IoT項目如何選擇正確的軟件架構

時間：2024-07-22 06:44:06 系統架構師

IoT項目如何選擇正確的軟件架構

　　你想要創建一個合適的項目，看是要更進一步探索這個想法還是將其產品化。但是，應該從哪種軟件架構入手呢?究竟該采用初始成本較低的開源架構，還是選擇需要支付前期費用的商業解決方案，來加速你的設計過程呢?一起來看看!

　　什么是軟件架構?

　　在本文件中，將“軟件構架”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項目被重新使用。

　　軟件架構是由幾個不同的部分所組成，并由以下組件所定義：程序語言、應用程序編程接口(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的案例中則是會被分離。

　　什么是操作系統?

　　因此，該如何選擇一個軟件架構呢?首先，我們需要對一些名詞解釋的更明確一點，我們已經開始提到操作系統(OS)這個名詞。你真正需要寫的是可以執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品與其他產品區分出來。但是，你仍然需要依靠軟件的其他部分，像是ADC的驅動程序或SD卡的文件系統棧。這些軟件的部分通常被稱為軟件構件。

　　在此用一個比較實質的比喻方式，你可以想象你的軟件構件就像是磚塊，然后把操作系統視為水泥。在操作系統中定義了磚塊的形狀，以及它們將如何與其他的磚塊互動，因此當你添加更多構件到軟件之中時，他們將可以繼續完美地協同工作。這聽起來相當不錯，但你真的需要一個操作系統嗎?增加操作系統也帶來了額外的負荷，它將會消耗數千字節的閃存，為事件的響應增加了延遲的時間，并且還需要花費些許的時間學習如何在操作系統環境中編寫程序。

　　決定采用哪個軟件架構，將會決定你的想法是否可以按時間、按預算地推動，或是將你的投資放在風險之中。

　　一般的經驗法則是，如果你的目標閃存容量是128 KB或更高，并且或是需要通訊功能，便需要一些棧(USB、以太網絡、SDIO、CAN、Wi-Fi、BLE)，長期來看，你最好還是使用操作系統。

　　在操作系統中最重要的其中一件事情便是調度程序(scheduler)。調度程序是用在為可能會爭奪相同資源的不同任務、分配資源和處理時間的組件。在一般情況下，調度程序有兩種作業的方式，而這正是“實時”在實時操作系統(RTOS)的意義所在。實時意味著在一個特定的時間內，會有一個特定的任務將會被執行。假設你得到一個你需要處理的射頻封包，無論你的設備目前正在做什么事，實時操作系統的核心會先離開它目前所做的任務，先完成這一個高優先等級的任務。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，但例如在馬達控制應用中，它在通訊棧與應用中最需要重視的便是反應時間的議題。

　　商用與開源解決方案的比較

　　舉例來說，如果你已經想通了是否需要采用實時操作系統，并開始組建軟件需求。你可能知道，你需要一個USB棧和以太網絡棧，搭配外部MAC/PHY驅動程序來一起將設備連接到互聯網。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，我們經常談論要給選定的解決方案一個總體擁有成本(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值，還包括花費在尋找解決方案、組裝不同的構件，并將不同的構件整合到你的項目，以及開發、測試和生產的工作時間。

　　在一般情況下，我們看到的是商業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用中，其所花費的金錢，相對會更便宜一些。

　　決定你的項目的最佳解決方案，將高度依賴于它是否是最容易讓你賺到現金，或是能夠為總體擁有成本的工時來“買單”。

　　候選方案

　　所以，當你已經看到這里，你的大腦中可能已經開始吶喊：“只要給我一個可以讓我開始使用的架構就好了!”

