第2篇：嵌入式计算设备

江文瑞 译，何小庆 审校

物的定义

物联网的“物”的定义有多种多样，在Micrium看来，“物”是网络上发送和接收信息的一个个嵌入式计算设备（或称为“嵌入式系统”）。

图1 嵌入式计算设备

什么是嵌入式系统？

嵌入式系统是基于微控制器（MCU）并以小的内存占用运行软件的电子系统。一些以Linux和Android为基础的系统也可以称为嵌入式系统，但通常这些通用的操作系统需要运行在应用处理器上，并具有额外的功能，如动态程序加载功能。这就是为什么基于MCU的嵌入式系统通常被描述为“深嵌入式系统”。在Micrium看来，这些深嵌入式系统就是物联网中的“物”。

嵌入式系统中32位架构的微控制器越来越常见，过去几年中，32位微控制器的价格已经大大下降，而其更强大的性能为嵌入式系统开发人员提供了新的选择。

对于8和16位MCU，软件经常是使用前/后台的方法（即超级循环）来实现。但是随着32位微控制器价格的下降，现在RTOS（实时操作系统）成为首选，基于RTOS的设计允许更灵活的和可扩展的软件运行在这些系统中。一个完整的RTOS系统应该具有内核、图形用户接口（GUI）、文件系统、USB协议栈、网络，以及更多的其他功能，且能够适合小于1 MB的内存空间。随着RTOS的使用，嵌入式系统的软件体系结构变得更为灵活，故障排除和添加新功能的能力大大增强，使用RTOS还可以简化实现固件升级的方法。总之，在32位处理器上使用RTOS更有意义。

图2 物联网设备软件架构

针对物的处理器

在处理器架构的选择方面，到目前为止，主要的竞争者是英特尔（Intel）和ARM。

一方面，英特尔已经把其Atom处理器作为嵌入式处理器来发展，主要针对的是工业网络应用；另一方面，英特尔新的Quark处理器，直接瞄准深嵌入式系统市场。ARM系列处理器包括广泛的32位体系结构，并授权给大量的供应商。ARM芯片是目前广泛应用的低功耗架构，而且处理器软件的启动与英特尔相比也要简单得多。

人们普遍认为物联网硬件应该是低成本的，这样才可以将物联网设备（每个灯泡一个IP地址）遍布整个地球。但事实上，低成本不是适合所有应用的解决方案，尤其是在以IP为核心的网络中。

首先，TCP/IP协议栈不是一个只有一点点代码的软件。当然，你可以找到开源的TCP/IP协议栈，仅仅占据32 KB空间，但通常它只支持TCP/IP标准最基本的功能，如果需要物联网设备能够在广阔的主流IP网络上运行，这就会导致一些问题。第二，TCP需要一定数量的网络缓冲区有效进行工作，这需要宝贵的内存。并且，如果需要使用Java，那么物联网设备将需要一个操作系统作为基础来运行Java虚拟机（JVM）。所有这些因素制约了物联网设备对低成本架构的选择。

如何选择处理器？

设计物联网设备时，哪一款微控制器是好的选择呢？

①在物联网设备中，对于ARM处理器，Cortex-M0是很好的选择。对于网关设备，ARM Cortex-M3/M4或Cortex-A是不错的选择，因为它们具有良好的处理能力。

②对于非ARM处理器，用于物联网设备的一个好的选择是瑞萨（Renesas）的RL78或RX100，对于网关设备，可选择瑞萨RX600或RZ。

无论上述的哪种方式，不断上市的新处理器会具有更多的闪存和内存，并始终维持低成本。

功耗的问题

现在嵌入式系统设计的一个共识就是降低功耗，常见的方法是系统尽可能快地执行，然后立即进入睡眠模式。现在的处理器核心架构，在低性能状态下，可以做到基本上不消耗任何电力。针对无线传感器网络边缘节点的设计，这种特性很有吸引力。这种针对性能的低功耗优化设计意味着要晶体管工作电压接近（或小于）其阈值电压。

ARM是目前一个经过优化后可以工作在接近CMOS晶体管阈值电压的处理器内核，并在几 MHz的时钟频率下执行指令。ARM的近阈值（near-threshold）设计与Cortex-M0架构兼容，这对软件开发社区来说是个好消息。近阈值的设计不是很容易，ARM可以与多个晶圆工厂一起工作，而不必自己拥有芯片工艺。这与亚阈值（sub-threshold）设计的情形不同，亚阈值设计需要芯片公司和晶圆工厂自己定义一个制造过程，这种方式会给芯片公司和晶圆工厂带来很大的风险。

编程语言的使用

用于深嵌入式系统的编程语言可以是C或C＋＋，有时是Java。需要注意的是，Java总是运行在操作系统之上。所以，你的选择不是C/C＋＋或Java两者之一，而是C/C＋＋和Java都会使用。

对于物联网设备，Java是很有吸引力的，因为全球有大量的Java开发者，他们给行业带来了巨大的增长潜力。据Oracle和ARM公司估计，全球大约有45万嵌入式软件工程师，约九百万Java开发人员。

Java引擎的资源占用是必须要考虑的因素，Oracle针对小型设备的嵌入式Java ME产品估计有下述系统需求：

①基于ARM架构的SoC系统。

②内存占用（近似估计）。从130 KB RAM/350 KB ROM（最小的，定制的配置），到700 KB RAM/2 000 KB ROM（完整的，标准配置）。

③非常简单的嵌入式内核，或一个更强大的嵌入式操作系统和嵌入式实时操作系统。

④至少一种类型的网络连接（有线或无线）。

以上这些指标不符合Micrium关于深嵌入式系统的设备定义。上述需求加上嵌入式内核和通信协议栈，将ROM和RAM的总量推进到数兆。显然，对于物联网设备，Java的使用将受到成本和能力的限制。

物的设计

在不计成本的情况下，可以选择一个单一强大的处理器，运行设备所有需要的任务，然而，工程中常常要做些折中，在传感器/执行器设备中使用两个处理器：一个是低成本的处理器（8或16位），用于物理世界的接口；另一个为32位处理器，连接网络接口。第二个处理器通常被放在一个单独的模块上，协议已被认证并遵守FCC的规范。具有两个处理器的物联网设备结构图如图3所示。

图3 具有两个处理器的物联网设备结构图

当采用双处理器时，对于传感器/执行器的处理，实时内核不是必需的，而对于通信模块，强烈建议要使用实时内核。

网关的设计

网关连接两个不同的网络，以便网络之间的数据流动，通常是专有网络和互联网之间的连接，网关结构如图4所示。

图4 网关结构

举个智能家居的例子。不同的公共事业公司可能在你的家里安装了各种各样的物联网设备，每一个都有自己的网关，这些可以包括电、天然气、水、电话、互联网、有线/卫星电视、报警系统、医疗设备等。这些网关的一部分可能需要额外的功能，如本地存储或者用户接口。

总之，物联网的物是一个智能的嵌入式系统，设计中应考虑到性能和功耗的平衡，嵌入式实时多任务操作系统在双处理器的物和网关中是必需的组件。