From: http://www.infoq.com/cn/articles/intelligent-embedded-os-Internet-of-things-and-robots

嵌入式開發是一個低調的領域。相比Web開發和企業級開發，嵌入式開發這一領域似乎很少在互聯網上發出聲音。隨著智能設備的興起，智能手環、手表、眼鏡、燈泡等產品成為互聯網企業的下一個目標，而物聯網這一概念再次復蘇，嵌入式開發開始引起很多互聯網工程師的關注。

那么，現在的嵌入式開發是怎樣的？相比十年前、二十年前有什么發展？“物聯網”這一大概念下，應用開發者應從何切入？本次訪談，我們邀請到一位不那么低調的嵌入式開發者，來跟我們分享他對這些問題的看法。

嘉賓簡介

羅未（Noel），豌豆機器小組（WRTnode machine team）發起人，致力于整合機械設計、嵌入式Linux開發、計算機視覺、機器學習方向，以開源的理念制造智能交互機器，希望為開源社區和大眾市場帶來 各種伴隨人類卻又獨立于人類的機器。個人出身于行業軟件領域，3年前轉入硬件方向，經歷過智能家居和路由器行業，現希望做一些讓未來更近的事情。

相關廠商內容

微信Android客戶端架構演進及其對開發流程的影響

海量游戲運維的云化演進

開源運維軟件在小米的應用

相關贊助商

全球架構師峰會，7月18-19日，深圳萬科會議中心舉辦，精彩呈現！

羅未是2014年全球架構師峰會（ArchSummit）的聯席主席之一。有關他的更多介紹可參考技術人攻略對他的訪談：開放制造的機器之心。

以下內容根據InfoQ中文站編輯跟羅未的溝通整理而成。

嵌入式操作系統現狀

目前嵌入式設備主要分為兩大類：MCU設備和帶MMU的CPU設備。

MCU（Micro Computing Unit），也就是我們常說的單片機，其特點是Micro：主頻大概在幾十MHz，內存在幾KB，Flash非易失存儲也是幾十KB，資源小，價格便宜。 單片機這個領域從80年代、90年代開始就一直有人玩，像是玩具、鬧鐘、計算器、電子表、工業控制等很多領域都有用到，應用廣泛。單片機程序的特點是邏輯 簡單、實時性強沒有等待，不像Linux那樣會存在資源被其他程序占用的情況。

早期單片機程序一般都是裸寫C代碼的方式，用一個大循環把所有事情搞定，所有的底層功能——如資源分配、進程調度、DNS查詢、域名轉換等，都要手寫實現。前幾年開始有一些基于MCU的操作系統，比如μC/OS、RT-Thread等，單片機有了操作系統就相當于資源分配、進程調度等工作不用手寫了，可以交給系統去管理，程序員不用去管任務間協調的問題。這可以看作是第二代單片機開發環境。

近幾年有一些新的單片機操作系統，比如Contiki，這套系統的特點是把互聯網特征作為基礎的構建。這套系統很牛，用10KB以內的內核就提供了對HTTP、TCP/IP等協議的支持，讓單片機上來就可以聯網，讓單片機開發者繞過了每次都要裸寫這些基本功能的痛苦。

現在的單片機有些很神奇的應用，比如圖像識別、語音識別，可以做到在視頻上識別色塊的程度。但是，單片機如果又要做圖像識別又要上網，就會非常吃力，畢竟資源十分有限，需要有很高的開發能力把它們協調好，這種情況下就不能用操作系統了。

以上是單片機的情況。另外一種是更大一些的，就是自帶MMU（Memory Management Unit，內存管理單元）的設備。這種設備的主頻一般在幾百MHz以上，內存在幾十MB以上，早些年的智能手機就差不多是這個配置，跟十幾年前的PC機配 置差不多，所以安裝運行Linux系統是沒有問題的。這類設備其實也做了十多年了，現在用的比較多的架構有兩個：ARM和MIPS，都是商業的，現在新的 硬件基本上都是這兩種架構。

有很多發行版都專門為ARM做過安裝包，比如流行的Ubuntu和Debian。無論是ARM還是MIPS，因為有了系統，開發起來要比在單片機上 舒服多了，但也仍然有一個很麻煩的地方，那就是要做交叉編譯。開發者一般都是在自己電腦上——大部分是x86架構——完成開發的，因此要用x86上的 ARM編譯器交叉編譯出ARM的二進制文件，用MIPS編譯器交叉編譯出MIPS的二進制文件，才能在設備上運行，這為調試帶來了不小的麻煩。為什么我們 這個圈子門檻比較高，就是因為一般都是掌握了交叉編譯的開發者才會進來玩。不過好在有一個叫做GDB（GNU Debugger）的工具可以做遠程調試，減少一些麻煩。

物聯網終端需要完成的工作

現在在有一種M2M（Machine to Machine）的思路，在終端用可以聯網的單片機做最簡單的事情，比如開關一個燈泡；終端直接跟家庭網絡的網關（路由器）連接，或直接跟公網的云端連接，由云端做更復雜的計算和處理。

這種思路可以解決一部分問題，但是我覺得還不夠。終端需要做更多的事情。

我認為終端需要是智能的，它們需要達到“機器人”的層面?，F在我們說的機器人跟以前大家理解的那種人型機器人不同，現在所說的機器人是一種復雜控制系統，是軟件，可以跑在各種各樣不同姿態的設備上。機器人需要完成三項工作：