　　可惜沒有那么快，肯定有一些方案的選項是比其他選項更好，微控制器的應用非常多樣性，肯定沒有那種一個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和軟件架構，并分別仔細地討論(本文所提到的操作系統都具有實時能力)：

　　1)商用解決方案

　　Micrium uC/OS-II與uC/OS-III

　　這是在微控制器業界最流行的兩個實時操作系統，特別是因為其創新的商業模式，因為Micrium公司允許你下載完整的軟件套件，并開始發展，等你真正開始產生營收后，才需要開始支付解決方案的費用。他們在安全至上的系統中擁有重要的地位，并且他們的大部分軟件構件都已經通過認證。

　　Segger embOS

　　嵌入式軟件市場的新進入者，但這并不意味著他們是新手。該軟件產品已經開發了超過20年的時間，并已經使用在他們自己的硬件產品之中，因此對裝置的支持程度非常好，并配有一個優秀的驅動程序庫。

　　Express Logic ThreadX

　　由行業的資深人士所創辦，該公司專注在所有關于性能的事物上，并擠壓出元器件中每一個時鐘周期的效能。它通常被看作是操作系統中的勞斯萊斯，并已經有很多認證被使用在安全至上的系統之中。

　　2)開源解決方案

　　FreeRTOS

　　FreeRTOS跟MicriumuC/OS一樣，都是在同行業中最常被采用的實時操作系統之一。它有一個龐大的社群，有很多人都在為軟件做出貢獻，像是TCP/IP棧，但做為開源軟件，便意味著沒有公司會負責整合，因此需要更多的工作來創建一個整合的解決方案。

　　也有一些公司在FreeRTOS的生態系統中，專門從事將差異化的軟件構件提供給那些需要整合協助的客戶，例如，Wittenstein高完整性系統公司提供稱為SAFERTOS安全認證的FreeRTOS替換核心，以及HCC嵌入式公司提供可以與任何實時操作系統工作的USB、以太網絡和文件系統。

　　mbed OS

　　mbed OS解決一些你通常會在開源軟件所遇到的痛點，因為ARM這一家公司會負責整合的工作。然而，它仍然是處于萌芽階段，所以如果你想要有些貢獻就可以去這里。

　　RIOT OS

　　RIOT OS被冠以“物聯網中最友好的操作系統”，它是以通訊概念為基礎所建立起來的操作系統。這使得它即使在面對困難的通訊問題時，仍然精簡且高效率。然而它仍然還在積極發展的階段當中，所以你得計劃多花幾個小時來進行除錯。

　　3)架構

　　有一些操作系統的功能就像是將磚塊黏合在一起的水泥一樣，會與發展框架緊密地結合在一起，因此一般不能使用軟件本身做為項目的一部分，你必須圍繞著它來進行整個開發流程。這些框架往往是使用比C++更高階的語言所編寫，通常可以在實時操作系統上運行。

　　mbed

　　mbed也出現在這里，這時則做為快速成型的項目。它是用C++編寫，并對大多數微控制器和電路板有絕佳的支持，擁有一個龐大的元件程序庫，和一個采用網頁架構的漂亮集成開發環境(IDE)。目前，在它準備全面部署之前，它仍然需要一點成熟的時間，但它很適合硬件原型的開發。

　　Espruino

　　Espruino是在微控制器上運行的實時JavaScript解釋器。它允許你能夠動態地更改程序代碼，甚至不需要讀寫微控制器便可以撰寫程序代碼。在它開始量產之前，仍然需要一些時間來發展，但它很適合用于硬件原型，并呈現出成為一個不可忽視軟件架構的巨大潛力。

　　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。它發展的概念，便是讓你從產品開發的一開始到量產，都能夠支持預先編譯的程序代碼，并使用C語言來編寫時序至上的程序代碼。目前仍在開發當中。

　　microEJ

　　microEJ是一個采用Java架構的框架，讓你輕松地為你的設備打造好看的圖形化應用程序。它已經在許多智能手表和一些物聯網(IoT)設備中使用。

　　如果你想要著手進行設備的開發，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，采用一個純粹的實時操作系統將會是更好的選擇。如果使用工作時間而不是金錢來當作軟件的投資，對你的公司來說會更為輕松的話，像是FreeRTOS或RIOT這類非商業解決方案便有其優勢。如果你的公司能負擔得起前期投資，像是Segger、Express Logic和Micrium的商業解決方案，將大大降低軟件開發風險和縮短產品上市的時間。在商業解決方案中，特別像是Micrium的穩定性和認證的程序代碼基礎，廣泛普及的部署，良好的元器件支持，開放的原始碼，以及適合大多數經濟效益的商業模式，更使其在商業解決方案中顯得特別突出。

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