物联网时代的嵌入式开发平台

vicky · 发表于 2016-11-9 10:13:03

1969年10月29日晚上10点30分，雷纳德•克兰罗克(Leonard Kleinrock)在洛杉矶向在斯坦福的比尔·杜瓦利的计算机发送了两个字符“Lo”，它们是单词“Login”的一部分，只发送了“Lo”，传输系统就崩溃了。这是一个伟大的事件，标志着世界上第一次计算机网络互连的开始，也标志计算机编程由单机向网络发展。　　IOT是Internet Of Things的缩写，字面翻译是“物体组成的因特网”，准确的翻译应该为“物联网”。物联网(IoT)是个新名词，顾名思义，就是把物体用网络连接在一起。却是一个新瓶装旧酒的新名词，它不是一个新事物。物联网(Internet Of Things)又称传感网，简要讲就是互联网从人向物的延伸。
　　今天的物联网通信，与40多年前传输的两个字节，并没有本质的不同，说来也就是通信速度、通信成本、设备体积和功耗方面，逐步进化而已。然而，量变引起质变，上世纪末计算机网络通信的发展，引发了互联网革命，现在，随着通信成本的降低，功耗的减小、无线通信的普及，又引发了物联网革命。
　　互联网时代，承载网络应用的是通用计算机或者个人终端数字助理，例如手机、iPad等。通信主要关注的是数据流量，也就是带宽，应用主要关注的是界面的友好性、丰富性、个性化。同时，CPU功能比较强大，内存配置等也比较丰富，并不强调实时性，也不特别强调可靠性，开发平台也很一致，功能丰富。
物联网应用开发的挑战
　　物联网应用，与互联网应用有着巨大的不同，物联网应用开发是典型的嵌入式开发，从硬件配置到运行环境等等，都千差万别。
　　谈到开发平台，很多人第一反应就是编程语言，从汇编、C、C++、Pascal、VB、VC等编译型语言，到Java、JS、Python、Lua等脚本语言，说得上名字的、说不上名字的，可以罗列出成百上千种，著名的TIOBE，每年都要为各种编程语言排座次。其实要谈物联网开发平台的发展，还得从早期嵌入式系统说起。曾几何时，嵌入式MCU很多只有几十字节的内存，几百自己就算多的了，那时候，汇编语言是嵌入式编程不二的选择。那时候，也没有编程平台的说法的，也没有Shell之类的调试工具，更没有标准IO系统，总之，程序员就像在一堆沙土上盖房子，没有地基，也没有房梁，更没有混凝土，就是用泥浆砖头石块慢慢糊。及后来，出现了单片机前后台C语言(俗称裸机C)开发工具，典型的是keil，同时，也出现了RTOS，例如vrtx、pSOS、VxWorks等，但裸机C语言开发长期占主导地位。早期的C语言开发平台，从平台角度，其实没比汇编年代进步多少，同样的没有Shell、没有标准IO系统，没有异常处理系统，除了编码语言外，差不了太多。虽然代码的可移植性比汇编强，但仍然是跟硬件平台紧耦合的，它要求软件工程师了解硬件的每一个细节，了解CPU每一个寄存器的含义，硬件平台稍有变动，软件就懵逼了。

　　在裸C时代，首先出手改进开发平台的是MCU厂商，ST、ATMEL、Freescale、NXP等知名MCU厂家，都推出了越来越完善的固件，使用这些固件，尽可能地抹平不同型号CPU之间的差异，使用户的应用程序更加通用。同时，他们还推出了越来越完善的IDE，利用他们的IDE，可以自动化地生成一部分跟CPU相关的代码，减轻了工程师的工作。但是，所有这些工作，都仅限于同一厂家的不同型号MCU之间，甚至只在同一厂家的同一系列MCU之间，才能体现出其价值。为什么MCU厂家要做这些工作呢?因为他们要卖东西，他们的客户，大多数还使用裸机C开发，而不像系统级CPU那样有完善的开发平台支持。他们的客户，迫切需要一个开发平台，来规避晦涩难懂的硬件驱动开发，使应用和驱动相分离。一个非常典型的现象是freescale，它主要为MCU产品线提供驱动固件，而对于PPC产品线，原厂提供的驱动就是垃圾，谁用谁知道。

　　在物联网时代，也许某一天，牧场跑的每一只羊，农场里的每一株黄瓜，我们喝水的杯子，都是IoT的一个节点，里面都有一颗MCU，都有一套嵌入式程序，如此**性发展的网络规模，使我们面临什么挑战呢?

　　首先我们面临的是人的问题，海量增加的物联网软件工程师队伍，你再象过去要求嵌入式工程师那样，要求他们掌握大量MCU底层技能，根本不现实，他们需要的是一个开发平台，类似PC上编程的开发平台。而裸机C语言编程，则无论如何也摆脱不了“要求程序员掌握MCU底层编程”这一现实。因此，在物联网时代，RTOS成了必须品，裸机C语言平台，必然会被RTOS环境所替代。这并不是说，物联网时代的嵌入式产品有多复杂，非RTOS不可，可是，再过几年，裸机C编程，会像现在的汇编编程那样，成为“高端技能”。现在，许多嵌入式学科的大学生，在校时就已经基本掌握了RTOS下编程技能，裸机C反倒不懂了。结果是，5年后，你将越来越难于找到能够驾驭裸机C编程的人，即使找到了，其人力成本也必然居高不下，年龄大概也会在30岁以上，你能找一个只有1~2年经验的毕业生干的事情，为什么要花更高的薪水，请“老”工程师干呢。同时，虽然摩尔定律在高性能CPU上已经失效(这个有争议)，但在MCU领域，还是符合得很好，硬件的发展，使RTOS带来的额外开销，在成本上显得微不足道。
　　由于IoT产品必然涉及到网络编程，也就注定了不能使用太低端的处理器配置，硬件成本持续下降，运行RTOS所需要的额外硬件成本，占总成本的比例，直接可以无视之。人力成本持续上升，RTOS甚至更高级的开发平台，将会占领IoT开发领域。

