IoT工程師福音:如何正確選擇軟件架構(gòu)?
發(fā)布時(shí)間:2016-12-28 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】我們都曾在職業(yè)生涯的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)思考過這個(gè)問題:現(xiàn)在,你想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)合適的項(xiàng)目,看是要更進(jìn)一步探索這個(gè)想法或是將其產(chǎn)品化。但是,應(yīng)該從哪種軟件架構(gòu)入手呢?Espruino?Arduino?micro Python?Segger embOS?MicriumuC/OS-II?以及在uC/OS-II和uC/OS-III之間又有什么區(qū)別呢?
究竟該采用初始成本較低的開源架構(gòu),還是選擇需要支付前期費(fèi)用的商業(yè)解決方案,來加速你的設(shè)計(jì)過程呢?
什么是軟件架構(gòu)?
在本文件中,將“軟件構(gòu)架”解釋為“編寫軟件的一種特定方式”。例如,Arduino提供編寫程序代碼的一種特定方式,允許軟件的片段可以跨越多個(gè)項(xiàng)目被重新使用。
軟件架構(gòu)是由幾個(gè)不同的部分所組成,并由以下組件所定義:程序語言、應(yīng)用程序編程接口(API),以及某些工具集的連接。例如,像是在Arduino和Espruino的案例中,軟件架構(gòu)可以被緊密地連接到工具,或是像在Micrium和FreeRTOS的案例中則是會(huì)被分離。
什么是操作系統(tǒng)?
因此,該如何選擇一個(gè)軟件架構(gòu)呢?首先,我們需要對一些名詞解釋的更明確一點(diǎn),我們已經(jīng)開始提到操作系統(tǒng)(OS)這個(gè)名詞。你真正需要寫的是可以執(zhí)行你的特定要求的程序代碼,這些程序代碼將可以把你的產(chǎn)品與其他產(chǎn)品區(qū)分出來。但是,你仍然需要依靠軟件的其他部分,像是ADC的驅(qū)動(dòng)程序或SD卡的文件系統(tǒng)棧。這些軟件的部分通常被稱為軟件構(gòu)件。
在此用一個(gè)比較實(shí)質(zhì)的比喻方式,你可以想象你的軟件構(gòu)件就像是磚塊,然后把操作系統(tǒng)視為水泥。在操作系統(tǒng)中定義了磚塊的形狀,以及它們將如何與其他的磚塊互動(dòng),因此當(dāng)你添加更多構(gòu)件到軟件之中時(shí),他們將可以繼續(xù)完美地協(xié)同工作。這聽起來相當(dāng)不錯(cuò),但你真的需要一個(gè)操作系統(tǒng)嗎?增加操作系統(tǒng)也帶來了額外的負(fù)荷,它將會(huì)消耗數(shù)千字節(jié)的閃存,為事件的響應(yīng)增加了延遲的時(shí)間,并且還需要花費(fèi)些許的時(shí)間學(xué)習(xí)如何在操作系統(tǒng)環(huán)境中編寫程序。
決定采用哪個(gè)軟件架構(gòu),將會(huì)決定你的想法是否可以按時(shí)間、按預(yù)算地推動(dòng),或是將你的投資放在風(fēng)險(xiǎn)之中。
一般的經(jīng)驗(yàn)法則是,如果你的目標(biāo)閃存容量是128 KB或更高,并且或是需要通訊功能,便需要一些棧(USB、以太網(wǎng)絡(luò)、SDIO、CAN、Wi-Fi、BLE),長期來看,你最好還是使用操作系統(tǒng)。
在操作系統(tǒng)中最重要的其中一件事情便是調(diào)度程序(scheduler)。調(diào)度程序是用在為可能會(huì)爭奪相同資源的不同任務(wù)、分配資源和處理時(shí)間的組件。在一般情況下,調(diào)度程序有兩種作業(yè)的方式,而這正是“實(shí)時(shí)”在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的意義所在。實(shí)時(shí)意味著在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi),會(huì)有一個(gè)特定的任務(wù)將會(huì)被執(zhí)行。假設(shè)你得到一個(gè)你需要處理的射頻封包,無論你的設(shè)備目前正在做什么事,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心會(huì)先離開它目前所做的任務(wù),先完成這一個(gè)高優(yōu)先等級的任務(wù)。這種類型的行為在處理器的利用上并不是最有效率的方式,但例如在馬達(dá)控制應(yīng)用中,它在通訊棧與應(yīng)用中最需要重視的便是反應(yīng)時(shí)間的議題。
商用與開源解決方案的比較
舉例來說,如果你已經(jīng)想通了是否需要采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),并開始組建軟件需求。你可能知道,你需要一個(gè)USB棧和以太網(wǎng)絡(luò)棧,搭配外部MAC/PHY驅(qū)動(dòng)程序來一起將設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。但是,你該從哪里開始呢?你真的只需要為你首選的微控制器下載最新的FreeRTOS模板,并繼續(xù)下載開源軟件并放到裝置中就可以了嗎?或者你只是需要去找有你所需軟件的商業(yè)供貨商,并獲得完整的軟件組合?
