克服嵌入式開發的障礙

已經創建了許多開發人員工具和支持的硬件和軟件產品，以幫助最大限度地降低嵌入式開發風險，加快從小型消費設備到高性能等各種產品的上市時間工業控制和遙感設備。即使入門也是一個挑戰，因為軟件開發取決于硬件是否準備就緒。后續集成受到硬件和軟件之間的許多相互依賴性的影響，從設備驅動程序，適配層和OS內核向上到應用程序接口（API）和應用程序本身。雖然必須面對這些問題，但開發團隊通常希望將他們的資源集中在應用程序級別，以創建獨特的功能，從而使產品在市場中脫穎而出。

為了幫助克服一些早期障礙，芯片供應商已經創建了開發平臺，可以解決許多硬件設計難題并加快開始處理軟件的過程。在選擇提供所有必需功能并接近理想配置的平臺后，團隊可以在項目進展時對硬件進行微調，以添加獨特或增值功能。最終，可以為生產目的創建定制的，小型化的硬件版本。

另一方面，可提供大量單板計算機（SBC）或計算機模塊（COM）硬件，采用流行的處理器架構，如x86，Intel?Atom?或ARM?，采用各種微型外形，如PC/104或Mini ITX。這些可以用作軟件開發的平臺，然后在很少或不需要對硬件進行進一步修改的情況下擴展到生產中。

任何嵌入式開發平臺都需要板級支持包（BSP）來提供必要的軟件用于控制特定于硬件的功能。 BSP的各種元素包括板上設備的驅動程序，使OS能夠與板硬件通信的適配層，以及用于加載和啟動OS的引導加載程序。由于存在將硬件與OS連接的各種軟件組件，因此創建BSP取決于操作系統及其特性的知識。

軟件選擇：Windows嵌入式路由

創建使用Microsoft?Windows?CE或Windows XP Embedded等框架的嵌入式操作系統映像和應用程序軟件為產品開發人員提供了在商業支持的生態系統中工作的優勢。這種方法的好處包括訪問現成的商業工具，如Visual Studio集成開發環境（IDE），其中包括用于設計和構建自定義操作系統映像的Platform Builder工具集。開發人員可以使用此工具從目錄項菜單中僅選擇所需的功能，從而最大限度地減少對內存等系統資源的需求，從而自定義操作系統映像。還有一些現成的設備驅動程序列表可以快速輕松地合并，或者在必要時幫助構建自定義驅動程序。

因為Microsoft Embedded OS內核和典型行為是已知的，所以第三方如電路板供應商可以更輕松地提供所需的支持，如BSP，以幫助開發人員快速啟動和運行硬件。

除了BSP之外，還需要一個用于定制操作系統的軟件開發工具包（SDK）來幫助工程團隊創建應用程序軟件。 SDK提供必要的軟件，包括一組允許應用程序與操作系統交互的應用程序接口（API）。 Platform Builder工具集還包括一個應用程序向導，可幫助硬件團隊創建基本的示例應用程序和動態鏈接庫（DLL），這些應用程序與SDK一起幫助應用程序開發人員了解操作系統并使用eMbedded Visual等工具創建自己的自定義應用程序C ++?。圖1說明了Windows Embedded CE開發中涉及的硬件和軟件組件。

圖1：Windows Embedded軟件將應用程序與底層硬件連接起來。

Microsoft最近通過引入用于Windows CE .NET的標準SDK簡化了跨設備應用程序的編寫。這提供了一組基準組件，開發人員只需將標準SDK作為組件包含在其Windows CE .NET設備中即可確保在其設備中使用。 eMbedded Visual C ++ 4.0及更高版本中包含對標準SDK的支持。

Advantech AIMB212D是硬件平臺的一個示例，非常適合開發基于Windows Compact Embedded（CE）或XP Embedded的設備（ XPE），雖然它不僅限于Windows Embedded開發。該主板具有雙核Intel Atom CPU，PCI和PCie插槽，千兆以太網支持，多個串行和USB端口以及GPIO。研華為使用SUSIAccess的低級傳感器和云連接支持多種BIOS選項，WinXP和Win7驅動程序，實用程序和API。稍后會詳細介紹。

開源選擇

雖然Visual Studio現在支持Linux和iOS開發以及Windows Embedded，但Linux開發人員歷史上并沒有獲得商業支持的好處工具。盡管如此，開源開發帶來的自由以及與Linux交互的低前期成本是使Linux變得非常受歡迎的因素。事實上，大多數非桌面計算系統現在都運行在某種形式的Linux操作系統上。

即便如此，開發基于Linux的設備可能更容易，更高效，更方便。例如，當OS的屬性變化如此廣泛時，硬件供應商很難創建合適的BSP。創建標準化嵌入式Linux發行版的舉措試圖克服硬件開發人員的一些變幻莫測，從而簡化硬件和軟件開發的交叉。 uClinux是針對簡單微控制器的項目示例。它可以基于Linux 2.0,2.4或2.6內核，并附帶用戶應用程序，庫和工具鏈。微控制器供應商可以為任何給定產品的評估板創建一個uClinux BSP，從而為客戶提供更快，更簡單的開發路徑，前提是他們為所選擇的微控制器使用適當的uClinux端口。

Yocto Project是另一種方法的示例，旨在幫助硬件開發人員在將開源開發自由與商業支持框架的便利性相結合的環境中創建自定義Linux發行版。該項目建立了通用模板，工具和方法，并利用Linux基金會的長期支持計劃（LTSI）來標準化內核。 LTSI提供必要的范圍，以嚴格控制的節奏應用安全性和錯誤修復，允許每個內核版本得到適當維護。