感知：從傳感器采集數據
交互：網絡傳輸（如HTTP、TCP/IP）和物理控制
智能：如圖像識別、語音語義的理解、智能規劃，需要抽象成智能的算法

現在的機器還處于太過依附于人類的狀態，需要人告訴他要做什么。我覺得未來的機器應該自己知道要做什么事情。現在的人工智能、知識圖譜的建立就是奔 著這個方向去的，比如Google工程師訓練機器，讓機器在Youtube的視頻里認識貓，這個涉及到一個很大的知識庫和訓練過程，需要云端的協助。但最 終訓練出來之后，其實貓的圖像識別特征數據是很小的，可以放在終端的機器人里，他們自己就會認識貓了。這就好像嬰兒的學習過程一樣。

但是跟嬰兒不同的是，機器天生是執行器。所以結合認知能力，讓機器認識貓了之后，加上執行，是不是可以讓機器自動的去抓貓或者逗貓玩？機器認識電梯 之后，是不是能夠自己去按電梯？機器認識無線充電站后，是不是能夠自己跑到無線充電站上面蹲著充電？隨著知識圖譜的建模完善，事物和事物之間的聯系能夠被 機器理解，機器人會變得越來越強大，越來越重要。

其實現在語音語義的知識圖譜建設已經相對完善了，機器已經能夠理解一些上下文之間的關系，比如你說到吃蘋果，他就知道你說的是什么意思。我們現在在語音語義+網絡這塊直接使用了訊飛的服務，我們把工具鏈給他，他們幫我們生成了一個二進制包給我們，就很方便了。

技術上的挑戰

上述這些工作當中，有些單片機可以完成的很好，有些不能。單片機可以采集一些簡單的數據如位置、高度、重力加速度、四軸姿態、溫度、濕度等，進來都 是數字，只需要做AD轉換。比較復雜的數據如聲音、圖像，單片機處理起來就比較困難，一般我們通過Linux的USB驅動來跑，需要MMU的芯片。但是單 片機有一個特征是Linux無法滿足的，就是實時性。很多物理控制對實時性的要求很高，比如四軸飛機的控制，嚴格要求50Hz的控制頻率，即一秒進行50 次計算來決定下一幀的動作，如果稍微有點資源搶占造成延遲，飛機就掉下來了。

為了同時達成實時計算+復雜性這兩個目的，我們只好把兩個芯片加在一起。但是兩個芯片在一起，就成了一個分布式系統，有芯片級的通信問題，同時開發 者還需要寫兩套代碼，又要寫單片機的交叉編譯，又要做Linux開發，各種調試和測試的困難。Arduino現在已經有一套挺完善的思路：首先它的傳感 器、控制器的庫都很全，然后它做了一個ArduinoYUN的板子，就是一個OpenWRT（一個超級精簡的Linux發行版）+單片機的雙芯片板子，然后它有一個萬用固件——一個支持firmata協議的 庫，算是一個翻譯，只要符合這個協議就可以從Linux控制Arduino，算是一種思路。但是我覺得這個思路有兩個問題：第一，ArduinoYUN的 思路是以MCU開發為主，把OpenWRT當做單片機的透傳模塊，為單片機提供網絡服務。放著強大的芯片在一邊，用小小的單片機跑主程序，感覺未免太浪 費。第二，firmata協議雖然簡化了控制，但是又影響了實時性，在實時性要求較高的時候（比如四軸飛機），這種思路又無法滿足需求了。

現在一些芯片公司已經開始意識到這個問題，開始考慮如何把兩者封裝成一個芯片，來滿足實時性+復雜性的結合。我認為封裝后應該要以Linux為主要的開發平臺和軟件運行平臺，以MCU作為輔助以滿足實時性需求。

所以，實時性+復雜性的結合是第一個挑戰。第二個挑戰是復雜運算的加速，比如H.264/H.265的視頻壓縮、圖像識別的硬件加速，要不要放在機 器人的芯片里？我覺得是需要的，但是不需要手機那么強的GPU，有一個視頻壓縮的芯片放在里面就可以。終端如果能做視頻壓縮，多半也能做圖像識別，那么終 端機器人可以做的事情就更多。

第三個挑戰是針對Linux內核本身的，就是在這種級別的計算平臺上如何進行更合理的裁剪、做更合理的算法策略、執行策略。OpenWRT的開發版 現在我們做到64MB的運行時內存占用，而一般的路由器芯片都是16MB、32MB。其實內存的空間占用倒不是大問題，因為現在內存很便宜，就算用到 128MB、256MB也沒什么，但是關鍵在于時間片的占用。所謂省資源其實就是兩個意思：少占地兒+少占時間，這樣才能低延遲。所以Linux內核如何 解決這個問題，也是一個比較大的挑戰。

這三個點可能是未來幾年這個產業很多人的努力方向。

總結

相比十年前裸寫C代碼的場景，現在我們有圖形化的界面，有RESTful API，嵌入式開發的難度可以說已經大大降低了。雖然有上面提到的基礎設施與開發工具的挑戰，但我認為用不了幾年時間也都能解決。網絡連接現在已經基本不 是問題，3G、4G、Wifi已經足以支撐大部分智能設備的應用場景。

但是，僅僅有這些，到“智能的物聯網”有很大的距離。機器需要學習更多、建立更多的知識圖譜，才能變得更加強大。現在云端還沒有太多現成可用的知識 圖譜，但我們仍然可以先從簡單的事情做起，比如讓機器人掃地，讓機器人把空瓶子扔進垃圾桶，一點一點的改進它們。也希望有更多的開發者能夠加入這一進程， 讓我們的世界變得更加完整。

相關資料

ArchSummit全球架構師峰會即將于7月18-19日在深圳舉行，此次會議重點解析九個當前最受關注的領域，包括：SNS、 移動互聯網、 金融、 大數據、 智能硬件、 游戲、 云計算、自動化運維、電商等專題。目前正在火熱報名中，感興趣的讀者可以訪問網站主頁了解更多信息。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的嵌入式开发 MCU的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。