IoT 開發平台多樣性讓創新規模史無前例

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Arduino Due、Beaglebone、mbed 或Raspberry Pi 僅僅是用於 IoT 產品原型製作且基於 ARM 的嵌入式平台中的幾個例子。我們撰寫這篇博文的意圖，不僅是要比較這些開發板，還要審視其中的處理器在您的設計投入生產時產生的重要影響。
 
 

物聯網正當時

 正如您最近閱讀的博文中所述，物聯網正當風行。在各種經濟平台激勵創新的背景下，現已不再缺乏全新物理產品的各種想法 - 不論是 AT&T數字生活家用感應器還是可遠端控制的小強，可謂一切皆有可能。
 

IoT 是新型應用程式開發平台

 
IoT在世界各地激發創新。所有行業的知名企業都將目光投在了 IoT 技術整合上，正在創造全新的產品和服務。Nike Fuelband 和 Disney Magicband 是互聯技術領先產品的兩大傑出例子，它們來自傳統上與高科技行業無關的知名企業。
 
 
小規模批量製造和 3D 列印正在為物理產品開發帶來革命。創新者和企業家們正在以本地層面為開端，開始利用 IoT 解決問題。據 Gartner 預測，到 2018 年，50% 的 IoT 解決方案將來自不滿 3 年的創業企業。
 
機遇巨大，Arduino 和 Raspberry Pi 等平台也為這個世界開啟了無儘可能。嵌入式技術正在進入雲平台和行動裝置 App開發人員的視線當中，協助他們向下一個富饒的開發世界大步前行。
 

您從哪裡開始呢？

 
 
常常有人向我們問起，mbed、Raspberry Pi、Arduino Due 和 Beaglebone 等支援 ARM 的開發板之間有什麼差別。從表面上看，這些開發板可能外觀相似；而實際上，它們的相似之處在於它們的核心中均使用了 ARM 處理器。但如果要把想法變為產品，就務必要瞭解這些處理器之間的差別。下表概述了兩種廣泛裝置類別——應用處理器和微控制器。
 

 
 

各有所長

 應 用處理器常見於智能手機或電腦，為您喜愛的應用和作業系統提供動力；微控制器則適合用於處理簡單的任務，如藍芽耳機、滑鼠或樓宇門禁等。開發板的成本往往 扭曲了一項事實，那就是以微控制器構建的系統和以應用處理器構建的系統之間在總體系統成本和功耗上存在巨大差別。因此，務必要考慮開發板上的主機晶片。即 使價格不在話下，您也不希望在唯一電源是 CR2032 電池時，利用運行 Linux 的應用處理器設計一個簡單的感應器。與所有成功的產品設計一樣，您需要考慮功率、外形和效能方面的限制，確保選用的處理器與這些需求相符。下面的投影片顯示了一些差別和權衡：
 
基本要求是，如果您在設計非常簡單的產品（如收集感應器資料並發送到雲端），您可以根據數以千計的感應器至雲端裝置來預測模型，使用應用處理器不僅僅是大材小用，而且代價也會遠遠高於使用基於微控制器的簡單設計——不僅體現在晶片上，而且在軟體開發複雜度上。然而，如果您在設計具備臉部偵測功能的遠程攝像機，或許就需要使用應用處理器。
 

功率

 功率要求是一個極為重要的考慮因素。使用外部電源（即使是 USB） 的代價會遠高於使用簡單的電池，後者或許可用於為微控制器供電。這也會影響總體系統成本，因為您必須要採購線纜和電源，更不用說擁有可靠的電源所涉及的物 流事宜。這還會影響產品重量和外形。對於攜帶型裝置，功率可能意味著更大的電池和供電電子器件；產生的熱量也可能意味著需要散熱片，甚至風扇。您能想象帶 有風扇的跑步機嗎？另外值得一提的是，能源採集領域的技術正在急速發展進步，它可以免除使用電池的必要。許多這樣的能源採集技術可以在短脈衝內提供幾個 mA 的電流，讓小型電子器件可以收集足夠的資料並快速地傳輸此類資料。在此類能源採集技術基礎上構建的裝置需要能夠納入超低功耗的封裝中，而這僅可通過使用微控制器實現。這就是為何基於 ARM 的裝置設計為節能運作；實現尺寸更小、成本更低的 IoT 裝置。
 

ARM 生態系統中多樣性的力量

 物理 IoT 裝置在其本質上極為多樣化。例如，將智能手錶和連網型汽車比一比！ARM 生態系統的一大優勢在於擁有廣泛的微控制器和應用處理器，能夠滿足您 IoT 應用的確切需求，同時又仍舊採用通用架構。ARM 的業務模型有助於圍繞我們的核心 IP 打造一個廣袤的創新生態系統，使得晶片供應商能夠為各種不同的垂直市場開發最佳化的晶片；實際上，ARM 擁有 300 多家公司，它們利用授權 ARM 核心構建了 1000 多種晶片。
 