與Yocto項目的連接可以為各種類型的組織提供優勢，包括芯片制造商，工具供應商，Linux發行版的創建者和嵌入式設備開發人員。因此，該項目得到了眾多行業參與者的支持，他們正在投入人力和資源來幫助簡化Linux的設備開發。 Yocto項目為Linux構建系統和操作系統實施的碎片提供了解毒劑，這可能使產品開發復雜化并阻礙硬件或軟件供應商為其客戶提供支持的努力。 Yocto項目帶來的額外效率還有助于降低開發成本，加快需要高質量保證的產品的上市時間，例如汽車模塊或運營商級電信系統。

Digi Connectcore 6UL是一個帶有源代碼的完整Yocto Project Linux BSP的SBC示例。該板還集成了對無線連接的支持，包括IEEE 802.11a/b/g/n/ac和Bluetooth?4.2，用于添加Grove傳感器或擴展板的連接器，以及支持加密，密鑰存儲和安全啟動以保護的硬件安全元件連接智能設備。

Android Things

作為一款基于Linux的操作系統，除了大型組織的支持之外，Android作為智能手機和平板電腦的平臺也取得了巨大的成功。開發人員可以使用Android SDK和Android Studio或第三方應用開發工具等工具快速為Android手機創建移動設備或應用。谷歌現在正在擴展Android系列以包括其他類型的設備：Android Wear就是一個例子，旨在開發可穿戴電子產品，如智能手表。

Android Things的到來對于開發人員來說可能是一個令人興奮的舉動嵌入式系統與Yocto項目類似，Android Things理念使開發人員不必創建或修改自己的Linux內核。這有望為小型，資源受限的設備創建應用程序，就像開發移動應用程序一樣簡單，并且可以將新的應用程序開發人員群體從移動場景帶入嵌入式世界。隨時可用的交鑰匙，認證開發板和Android Things SDK使原型設計能夠立即開始。

Android Things SDK（圖2）支持用于移動開發的Google Services API子集，并刪除那些不適合嵌入式開發的。通常，這些是需要用戶輸入或身份驗證憑據的API。另一方面，添加了Things支持庫，它引入了嵌入式設備中常見而不是移動設備中的硬件類型的API。這些包括連接到GPIO或接口的傳感器和執行器，例如I 2 C，SPI或UART。

圖2： Android Things在物聯網支持庫中添加了額外的API來管理嵌入式設備中使用的硬件類型。

將傳感器連接到云端

從多個通道捕獲傳感器數據的能力，匯總并發送到云中的分析和機器學習應用程序，對于未來工業自動化的發展至關重要。在Advantech AIMB212D和Digi Connectcore 6UL等連接SBC上托管的應用程序在第四次工業革命（工業4.0）的網絡物理系統中發揮關鍵作用，收集和轉發傳感器數據，如用于振動傳感的加速度計信號，生產率指標，組件可追溯性數據或質量信息，如檢查圖像。當然，這兩種SBC都經過認證，可以連接到Microsoft Azure云，并附帶軟件來實現這一點。

除了嵌入式軟件API，研華還提供帶有AIMB212D的SUSIAccess?API。像SMbus和硬件監視器一樣用于從連接的傳感器捕獲數據。 SUSIAccess結合了研華的安全和統一智能接口（SUSI），用于監控嵌入式設備，具有支持數據挖掘，備份和遠程恢復的附加功能，并幫助將感測數據傳輸到研華的WISE-PaaS物聯網軟件平臺，提供遠程監控，設備管理等服務尋求使用Digi Connectcore 6UL板解決類似應用程序的開發人員，在基于Yocto的Linux環境中工作，可以利用Digi開發的軟件擴展來促進云集成。其中包括Digi TrustFence?基于硬件/軟件的安全框架，對空中下載（OTA）固件更新的支持，以及遠程設備管理和健康監控。圖3顯示了構成Digi嵌入式Yocto平臺的BSP和軟件擴展，包括對云集成的支持。

圖3：Digi嵌入式平臺增加了軟件擴展，充分利用了Yocto項目的托管特性。

Android Things特別適合創建物聯網設備，不僅包括用于設置溫度傳感器，智能相機或其他傳感器的低級接口的API，還提供對Weave通信平臺的訪問，以簡化將設備連接到Google Cloud的過程。使用Weave設備SDK，開發人員可以將設備連接到Google的Weave服務器，該服務器處理安全設備注冊，設備管理以及與Google智能助理等服務的集成。使用Weave開發者控制臺可以輕松設置和監控設備，并且注冊為Weave開發人員可以訪問Weave Developer應用程序，以便通過移動設備或平板電腦測試和控制設備。

啟動Android Things項目很容易，使用支持的電路板，如Wandboard的PICO-PI-IMX6UL。這是基于恩智浦i.MX6應用處理器，內置IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi和藍牙4.1支持，4 GB可移動存儲卡，并提供GPIO，I 2 C，I 2 S，UART和SPI用于連接傳感器或控制器等外部設備。進一步的連接和多媒體擴展是可能的。

結論

通過良好支持的SBC設計嵌入式系統更加友好和快捷，簡化了對系統啟動和運行所需資源的訪問。即便如此，操作系統的選擇也會對項目的成功產生深遠的影響。 BSP和SDK中的驅動程序和API等軟件以及應用它們的良好支持工具有助于最大限度地減少開發人員必須自己完成的工作，并允許更加關注應用程序級別的差異化功能。

像Yocto Project這樣的計劃使Linux開發人員能夠享受類似于那些選擇Windows Embedded路由的用戶所提供的支持。 Android Things現在為小型連接設備的創建者提供類似的好處和簡化的移動應用程序開發體驗。