嵌入式開發 MCU

From: http://www.infoq.com/cn/articles/intelligent-embedded-os-Internet-of-things-and-robots

嵌入式開發是一個低調的領域。相比Web開發和企業級開發，嵌入式開發這一領域彷佛不多在互聯網上發出聲音。隨着智能設備的興起，智能手環、手錶、眼鏡、燈泡等產品成爲互聯網企業的下一個目標，而物聯網這一律念再次復甦，嵌入式開發開始引發不少互聯網工程師的關注。

那麼，如今的嵌入式開發是怎樣的？相比十年前、二十年前有什麼發展？「物聯網」這一大概念下，應用開發者應從何切入？本次訪談，咱們邀請到一位不那麼低調的嵌入式開發者，來跟咱們分享他對這些問題的見解。

嘉賓簡介

羅未（Noel），豌豆機器小組（WRTnode machine team）發起人，致力於整合機械設計、嵌入式Linux開發、計算機視覺、機器學習方向，以開源的理念製造智能交互機器，但願爲開源社區和大衆市場帶來 各類伴隨人類卻又獨立於人類的機器。我的出身於行業軟件領域，3年前轉入硬件方向，經歷過智能家居和路由器行業，現但願作一些讓將來更近的事情。

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羅未是2014年全球架構師峯會（ArchSummit）的聯席主席之一。有關他的更多介紹可參考技術人攻略對他的訪談：開放製造的機器之心。

如下內容根據InfoQ中文站編輯跟羅未的溝通整理而成。

嵌入式操做系統現狀

目前嵌入式設備主要分爲兩大類：MCU設備和帶MMU的CPU設備。

MCU（Micro Computing Unit），也就是咱們常說的單片機，其特色是Micro：主頻大概在幾十MHz，內存在幾KB，Flash非易失存儲也是幾十KB，資源小，價格便宜。 單片機這個領域從80年代、90年代開始就一直有人玩，像是玩具、鬧鐘、計算器、電子錶、工業控制等不少領域都有用到，應用普遍。單片機程序的特色是邏輯 簡單、實時性強沒有等待，不像Linux那樣會存在資源被其餘程序佔用的狀況。

早期單片機程序通常都是裸寫C代碼的方式，用一個大循環把全部事情搞定，全部的底層功能——如資源分配、進程調度、DNS查詢、域名轉換等，都要手寫實現。前幾年開始有一些基於MCU的操做系統，好比μC/OS、RT-Thread等，單片機有了操做系統就至關於資源分配、進程調度等工做不用手寫了，能夠交給系統去管理，程序員不用去管任務間協調的問題。這能夠看做是第二代單片機開發環境。

近幾年有一些新的單片機操做系統，好比Contiki，這套系統的特色是把互聯網特徵做爲基礎的構建。這套系統很牛，用10KB之內的內核就提供了對HTTP、TCP/IP等協議的支持，讓單片機上來就能夠聯網，讓單片機開發者繞過了每次都要裸寫這些基本功能的痛苦。

如今的單片機有些很神奇的應用，好比圖像識別、語音識別，能夠作到在視頻上識別色塊的程度。可是，單片機若是又要作圖像識別又要上網，就會很是吃力，畢竟資源十分有限，須要有很高的開發能力把它們協調好，這種狀況下就不能用操做系統了。

以上是單片機的狀況。另一種是更大一些的，就是自帶MMU（Memory Management Unit，內存管理單元）的設備。這種設備的主頻通常在幾百MHz以上，內存在幾十MB以上，早些年的智能手機就差很少是這個配置，跟十幾年前的PC機配 置差很少，因此安裝運行Linux系統是沒有問題的。這類設備其實也作了十多年了，如今用的比較多的架構有兩個：ARM和MIPS，都是商業的，如今新的 硬件基本上都是這兩種架構。

有不少發行版都專門爲ARM作過安裝包，好比流行的Ubuntu和Debian。不管是ARM仍是MIPS，由於有了系統，開發起來要比在單片機上 舒服多了，但也仍然有一個很麻煩的地方，那就是要作交叉編譯。開發者通常都是在本身電腦上——大部分是x86架構——完成開發的，所以要用x86上的 ARM編譯器交叉編譯出ARM的二進制文件，用MIPS編譯器交叉編譯出MIPS的二進制文件，才能在設備上運行，這爲調試帶來了不小的麻煩。爲何咱們 這個圈子門檻比較高，就是由於通常都是掌握了交叉編譯的開發者纔會進來玩。不過好在有一個叫作GDB（GNU Debugger）的工具能夠作遠程調試，減小一些麻煩。

物聯網終端須要完成的工做

如今在有一種M2M（Machine to Machine）的思路，在終端用能夠聯網的單片機作最簡單的事情，好比開關一個燈泡；終端直接跟家庭網絡的網關（路由器）鏈接，或直接跟公網的雲端鏈接，由雲端作更復雜的計算和處理。

這種思路能夠解決一部分問題，可是我以爲還不夠。終端須要作更多的事情。

我認爲終端須要是智能的，它們須要達到「機器人」的層面。如今咱們說的機器人跟之前你們理解的那種人型機器人不一樣，如今所說的機器人是一種複雜控制系統，是軟件，能夠跑在各類各樣不一樣姿態的設備上。機器人須要完成三項工做：

1. 感知：從傳感器採集數據
2. 交互：網絡傳輸（如HTTP、TCP/IP）和物理控制
3. 智能：如圖像識別、語音語義的理解、智能規劃，須要抽象成智能的算法

如今的機器還處於太過依附於人類的狀態，須要人告訴他要作什麼。我以爲將來的機器應該本身知道要作什麼事情。如今的人工智能、知識圖譜的創建就是奔 着這個方向去的，好比Google工程師訓練機器，讓機器在Youtube的視頻裏認識貓，這個涉及到一個很大的知識庫和訓練過程，須要雲端的協助。但最 終訓練出來以後，其實貓的圖像識別特徵數據是很小的，能夠放在終端的機器人裏，他們本身就會認識貓了。這就好像嬰兒的學習過程同樣。