 
 

軟體開發環境

 另一關鍵考量因素是軟體開發環境。具體選項取決於您的開發平台是基於微控制器還是應用處理器。
 

微控制器開發平台：

 在 MCU 的早期年代，開發人員需要針對具體的供應商編寫彙編代碼。
 
 過去十年間，這一方式在很大程度上得到了嵌入式 C 語言開發的補充。編譯器和調試技術的進步使得開發人員能夠利用更廣範圍的裝置，在更加多樣的項目中處理更為複雜的應用程式。
 
最近，Arduino 將微控制器推向全新的受眾。開發 Arduino 的 初衷是為了讓藝術家們可以利用微控制器，但被許多受到啟發的利益群體採用，用於瞭解微控制器的各種潛力。在此過程中，形成了一種流行平台範式，通過隱藏軟 件細節達到實驗目的。這一方式對希望快速測試其想法的創意人士有著無限價值，尤其是在微控制器不是項目重點的時候。這已經成為 ARM 世界的一個部分——Arduino Due 平台搭載基於 ARMCortex-M3 處理器的 Atmel SAM3X8E MCU。
 
MCU 中處理器架構的標準化使得支援它的生態系統更加繁榮昌盛。進一步發展是將 Python 等更進階的指令碼語言，乃至 Javascript 等 Web 編程模型用於微控制器，如Tessel。
 

應用處理器開發平台：

 幸運的是，Android、iOS 和完整 Linux（如 Ubuntu）已經創造了豐富的開發環境供我們選擇用於編寫軟體，它們提供充足的選擇，不僅有原生的 C/C++、JAVA、指令碼語言，還有 HTML5 等進階語言。在過去，如果您要在 ARM 基礎上進行開發，就必須要在 x86 PC 上擁有交叉編譯器開發環境。現在，隨著基於 ARM 的開發環境不斷髮展，我們可以便於使用 Samsung ARM Chromebook 或運行完整 Ubuntu OS 的 Odroid 來在 ARM 基礎上為 ARM 編譯。而這一點本身都可作為一個主題寫一篇博文。請記住，並非所有應用處理器都是相同的。儘管具有向上相容性，CPU 核心功能在不同 ARM 架構之間不盡相同，例如 ARMv6 (ARM 11) 和 ARMv7-A (Cortex-A) 之間。後者引入了 NEON 引擎等指令，它們帶來的高效能 SIMD（同步輸入多種資料）引擎適合加快多媒體和 SMP（對稱式多處理）等工作負載，能夠實現高效的多執行緒。隨著近期 ARMv8-A 的發布，未來甚至還可能會誕生 64 位元嵌入式裝置。
 
 

為您的項目挑選合適的開發板

 現在，我們來具體談談各種經濟實惠的開發平台。基於 ARM 的開發平台有許多，各自在這個多樣化的開發板生態系統中提供獨特的價值。下表列出了當今市面上提供的一些基於 ARM 的硬體開發平台，其價格在 12.95 美元到 199 美元之間，擁有信用卡的任何人都可輕鬆購買。這份表格並不詳盡，我們會不時補充。實際上，如果您想到任何未列出的開發板，請與我們聯絡。我們一定會將它添加進來，因為我們希望不斷充實這份表格。
 

 

從原型到生產

總而言之，重要的是市面上有許多基於 ARM 的開發板可供選擇，而且幾乎每天都有新的成員加入。在確定適合自己的開發板時，首先必須決定是要使用微控制器還是應用處理器。需要考量的部分標準包括應用、複雜度、最終系統成本、功率，以及預算。
 
 
選定合適的處理器類別後，接著就是確定恰當的開發平台。應用處理器挑選起來比較輕鬆，因為 ARM 生態系統中的軟體相容性可以得到保障。如果有適合所用 OS 的驅動程式，您應當擁有類似的環境。需要注意的一點是，您可能會根據底層平台的一些具體功能而選擇特定的晶片。
 

展望未來

 互聯產品的創新速度實現了各式各樣的全新業務模型，有些甚至是之前從未想象過的。就像 PC 曾經是上世紀 90 年代的預設開發平台一樣，ARM 嵌入式開發平台將成為本世紀首選的開發平台。對於 ARM 生態系統來說，幸運的是，這一點變得更加輕鬆，因為Linaro 等工程商店讓在 ARM 上全面支援的 Linux 和 Android 等成熟平台變得唾手可得。

 
ARM mbed 等雲端式端的開發平台將能夠加快專業開發人員對 IoT 產品的開發。它匯總了 IoT 設計中預期軟體組件的基準生態系統，讓晶片供應商可以集中精力提供差異化和增值服務。

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