現(xiàn)有硬件和軟件的許多來源都可以整合到開源社區(qū)提供的新設(shè)計(jì)中。商業(yè)上可行的開源產(chǎn)品范圍從 Linux 等操作系統(tǒng)軟件到 BeagleBoard 等物理硬件設(shè)備。雖然此類基本構(gòu)建塊通?？梢悦赓M(fèi)使用，但它們?nèi)允茉紕?chuàng)建者發(fā)布設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的條款的約束，無論是 GNU 公共許可證、Apache 還是類似條款。

可擴(kuò)展性的主要缺點(diǎn)是傳統(tǒng)范例是為底層硬件平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)板級(jí)支持包（BSP），然后在已從應(yīng)用程序開發(fā)人員那里抽象出硬件的測(cè)試軟件平臺(tái)之上構(gòu)建所有應(yīng)用程序。如果底層硬件最終需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更改，那么在大多數(shù)情況下，需要打開外殼，更換電路板，并且必須構(gòu)建、測(cè)試和安裝新的 BSP。

克服這個(gè)缺點(diǎn)的第一步是嚴(yán)格定義一組最低級(jí)別的硬件接口，這些接口可以通過詳細(xì)的電氣和機(jī)械文檔公開，并由成為已發(fā)布 BSP 一部分的鎖定驅(qū)動(dòng)程序代碼在最低層提供支持。這需要在產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)中進(jìn)行規(guī)劃和適應(yīng)。在大多數(shù)情況下，這不僅僅意味著簡(jiǎn)單地選擇一個(gè)普遍存在的 USB 連接器并假設(shè)已考慮到可擴(kuò)展性。USB 可能會(huì)在許多市場(chǎng)中造成實(shí)際的環(huán)境問題，例如缺乏對(duì)高振動(dòng)用途的適用性。當(dāng)以前未知的 USB 設(shè)備作為核心設(shè)備的新突出物連接時(shí)，也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的美觀產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響。

過去，個(gè)人計(jì)算機(jī)行業(yè)已成功使用定義通用電氣和機(jī)械擴(kuò)展接口的方法。最早的 PC 機(jī)器模型在 IBM 的產(chǎn)品和隨后的許多克隆產(chǎn)品之間共享 ISA 總線通用性。不幸的是，由于各種物理原因，當(dāng)前的 PC 擴(kuò)展槽策略不能很好地轉(zhuǎn)化為大多數(shù)嵌入式應(yīng)用程序，并且嵌入式設(shè)計(jì)缺乏 PC BIOS 的通用性，無法使不同的硬件在軟件開發(fā)人員看來相對(duì)統(tǒng)一。因此，對(duì)于嵌入式產(chǎn)品來說，為現(xiàn)場(chǎng)添加的硬件部署軟件支持可能會(huì)更加困難。

用于部署驅(qū)動(dòng)程序軟件的 PC 模型也普遍優(yōu)于嵌入式產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代 PC 操作系統(tǒng)（包括基于 Microsoft 的各種 Linux 發(fā)行版）在新硬件枚舉時(shí)自動(dòng)讀取設(shè)備信息，并自動(dòng)從中央存儲(chǔ)庫中檢索相關(guān)的軟件驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于最終用戶來說，這通常是一種非常令人滿意的體驗(yàn)，如果現(xiàn)場(chǎng)可擴(kuò)展嵌入式設(shè)備要取得成功，就需要重新創(chuàng)造這種體驗(yàn)。

易于開發(fā)的硬件與易于部署且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝人員的影響最小的軟件支持相結(jié)合，在實(shí)際開發(fā)大多數(shù)最終產(chǎn)品的嵌入式空間中一直缺乏。通過考慮硬件擴(kuò)展選項(xiàng)的平臺(tái)獨(dú)立性以及部署軟件的集中機(jī)制的深思熟慮的設(shè)計(jì)方法，可以在產(chǎn)品系列的嵌入式空間中復(fù)制 PC 方法。

盡管這種從標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)創(chuàng)建可定制設(shè)備的方法可以應(yīng)用于許多需要現(xiàn)場(chǎng)可配置性的設(shè)備，但它在以物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 空間連接為中心的設(shè)備中尤為重要。在考慮通用監(jiān)控應(yīng)用程序時(shí)，很容易設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)現(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn)接口的通信網(wǎng)關(guān)，但要提供一個(gè)與現(xiàn)有的各種傳感器和執(zhí)行器通信的通信網(wǎng)關(guān)要困難得多。標(biāo)準(zhǔn)方法是選擇一個(gè)市場(chǎng)并利用該市場(chǎng)中最常見的接口。借助現(xiàn)場(chǎng)可擴(kuò)展平臺(tái)，OEM 不再需要選擇特定的市場(chǎng)來追求。如果需要支持額外的傳感器或執(zhí)行器，

圖 1 顯示了一個(gè)開放式 IoT 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，該產(chǎn)品只能通過 GPIO、USB 或其他在制造時(shí)固定的接口進(jìn)行擴(kuò)展。作為傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備，它具有定制的 Linux BSP 以充分利用硬件提供的靈活性，并且沒有顯著的發(fā)布后擴(kuò)展能力。USB 提供了添加功能的途徑，但如前所述，它對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)部署施加了限制。