為了做出更明智的決定,我們經(jīng)常談?wù)撘o選定的解決方案一個(gè)總體擁有成本(TCO)的概念。所謂的總體擁有成本包含的不僅是你為軟件付出的貨幣價(jià)值,還包括花費(fèi)在尋找解決方案、組裝不同的構(gòu)件,并將不同的構(gòu)件整合到你的項(xiàng)目,以及開發(fā)、測試和生產(chǎn)的工作時(shí)間。
在一般情況下,我們看到的是商業(yè)解決方案的總體擁有成本(TCO),將比自己組建開放原始碼組件的解決方案要來的更低一些。但既然是商業(yè)解決方案便涉及到初始成本,這些廠商通常要求在使用解決方案的前期,取決于你所需要的組件,便必須先支付1萬到10萬美元之間的費(fèi)用。在另一方面,下載FreeRTOS并開始組裝自己的解決方案,在某些擁有密集資源的應(yīng)用中,其所花費(fèi)的金錢,相對會(huì)更便宜一些。
決定你的項(xiàng)目的最佳解決方案,將高度依賴于它是否是最容易讓你賺到現(xiàn)金,或是能夠?yàn)榭傮w擁有成本的工時(shí)來“買單”。
候選方案
所以,當(dāng)你已經(jīng)看到這里,你的大腦中可能已經(jīng)開始吶喊:“只要給我一個(gè)可以讓我開始使用的架構(gòu)就好了!”
可惜沒有那么快,肯定有一些方案的選項(xiàng)是比其他選項(xiàng)更好,微控制器的應(yīng)用非常多樣性,肯定沒有那種一個(gè)尺寸便適合所有需求的解決方案。我們先來了解許多最流行的操作系統(tǒng)和軟件架構(gòu),并分別仔細(xì)地討論(本文所提到的操作系統(tǒng)都具有實(shí)時(shí)能力):
1)商用解決方案
• Micrium uC/OS-II與uC/OS-III
這是在微控制器業(yè)界最流行的兩個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),特別是因?yàn)槠鋭?chuàng)新的商業(yè)模式,因?yàn)镸icrium公司允許你下載完整的軟件套件,并開始發(fā)展,等你真正開始產(chǎn)生營收后,才需要開始支付解決方案的費(fèi)用。他們在安全至上的系統(tǒng)中擁有重要的地位,并且他們的大部分軟件構(gòu)件都已經(jīng)通過認(rèn)證。
• Segger embOS
嵌入式軟件市場的新進(jìn)入者,但這并不意味著他們是新手。該軟件產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)了超過20年的時(shí)間,并已經(jīng)使用在他們自己的硬件產(chǎn)品之中,因此對裝置的支持程度非常好,并配有一個(gè)優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)程序庫。
• Express Logic ThreadX
由行業(yè)的資深人士所創(chuàng)辦,該公司專注在所有關(guān)于性能的事物上,并擠壓出元器件中每一個(gè)時(shí)鐘周期的效能。它通常被看作是操作系統(tǒng)中的勞斯萊斯,并已經(jīng)有很多認(rèn)證被使用在安全至上的系統(tǒng)之中。
2)開源解決方案
• FreeRTOS
FreeRTOS跟MicriumuC/OS一樣,都是在同行業(yè)中最常被采用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一。它有一個(gè)龐大的社群,有很多人都在為軟件做出貢獻(xiàn),像是TCP/IP棧,但做為開源軟件,便意味著沒有公司會(huì)負(fù)責(zé)整合,因此需要更多的工作來創(chuàng)建一個(gè)整合的解決方案。
也有一些公司在FreeRTOS的生態(tài)系統(tǒng)中,專門從事將差異化的軟件構(gòu)件提供給那些需要整合協(xié)助的客戶,例如,Wittenstein高完整性系統(tǒng)公司提供稱為SAFERTOS安全認(rèn)證的FreeRTOS替換核心,以及HCC嵌入式公司提供可以與任何實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)工作的USB、以太網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)。
