物聯網時代下的MCU應用新生態

2018-03-19 17:33

芯科技觀察

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在物聯網應用發展中，MCU的應用生態也發生了一些改變，呈現出了新的應用生態。目前，物聯網應用基本都是將傳感終端連接到云端，基本遵循云－管－端的架構。MCU的應用一般是在“管”和“端”，管指的是連接通信的管道，端是設備終端或傳感終端。

下圖是MCU在物聯網中應用生態的示意圖：

物聯網時代下的MCU應用新生態

物聯網應用中MCU應用生態示意圖

MCU

和CPU一樣，MCU也在性能和成本道路上不斷地向前發展著。從4位、8位、16位到今天主流的32位MCU；從8MHz、16MHz發展到現在的幾百MHz主頻MCU。MCU的性能不斷地提升，而價格卻在不斷地下降，低配版本的32位MCU已經達到了0．3美金的價位，這加速了電子產品的設備升級換代，也促進了電子產品智能化的發展。國產的32位MCU供應商也越來越多，尤其是憑借ARM Cortex－M系列內核的MCU產品，部分國產MCU品牌發展迅速，有了一定的市場份額。

隨著物聯網市場需求的強勁增長，對MCU的規格也提出了一些要求，如無線MCU（RF、Wi－Fi、BLE等）和安全MCU等產品。

底層硬件驅動

早在4位、8位MCU時代，由于程序存儲容量小、資源少。一般地，底層MCU外設的驅動都是由工程師根據MCU的寄存器自己開發設計，設計風格因人而異，更換不同的芯片或使用新的外設就需要重新開發底層驅動。MCU程序的通用性不強，移植成本也較高，工程師更換芯片也面臨著重新學習和開發的成本。

而當MCU產品規格發展越來越復雜的時候，尤其是32位MCU，自己寫MCU底層驅動就越來越不是一種好的做法了。現在的MCU廠商也基本都提供了底層驅動庫給工程師，極大地方便了開發。ST公司更是提供了圖形化的初始化生成工具，讓STM32的開發起步更容易簡單。

物聯網時代下的MCU應用新生態

實時操作系統（Real Time Operating System， RTOS）

RTOS也隨著物聯網應用的發展而逐漸多了。物聯網應用多是對數據的采集和數據的傳輸，對控制的實時性要求并不高，一些物聯網應用的任務越來越復雜，就需要一個RTOS對MCU資源進行管理和任務的調度，以簡化應用的開發和程序的維護更新。而一些對實時性要求控制比較高的應用，如電機控制等，MCU一般不會用到操作系統（RTOS），雖然RTOS是實時RTOS，但對于控制要求精確到指令周期的控制還是不適用的。

如同PC的操作系統一樣，物聯網的RTOS也管理著MCU的基礎資源和應用程序的運行。RTOS沒有PC操作系統那么通用性好，由于MCU架構不同，各個廠家的MCU產品也存在著差異，RTOS需要針對不同MCU做適配。為了讓物聯網設備或傳感終端便能更容易方便地連接到互聯網，阿里（AliOS Things ）、華為（Huawei Lite OS）等大公司都紛紛推出了自己的RTOS。思必馳和華強聚豐也投資了RT－Thread RTOS，以期語音技術通過RTOS快速到達更多的MCU產品上，使得物聯網的連接更便捷。操作系統的價值隨著物聯網應用的發展越來越體現出來。

中間件（Middleware）

有了RTOS的基礎，MCU做的應用任務也就可以更多了，可以針對應用需求開發一些功能，如文件的操作，方便應用的管理。這部分功能是應用程序的一部分，而非全部，是一個相對獨立的功能，一般可稱之為中間件。一些MCU廠商也針對物聯網推出了中間件。中間件為MCU的應用提供了更多應用的可能性，拓展了MCU的應用范圍。

下面列出了一些中間件：

物聯網時代下的MCU應用新生態

應用程序

物聯網中MCU的應用程序，多是以功能實現為主，對實時控制的要求弱化了很多，主要是做傳感器數據采集、連接通信以及簡單控制等功能。

工具鏈（Toolchain）

在軟件中，工具鏈一般是指一套編程的工具，用于設計軟件產品，由編譯器和連接器（將源代碼轉換為機器能識別并可執行的程序）、庫和調試器（測試和調試程序）等組成。MCU的應用開發離不開工具鏈的支持。8／16位MCU廠商一般提供匯編語言的編譯器，不同指令架構的MCU需要不同的專用工具鏈支持。作為軟件產品的工具鏈，其編譯性能和穩定性需要長期不斷地完善，市場的工具鏈基本有三類：a） MCU廠家自有的工具鏈 b）第三方工具鏈，多是商業軟件 c）開源工具鏈，如GCC。有實力的MCU廠家會自己發展工具鏈，為用戶提供更多的價值服務。而多數的MCU廠商借助第三方或開源的工具鏈發展MCU產品。

連接通信（Connection）

在物聯網應用中的連接通信的產品，一般可以有兩種產品形態：通信模塊和網關。常見的一些通信模塊有：Wi－Fi、NB－IoT、2G／3G／4G等，可直接連接到云端。MCU在模塊中一般用作數據傳輸。在使用電池供電的應用中一般會選擇用超低功耗MCU（ULP MCU）。而如LoRa、Zigbee、Z－Wave、BLE等無線連接技術則需借助網關連接到云端，MCU在網關中用作通信協議轉換。

物聯網時代下的MCU應用新生態

云端

數據經由連接通信的管道傳輸到云端服務器。服務器按功能可分為網絡服務器、應用服務器等。網絡服務器一般用做物聯網的設備管理，應用服務器一般用做基于數據分析處理等應用程序。用戶界面則是與用戶直觀的交互界面，如Web端、手機App等。

結束語

中國MCU市場基本形成了以8051、RISC（類PIC）、ARM三大內核為主流的MCU產品。國產MCU在在面對各種物聯網的需求推出了不少的新MCU產品、如無線MCU、安全MCU等，借助成熟的工具鏈，加快了物聯網項目的落地和產品的上市。

在物聯網開發過程中，MCU的應用程序不再為個人或公司獨自完成，更需要與其他公司或其他資源的協作，如RTOS和中間件，產品應用的分工更加細化，逐步形成了底層驅動、操作系統、中間件、連接通訊、云端的產品生態鏈。為使云端應用落地，有實力的公司加快了嵌入式領域的投入與合作，讓物聯網的開發者開發物聯網產品更加容易和快捷。而嵌入式MCU的物聯網開發者也可以借助大平臺的資源迅速推出一些新穎的物聯網產品。

物聯網不僅僅是物的連接，更是應用分工的協助和合作。物聯網時代下的MCU應用呈現出了新的業態。