方面的战略和专门成立的物联网事业部情况。IT巨头的进入让产业届对物联网更有信心，在技术整合上也更有力度，系统设计上更方便和容易。

图1 HIS预测2011-2025年全球物联网设备情况

除了在芯片上整合无线功能和研发创新的物联网示范性应用外，嵌入式企业在积极发展可以更好的服务物联网系统的操作系统技术，既物联网操作系统。包括微软、风河、Micrium(uc/OS)都在2014年6月以后纷纷推出针对IoT嵌入式OS，ARM公司在10月宣布了开源的mbed OS，关于物联网操作系统更多的信息，读者可以阅读我写的“物联网操作系统浅析”一文，它发表在2015年1月《单片机与嵌入式系统应用》杂志上。

开源依然是主流

十大趋势中有三个趋势都是与开源软件有关。根据 www.embeddforecast.com的报告Android在嵌入式OS市场份额只要9.4%，到2010年已经增加到 19.2%，Android一跃成为除了内部开发的以外最主要的嵌入式OS。Android在嵌入式市场日渐红火有两个原因：第一广泛的硬件平台和设备支持，比如Audio、Bluetooth、Camera、GPS、GUI Radio、WiFi等，包括高通、TI、飞思卡尔等半导体公司都投入大量资源开发基于本公司芯片Android系统，相比传统的嵌入式OS(包括嵌入式 Linux)开发，用户在硬件层的工作量大大减少。第二Android的生态环境日趋完善。市场上已经有大量软件支持Android软硬件系统和第三方机构，这样基于Android的嵌入式系统产品开发的时间将大大缩短，因为丰富的第三方资源，未来系统功能的增加也相对的容易。

图2 UBM 2013嵌入式市场研究(左图是现在右图是未来1年嵌入式OS选择)

FreeRTOS超过Vxworks、Windows Embedded和uC/OS成为最主要的RTOS也是预料之中的事情，这个结果与UBM 2103的嵌入式市场研究报告的结果基本一致，如图2。FreeRTOS软件的开发始于2002年，是一个针对MCU的标准交叉开发平台，已经移植到了27个MCU核上，可以支持17种工具链。FreeRTOS项目是由Real Time Engineers Ltd 拥有、运行和维护。创始人Richard Barry 同时还参加基于FreeRTOS技术、面向安全和关键应用的软件-SafeRTOS开发。

FreeRTOS是一个紧凑的实时内核，具备RTOS基本功能，占用存储器也比较少。(但没有内存分配功能)，内核调试可以借助第三方 -Percepio的嵌入式OS跟踪工具Tracealyzer。FreeRTOS 最近几年得到了不少MCU 公司的支持，比如ST最新推出的STM32Cube固件库使用的就是FreeRTOS，Internich TCP/IP 基本配置就是FreeRTOS ，IAR公司EWARM 工程中有 FreeRTOS的例子，FreeRTOS影响力日渐增加。

FreeRTOS遵循GPL的软件授权协议，商业用户亦可购买商业授权获得其私有的授权协议，购买商业授权的好处是：任何基于FreeRTOS修改和相关的用户代码均可以不公开，这也就是我们通常所说的双授权协议。如果你采用开源授权，你就必须要把FreeRTOS内核相关修改贡献出来。如果你是商业产品，希望保留这些修改成为自己的企业商业机密，那么就购买商业授权吧。

相比uC/OS-II/III，FreeRTOS在内核、中间件和可靠性认证等方面还有不小的差距。比如物联网应用必须的TCP/IP协议，FreeRTOS还必须依赖LWIP开源项目，FreeRTOS不支持MPU，也没有自己的中间件模块。在图书和开发者普及度方面，Richard Barry写了一本书，《使用FreeRTOS实时内核：实用指南》，国内的网友有翻译成中文电子版本，最近几年国内的嵌入式软件开发图书中也有章节对FreeRTOS做了介绍，比如李志明着机械工业社出版的《STM32嵌入式系统开发实战指南》，但比较uC/OS-II/III图书和开发者普及度FreeRTOS还要走很长一段路。笔者相信借助开源的优势，假以时日FreeRTOS发展前景令人期待。[!--empirenews.page--]

嵌入式多核应用仍有难点

十大趋势中的“多核处理技术成为主流，FPGA开始走下坡，虚拟化陷入低潮”的三种说法与嵌入式多核应用有一定的关系。从计算机发展的角度看，多处理器和多核技术成为主流这无疑成为事实，它能够解决摩尔定律发展到今天处理器的高性能与低功耗的矛盾。多核的处理器已经在高端嵌入式系统的应用中广泛采用，比如移动多媒体设备和通信设备，代表性的通用芯片产品有飞思卡尔QorIo和TI OMAP系列。FPGA公司Xilinx和Altera也推出多核可编程SoCZynq和Altera SoC FPGA。不同于PC环境大量使用的虚拟化技术-VmWare和VirtualBox，嵌入式系统的需求复杂且不统一，多核处理器在每一种嵌入式系统中配置和部署都会不一样，传统的虚拟化技术很难满足这些需求。

风河、ENEA和MentorGraphic这三家嵌入式OS公司针对嵌入式多核应用推出各自的虚拟化解决方案，图3是Mentor Graphic异构多核软件解决方案，它是对目前商业嵌入式多核软件传统的SMP/AMP解决方案的扩展，可以支持组合了多微处理器核和多微控制器核的 SoC，比如TI OMAP5。Mentor的虚拟化(hypervisor)设计更加灵活和高效，在支持ARM TrustZone和OS引导管理方式等方面有一定特色，但是就笔者了解目前的客户并不多。

对于基于多核的可编程SoC开发，笔者了解到包括两个Cortex A9 的ZynqSoC在多核软件上虽有几种可以演示的方案，比如RT-thread的双OS(一个Linux和一个RT-thread)方案，但是实际基于多核的应用并不多，许多解决方案其实只是使用了一个内核，这难免有些尴尬。嵌入式系统的多样性和复杂性让多核的应用变得更加困难，多核的软件开发工具和OS研究，远远落后于硬件技术的发展，软件开发难度太大让嵌入式多核应用发展变得非常缓慢，这也是2015年嵌入式技术发展面临的一个挑战。

图3 Mentor Graphic多核OS方案

总结

嵌入式技术是物联网产业、工业4.0和智能化发展的重要基础，嵌入式技术也在互联和智能的大潮中演进和发展，嵌入式技术已经渗透到集成电路、通信、软件和云计算等技术领域。关注嵌入式技术发展，在新产品和系统设计采用嵌入式新技术，既可以推动创新和产品升级换代，也利于中国企业从制造到创造，从工业化到智能化的蜕变。