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半导体

物联网时代对MCU嵌入式软件提新要求

近年来国际著名IT企业纷纷投资物联网,核心技术不断成熟,物联网与传统产业、IT技术的交叉融合在逐级深入,催生诸多新兴业态和新的应用。工业领域的工业物联网和工业4.0将深化物联网的应用,大众创业万众创新带动了以智能硬件为代表的物联网新兴产业的发展。庞大的市场需要也激发了高校开设物联网专业的热情,物联网正在成为高校热门专业。

典型的物联网系统由传感层(物)、网关、云计算(互联网后台服务)三大部分组成,其中MCU(微控制器)因为其高性能和低功耗在传感层和边缘网关设备中发挥重要作用。对比8位或16位处理器设计,物联网时代的MCU,ARM产品线的Cortex M系列的市场份额一直在增长,特别是穿戴式市场中ARM的占有率是最高的。ARM更注重物联网背景下与合作伙伴共同打造ARM生态系统,ARM的合作伙伴针对不同的物联网应用对MCU提出更具体的特殊要求,开发出特别的SoC的MCU产品,也正因为这些因素,针对物联网应用的MCU嵌入式软件和开发工具正在快速的发展以适应新的要求。

安全第一

物联网设备需要时常连接到网络,需要在条件恶劣的环境下可靠工作,安全(security和safety)具有重要的意义,前者是信息安全,后者是功能安全,两者息息相关。ARM的32位设计在安全性上拥有额外的优势,ARM架构使旗下所有32位处理器都可以支持强大的非对称加密算法和协议。在嵌入式软件方面,SafeRTOS支持IEC61508标准,提供系统设计认证包,MicriumμC/OS通过第三方为IEC61508认证服务提供支持。Mentor Graphic嵌入式部门也在快马加鞭地提供安全认证的服务,计划在2015年陆续推出针对航空航天、工业、医疗和汽车电子的DO178C、IEC61508、IEC62304和ISO26262的认证服务包。在信息安全方面,SafeRTOS是通过interniche网络协议SSL/IPSec/SSH提供安全保护,Micrium通过发展自己的μC/TCP-IP安全协议,Mentor的Nucleos OS已经有成熟的一套网络安全协议方案。在嵌入式开发工具方面,IAR Embedded Workbench for ARM工具通过了TUV SUD IEC 61508和ISO 26262认证,可以作为安全相关应用的开发工具(ARM MDK编译器也支持类似的功能)。

优化为先

物联网设备控制器要求高性能、小尺寸和超低功耗,核心的MCU越来越多地采用SoC芯片,比如集成了WiFi、蓝牙和zigbee协议的MCU大行其道,因此开发工具一定要支持代码效率和尺寸的优化。IAR Embedded Workbench和Keil MDK都具备这样的特性,最新版本IAR Embedded Workbench for ARM还提供功耗测量的能力,传统的仿真器,比如Trace32也有这样的功能,但其价格昂贵,在MCU开发中使用很少。虽然支持物联网无线通信的SoC中大量使用ARM Coretex M0/M3内核,但是经典的8051内核由于低成本低功耗依然有大量的应用,并得到工具的最新支持,比如IAR和keil支持Silicon Labs和Texas Instruments物联网芯片。

端到端方案

物联网是一个系统,支持物联网三大部分的软件和工具需要协调工作,需要一个能支撑传感-通信-计算的端到端解决方案,因此针对物联网的操作系统(OS)逐渐浮出水面。

2014年1月先是微软宣布Windows 10 IoT版本,同年10月ARM宣布专门为基于ARM Cortex M架构的MCU而设计mbed OS,它包括了设备端的嵌入式mbedOS操作系统、软件工具包mbed和云端mbedDeviceServer三大部分。紧随其后传统的嵌入式OS公司Micrium和express logic宣布各自的物联网OS产品spectrum和x-wave。2015年5月谷歌在旧金山宣布物联网软件Brilo OS和IoT协议Weave。

国内企业也闻风而动,2015年5月在华为网络大会上,华为发布了敏捷网络3.0,主要包括最轻量级的物联网操作系统LiteOS,LiteOS体积最小只有10kB级,具备零配置、自组网、跨平台的能力(即支持MCU也支持MPU),华为宣传Lite OS将实行开源。依托阿里系的支持,上海庆科的物联网OS-MiCO年初也亮相上海家电博览会,MiCO借助前期WiFi模块市场上的优势,与包括海尔、美的、奥克斯、西摩、贝昂、老板、方太、海信、万和、万家乐、松下等家电企业有合作,除了对接阿里智能云,还支持微信Airkiss、京东智能云、海尔U+、苹果Homekit等第三方公有云。

物联网OS还处在发展的初期阶段,技术、商业模式和应用都在摸索,ARM去年宣布mbed OS是开源软件,据目前了解的信息还只向其俱乐部的成员开放。物联网OS目前既无行业标准也无企业事实标准,大企业是在布局,小企业在投石问路。

产业机遇

物联网产业处在发展初期,碎片化特点必将导致物联网时代MCU软件和工具的多样性。一种操作系统和开发工具很难支持物联网系统中的所有设备,短时间内,很难形成像智能手机中Android和iOS两家独占市场的局面。以安全性和集成化为代表的物联网新需要给传统嵌入式软件带来挑战,也给以互联网企业为代表的产业新人带机遇。

责任编辑:钟慧


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