圖 1：使用在發(fā)布時(shí)固定的硬件的傳統(tǒng)嵌入式方法。

為第二代產(chǎn)品采用了新方法，創(chuàng)建了擴(kuò)展端口，因此除了可以在機(jī)械實(shí)用的情況下使用的傳統(tǒng) USB 端口之外，還有許多其他接口可以在擴(kuò)展時(shí)暴露出來卡，包括 USB 本身、UART、SDIO、I2C、Wi-Fi 等。這有助于確保網(wǎng)關(guān)架構(gòu)在平臺(tái)設(shè)計(jì)中具有合理的使用壽命，因?yàn)樗軌蛟谛碌臄U(kuò)展端口卡可用時(shí)接受它們。作為一種開放策略，

下一步是確定合理的方法來利用這種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口，同時(shí)提供一定程度的抽象，使其他軟件開發(fā)人員無需開發(fā)低級(jí)驅(qū)動(dòng)程序或從頭開始構(gòu)建新的 BSP 即可創(chuàng)建應(yīng)用程序。

對(duì)于計(jì)算密集度較低的設(shè)備，ARM 的 mbed 方法提供了很好的解決方案，該方法旨在支持其 Cortex-M 系列設(shè)備。SDK 由 ARM 在 Apache 2.0 開源許可下提供給社區(qū)，對(duì)于過去從事過 OS 和非 OS 嵌入式軟件開發(fā)的人來說，感覺非常熟悉。使用 mbed，硬件的軟件支持可以放置在一個(gè)中央存儲(chǔ)庫中，供任何潛在用戶檢索和構(gòu)建他們的應(yīng)用程序。ARM 本身通過 mbed 在處理器 I/O 級(jí)別提供一定程度的平臺(tái)獨(dú)立性，因此可以將代碼從一個(gè)受支持的 mbed 設(shè)備遷移到另一個(gè)設(shè)備，即使這些設(shè)備來自不同的微處理器供應(yīng)商。然后可以使用 ARM 的工具輕松構(gòu)建具有正確平臺(tái)支持的用戶創(chuàng)建的軟件，或與可用于商業(yè)銷售的其他第三方開發(fā)環(huán)境一起使用。ARM 用于部署 mbed 代碼的本機(jī)部署機(jī)制就像在 USB 接口上拖放一樣簡(jiǎn)單，但如果設(shè)備傾向于遠(yuǎn)程部署并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，OEM 可以選擇以更適合自己需要的方式擴(kuò)展部署。

由于計(jì)算密集型應(yīng)用程序可能無法在 Cortex-M 處理器上很好地運(yùn)行，因此可能還需要考慮另一種方法。Linux 是一個(gè)顯而易見的選擇，因?yàn)榇蠖鄶?shù)高端嵌入式處理器的供應(yīng)商傾向于將他們自己的開發(fā)套件的初始 BSP 發(fā)布到社區(qū)中，并且通常與初始發(fā)布時(shí)提供的開源硬件一起發(fā)布。這種方法的挑戰(zhàn)在于認(rèn)識(shí)到任何定制都需要精通嵌入式 Linux 的軟件工程師，或者需要構(gòu)建抽象層?；旌夏Ｐ图戎С指邢薜那度胧?Linux 開發(fā)人員，也支持在他們的 Linux 開發(fā)系統(tǒng)上構(gòu)建完整平臺(tái)的開發(fā)人員，以及操作水平高于 Java、Python、Perl 或其他語言的工程師。

圖 2 顯示了一個(gè) MultiTech 網(wǎng)關(guān)，它是 2014 年底推出的系列之一，將有公開記錄的硬件擴(kuò)展槽。擴(kuò)展接口是多網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品通用的，所有支持的底層驅(qū)動(dòng)代碼都將開放并提供給mbed和Linux。這允許 OEM 和第三方創(chuàng)建新的擴(kuò)展板，這些擴(kuò)展板易于啟動(dòng)和部署到更廣泛的應(yīng)用程序中。

圖 2：具有靈活硬件擴(kuò)展和免費(fèi)提供的接口驅(qū)動(dòng)程序支持的開放平臺(tái)。

圖 2 所示的擴(kuò)展卡定義了一種個(gè)性化機(jī)制，以便平臺(tái)知道需要哪些驅(qū)動(dòng)程序資源，以及是否需要從基于云的存儲(chǔ)庫中檢索任何其他軟件。相同的卡可在產(chǎn)品線內(nèi)的任何平臺(tái)上工作，允許最終開發(fā)人員選擇最適合單個(gè)應(yīng)用程序的處理能力級(jí)別。在這兩種情況下，一般的嵌入式軟件工程師都會(huì)對(duì)這些開發(fā)感到滿意，因?yàn)樵撃Ｐ妥裱蓴U(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)硬件接口的傳統(tǒng) PC 范例，其軟件本身存在于主設(shè)備上或從中央存儲(chǔ)庫自動(dòng)下載。關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，這種方法創(chuàng)建的平臺(tái)易于被廣泛的軟件工程師理解，并且基于已經(jīng)獲得廣泛社區(qū)支持的開源工件。這導(dǎo)致產(chǎn)品可以在初始現(xiàn)場(chǎng)部署之前和之后快速定制，并且時(shí)間大大縮短。盡管提供的示例以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為中心，但通用方法很好地適用于需要考慮現(xiàn)場(chǎng)可配置性和支持各種已知和未知功能的任何應(yīng)用。

審核編輯：郭婷