可是跟嬰兒不一樣的是，機器天生是執行器。因此結合認知能力，讓機器認識貓了以後，加上執行，是否是可讓機器自動的去抓貓或者逗貓玩？機器認識電梯 以後，是否是可以本身去按電梯？機器認識無線充電站後，是否是可以本身跑到無線充電站上面蹲着充電？隨着知識圖譜的建模完善，事物和事物之間的聯繫可以被 機器理解，機器人會變得愈來愈強大，愈來愈重要。

其實如今語音語義的知識圖譜建設已經相對完善了，機器已經可以理解一些上下文之間的關係，好比你說到吃蘋果，他就知道你說的是什麼意思。咱們如今在語音語義+網絡這塊直接使用了訊飛的服務，咱們把工具鏈給他，他們幫咱們生成了一個二進制包給咱們，就很方便了。

技術上的挑戰

上述這些工做當中，有些單片機能夠完成的很好，有些不能。單片機能夠採集一些簡單的數據如位置、高度、重力加速度、四軸姿態、溫度、溼度等，進來都 是數字，只須要作AD轉換。比較複雜的數據如聲音、圖像，單片機處理起來就比較困難，通常咱們經過Linux的USB驅動來跑，須要MMU的芯片。可是單 片機有一個特徵是Linux沒法知足的，就是實時性。不少物理控制對實時性的要求很高，好比四軸飛機的控制，嚴格要求50Hz的控制頻率，即一秒進行50 次計算來決定下一幀的動做，若是稍微有點資源搶佔形成延遲，飛機就掉下來了。

爲了同時達成實時計算+複雜性這兩個目的，咱們只好把兩個芯片加在一塊兒。可是兩個芯片在一塊兒，就成了一個分佈式系統，有芯片級的通訊問題，同時開發 者還須要寫兩套代碼，又要寫單片機的交叉編譯，又要作Linux開發，各類調試和測試的困難。Arduino如今已經有一套挺完善的思路：首先它的傳感 器、控制器的庫都很全，而後它作了一個ArduinoYUN的板子，就是一個OpenWRT（一個超級精簡的Linux發行版）+單片機的雙芯片板子，而後它有一個萬用固件——一個支持firmata協議的 庫，算是一個翻譯，只要符合這個協議就能夠從Linux控制Arduino，算是一種思路。可是我以爲這個思路有兩個問題：第一，ArduinoYUN的 思路是以MCU開發爲主，把OpenWRT當作單片機的透傳模塊，爲單片機提供網絡服務。放着強大的芯片在一邊，用小小的單片機跑主程序，感受未免太浪 費。第二，firmata協議雖然簡化了控制，可是又影響了實時性，在實時性要求較高的時候（好比四軸飛機），這種思路又沒法知足需求了。

如今一些芯片公司已經開始意識到這個問題，開始考慮如何把二者封裝成一個芯片，來知足實時性+複雜性的結合。我認爲封裝後應該要以Linux爲主要的開發平臺和軟件運行平臺，以MCU做爲輔助以知足實時性需求。

因此，實時性+複雜性的結合是第一個挑戰。第二個挑戰是複雜運算的加速，好比H.264/H.265的視頻壓縮、圖像識別的硬件加速，要不要放在機 器人的芯片裏？我以爲是須要的，可是不須要手機那麼強的GPU，有一個視頻壓縮的芯片放在裏面就能夠。終端若是能作視頻壓縮，多半也能作圖像識別，那麼終 端機器人能夠作的事情就更多。

第三個挑戰是針對Linux內核自己的，就是在這種級別的計算平臺上如何進行更合理的裁剪、作更合理的算法策略、執行策略。OpenWRT的開發版 如今咱們作到64MB的運行時內存佔用，而通常的路由器芯片都是16MB、32MB。其實內存的空間佔用倒不是大問題，由於如今內存很便宜，就算用到 128MB、256MB也沒什麼，可是關鍵在於時間片的佔用。所謂省資源其實就是兩個意思：少佔地兒+少佔時間，這樣才能低延遲。因此Linux內核如何 解決這個問題，也是一個比較大的挑戰。

這三個點多是將來幾年這個產業不少人的努力方向。

總結

相比十年前裸寫C代碼的場景，如今咱們有圖形化的界面，有RESTful API，嵌入式開發的難度能夠說已經大大下降了。雖然有上面提到的基礎設施與開發工具的挑戰，但我認爲用不了幾年時間也都能解決。網絡鏈接如今已經基本不 是問題，3G、4G、Wifi已經足以支撐大部分智能設備的應用場景。

可是，僅僅有這些，到「智能的物聯網」有很大的距離。機器須要學習更多、創建更多的知識圖譜，才能變得更增強大。如今雲端尚未太多現成可用的知識 圖譜，但咱們仍然能夠先從簡單的事情作起，好比讓機器人掃地，讓機器人把空瓶子扔進垃圾桶，一點一點的改進它們。也但願有更多的開發者可以加入這一進程， 讓咱們的世界變得更加完整。

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ArchSummit全球架構師峯會即將於7月18-19日在深圳舉行，這次會議重點解析九個當前最受關注的領域，包括：SNS、 移動互聯網、 金融、 大數據、 智能硬件、 遊戲、 雲計算、自動化運維、電商等專題。目前正在火熱報名中，感興趣的讀者能夠訪問網站主頁瞭解更多信息。