　　一定会有人问，裸机C不是比RTOS更简单么?我问你，如果只是点个灯，用C简单还是用汇编简单?你也许会毫不犹豫地回答，用C简单。为什么呢?因为开发工具已经完成了大量的工作，有厂家的固件，完成GPIO的驱动，IDE自动生成的代码，完成了main函数之前的大量环境初始化工作。所以，你只需要3分钟，在main函数里放一个循环改变GPIO状态的代码，一个C语言的闪灯程序就完成了。事实上，如果从0开始做，汇编完成闪灯，不知比C简单多少倍。

　　裸机C取代汇编语言的过程，正在裸机C和RTOS编程之间重演着，不信么?我出个“简单”的题，写一个“hello world”的嵌入式程序看看。
　　很快，你写出来了，UartSend(“Hello World”);
　　别急，我的题还没出完呢，我需要输出“你好，欢迎你第
xxx次光临”。
　　这就难一些了，聪明的，就写一个MyPrintf吧，谁知道这道题还有什么变化呢(注意这里，你不能用printf作为函数名的，下面有解释)。

　　花了一个星期时间，把MyPrintf弄出来了，效率够高吧?

　　好吧，你牛，I 服了 You，现在请你把输出重定位到板载的LCD上。
　　什么，玩我啊，这涉及到IO重定向呢，爷不干了。
　　光重定向一个输出就不干了，还没有要你把输入重定向一下呢，板子上不是有按键嘛!
　　IO重定向，是C语言的基本要求，然而，在裸机C环境下，这个基本要求，却让一个裸机C高手望而生畏。
　　IO服务，只是一个基本需求，它只是C Runtime的一部分，而C Runtime，是IoT开发所需要的进阶工具的基础，恰恰是，裸机C都是很难实现完整的、通用的、可移植的C Runtime。

　　先爆点料，绝大多数嵌入式RTOS，都没有fopen、fwrite、fread、printf函数，有部分RTOS会有xxx_fopen、xxx_fwrite、xxx_fread、xxx_printf之类的API，即使是一些老牌的商业RTOS也是如此，这里我就不点名了。

　　没有IO体系的RTOS也就罢了，那些有IO体系的RTOS，为啥要在API前加个xxx呢?你知道加上那个xxx，会给用户添加多少麻烦吗?IoT时代，许多嵌入式软件工程师，原来可能是Windows或者Linux下编程的，他们熟悉c标准函数;嵌入式设备网络化、应用程序通用化的倾向，许多IoT开发会涉及到开源软件或者第三方库，这些开源软件或者库，许多是遵循C语言标准写的，也就是说，里面很可能会大量调用fopen之类的C标准函数。你要用这些开源软件或者第三方库，就必须修改它的源码，把调用C标准IO函数的地方，全部改掉。改就改呗，改了不就行了嘛，有什么大不了的。好吧，如果是二进制的库呢，怎么改?即使是开源软件，维护方升级了，修正了bug，你是不是要再改一次?既然这么多坏处，为啥还要加哪个“xxx”前缀呢?问题就出在标准C库上，因为编译器所带的C库，实现了那些函数，OS如果要自己实现这些函数，就必须先实现C库，而C库，而许多RTOS，并没有实现自己的C库，而是借用编译器提供的C库，自然就不能使用跟C库重名的函数了。

　　IoT时代的嵌入式开发平台

　　从完整开发平台的角度，看看几十年来涌现的数以百千计的RTOS，能不能算合格的iot开发平台呢?答案恐怕是否定的，即使有些非常知名的RTOS，也是如此，有许多RTOS，充其量是一个调度器。有意思的是，从开发平台完整性来看，目前流传的绝大多数嵌入式操作系统，甚至比不上Industrial Programming Inc(IPI)公司在上世纪70年代的MTOS。
　　那么，IoT时代完整的C开发平台，至少需要具备哪些特征呢?
　　只有调度器内核是不够的，按今天的标准，它甚至不能称作RTOS，这种系统，权且叫它“裸核”吧，并不比裸机C开发高明多少。用户使用操作系统，目的是为了省事，并没有在操作系统下能干成而裸机C干不成的事情。然而在“裸核”下开发，没有标准驱动框架，没有Shell，没有IO系统，没有C Runtime支持，真的没省多少事。
　　在“裸核”的基础上，起码，要提供C Runtime，提供C库，使之成为完整的C开发平台，让标准的c程序能编译运行。所谓的标准C程序，不仅仅指符合C语法的程序，C库函数也是标准的一部分，调用标准C库的程序都不能运行，不能算完整的C支持平台吧。要支持完整的C Runtime，你就必须有文件系统，有IO驱动架构，有协议栈等。有了C Runtime，才能支持C++，才能实现Python、Lua、JavaScript等更高级的开发语言，实现IoT设备的快速开发。
　　即使有了完整的C支持平台，在IoT时代，还是不够的。我要访问一个云服务器，还要自己写Socket通信，从最底层的http编解码开始;我要在设备间交换点数据，或者配置一下设备功能，起码JSON之类的解析器要提供吧。还有，诸如WiFi、蓝牙、ZigBee等，是IoT中最常用的无线协议，也是必须支持的。进一步地，较为复杂的设备，还需要有图形系统支持，一个完善的GUI也是非常受欢迎的了。
　　总之，IoT时代，需要的是能快速开发IoT设备的平台，而不仅仅是提供一个符合C语法规范的开发平台。