• mbed OS
mbed OS解決一些你通常會(huì)在開源軟件所遇到的痛點(diǎn),因?yàn)锳RM這一家公司會(huì)負(fù)責(zé)整合的工作。然而,它仍然是處于萌芽階段,所以如果你想要有些貢獻(xiàn)就可以去這里。
• RIOT OS
RIOT OS被冠以“物聯(lián)網(wǎng)中最友好的操作系統(tǒng)”,它是以通訊概念為基礎(chǔ)所建立起來的操作系統(tǒng)。這使得它即使在面對困難的通訊問題時(shí),仍然精簡且高效率。然而它仍然還在積極發(fā)展的階段當(dāng)中,所以你得計(jì)劃多花幾個(gè)小時(shí)來進(jìn)行除錯(cuò)。
3)架構(gòu)
有一些操作系統(tǒng)的功能就像是將磚塊黏合在一起的水泥一樣,會(huì)與發(fā)展框架緊密地結(jié)合在一起,因此一般不能使用軟件本身做為項(xiàng)目的一部分,你必須圍繞著它來進(jìn)行整個(gè)開發(fā)流程。這些框架往往是使用比C++更高階的語言所編寫,通??梢栽趯?shí)時(shí)操作系統(tǒng)上運(yùn)行。
• mbed
mbed也出現(xiàn)在這里,這時(shí)則做為快速成型的項(xiàng)目。它是用C++編寫,并對大多數(shù)微控制器和電路板有絕佳的支持,擁有一個(gè)龐大的元件程序庫,和一個(gè)采用網(wǎng)頁架構(gòu)的漂亮集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。目前,在它準(zhǔn)備全面部署之前,它仍然需要一點(diǎn)成熟的時(shí)間,但它很適合硬件原型的開發(fā)。
• Espruino
Espruino是在微控制器上運(yùn)行的實(shí)時(shí)JavaScript解釋器。它允許你能夠動(dòng)態(tài)地更改程序代碼,甚至不需要讀寫微控制器便可以撰寫程序代碼。在它開始量產(chǎn)之前,仍然需要一些時(shí)間來發(fā)展,但它很適合用于硬件原型,并呈現(xiàn)出成為一個(gè)不可忽視軟件架構(gòu)的巨大潛力。
• microPython
microPython所能做的事與Espruino大致相同,差別僅在于其使用Python來代替JavaScript。它發(fā)展的概念,便是讓你從產(chǎn)品開發(fā)的一開始到量產(chǎn),都能夠支持預(yù)先編譯的程序代碼,并使用C語言來編寫時(shí)序至上的程序代碼。目前仍在開發(fā)當(dāng)中。
• microEJ
microEJ是一個(gè)采用Java架構(gòu)的框架,讓你輕松地為你的設(shè)備打造好看的圖形化應(yīng)用程序。它已經(jīng)在許多智能手表和一些物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備中使用。
結(jié)語
如果你想要著手進(jìn)行設(shè)備的開發(fā),而無需安裝單一的程序,像是mbed和microPython這類的框架,便是入門的好方法。但是,如果你要建立更大的部署,采用一個(gè)純粹的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將會(huì)是更好的選擇。如果使用工作時(shí)間而不是金錢來當(dāng)作軟件的投資,對你的公司來說會(huì)更為輕松的話,像是FreeRTOS或RIOT這類非商業(yè)解決方案便有其優(yōu)勢。如果你的公司能負(fù)擔(dān)得起前期投資,像是Segger、Express Logic和Micrium的商業(yè)解決方案,將大大降低軟件開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間。在商業(yè)解決方案中,特別像是Micrium的穩(wěn)定性和認(rèn)證的程序代碼基礎(chǔ),廣泛普及的部署,良好的元器件支持,開放的原始碼,以及適合大多數(shù)經(jīng)濟(jì)效益的商業(yè)模式,更使其在商業(yè)解決方案中顯得特別突出。
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