大幅提高物聯(lián)網(wǎng)項目的效率

作者：Matt Gordon；Thom Denholm, Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）

如果只研讀最新的微控制器數(shù)據(jù)手冊的話，開發(fā)人員會很容易認為高效使用CPU資源(包括內(nèi)存和時鐘周期)，是目前硬件設(shè)計中的一個小問題。最新的32位MCU可以在嵌入式空間提供閃存和RAM分配，這在不久前都是聞所未聞的；并且其CPU與之前臺式機獨有的運行速度一樣。然而，近來開發(fā)過物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的人都知道，這些硬件的進步并非空穴來風(fēng)；它們一直因應(yīng)著最終用戶的期望和設(shè)計要求顯著地變化著。因此，現(xiàn)在比以往任何時候都更重要的是：開發(fā)人員要確保其軟件以最大效率運行，并且有效地利用他們的時間。

在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中運行的軟件往往有各種來源。應(yīng)用開發(fā)人員編寫的代碼通常與RTOS(實時操作系統(tǒng))提供商的現(xiàn)成軟件組件相結(jié)合，而這些組件又可能利用最初由半導(dǎo)體公司提供的驅(qū)動程序代碼。開發(fā)人員可以編寫每段代碼來優(yōu)化效率，但本文更著重于現(xiàn)成的軟件組件中的效率優(yōu)化。特別是其中兩個組成部分將作為審視本文給出的資源效率的基礎(chǔ)：實時內(nèi)核和事務(wù)文件系統(tǒng)(transactional file system)。Silicon Labs（亦“芯科科技”）將通過本篇技術(shù)文章說明如何最大限度地提高物聯(lián)網(wǎng)項目的效率，歡迎點擊“閱讀原文”觀看完整文章。

實時內(nèi)核是當(dāng)今許多嵌入式系統(tǒng)中運行的軟件的核心。簡單說，內(nèi)核是一個調(diào)度程序；為基于內(nèi)核的系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序代碼的開發(fā)人員將代碼分為任務(wù)，內(nèi)核負責(zé)安排這些任務(wù)。那么，內(nèi)核是main()中無限循環(huán)的替代方法，它常常作為裸機(bare-metal)嵌入式系統(tǒng)中的主要調(diào)度機制。使用實時內(nèi)核提供了重要優(yōu)點，包括提高效率。選擇將其應(yīng)用代碼基于內(nèi)核的開發(fā)人員可以優(yōu)化其系統(tǒng)中處理器資源的使用，同時更有效地利用自己的時間。然而，并不是所有的內(nèi)核都生而相同，因此簡單地決定在新項目中采用內(nèi)核，并不能保證效率的提升。

調(diào)度是內(nèi)核可能不同且CPU資源的使用效率可以有很大差異的關(guān)鍵領(lǐng)域。通過提供一種允許任務(wù)以響應(yīng)事件的方式運行的智能調(diào)度機制，內(nèi)核可幫助開發(fā)人員在無限循環(huán)中提升效率；其中以固定順序執(zhí)行任務(wù)(或換句話說，函數(shù))?；趦?nèi)核的應(yīng)用程序的確切效率部分取決于其調(diào)度程序的實現(xiàn)方式。一個內(nèi)核的調(diào)度程序(只是一段負責(zé)決定每個任務(wù)何時運行的代碼)最終是種開銷，這個開銷必須不能蠶食掉通過擺脫裸機系統(tǒng)獲得的好處。

通常，在實時內(nèi)核中，調(diào)度是基于優(yōu)先級的，這意味著應(yīng)用程序開發(fā)人員為其任務(wù)分配優(yōu)先級(通常為數(shù)字)，并且在做出調(diào)度決策時，內(nèi)核支持更高優(yōu)先級的任務(wù)運行。在這種機制下，內(nèi)核必須保持某種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、跟蹤應(yīng)用程序不同任務(wù)的優(yōu)先級以及每個任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。

從Micrium的-C/OS-II內(nèi)核獲取的一個例子如圖1所示。在OSRdyTbl []中，這里顯示的是8元素數(shù)組(每元素八位)，每個位表示不同的任務(wù)優(yōu)先級；其中：第一個元素中的最低有效位對應(yīng)最高優(yōu)先級；最后一個元素中的最高有效位表示最低優(yōu)先級。數(shù)組的位值反映任務(wù)狀態(tài)：如果相關(guān)優(yōu)先級的任務(wù)準備就緒，則用值1表示；若任務(wù)未準備就緒，就用0表示。作為-C / O S - I I調(diào)度程序的一部分，附帶的OSRdyTbl []是圖中所示的單個八位變量—OSRdyGrp。

圖1：在μC/OS-II調(diào)度程序中，每個任務(wù)優(yōu)先級由數(shù)組中的位表示

該變量中的每個位表示數(shù)組中的一整行或元素：1位表示對應(yīng)的行至少有一個就緒任務(wù)；0位表示該行的任務(wù)都沒就緒。通過使用清單1中所示的代碼首先掃描OSRdyGrp、再掃描OSRdyTbl[]，-C/OS-II可以確定在任何給定時間已準備好運行的最高優(yōu)先級任務(wù)。如列表所示，此操作很高效，只需要兩行C代碼。當(dāng)然，緊湊、高效的代碼只是開發(fā)人員在內(nèi)核中尋求的特性之一。鑒于大多數(shù)新MCU提供的閃存要相對多于RAM，對于開發(fā)人員來說，考慮內(nèi)核所占用空間的數(shù)據(jù)端也很重要。對于內(nèi)核的調(diào)度程序來說，臃腫的RAM占用會導(dǎo)致過多開銷，從而減少多任務(wù)應(yīng)用程序代碼通常帶來的好處。

內(nèi)核可以采用兩種方法來分配多任務(wù)所需的基本資源：分配這些資源的責(zé)任可以留給應(yīng)用代碼；或者內(nèi)核本身可以處理分配。在任何內(nèi)核中必然會存在某些變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因為它們對于執(zhí)行多任務(wù)服務(wù)至關(guān)重要，所以這些變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全放在內(nèi)核中。然而，對諸如用于記錄每個任務(wù)狀態(tài)的TCB(或任務(wù)控制塊)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或甚至對于在上下文切換時存儲CPU寄存器值的堆棧，內(nèi)核提供者可以選擇在內(nèi)部分配或依賴應(yīng)用代碼實現(xiàn)。

任何一種方法，如果實現(xiàn)時以靈活性為目標之一，都可以產(chǎn)生一個高效內(nèi)核。延遲將資源分配給應(yīng)用代碼也許是為開發(fā)人員提供最大靈活性的方法，因為它為靜態(tài)，或動態(tài)分配機制留有選擇。 Micrium的-C/OS-III采用這種方法，讓應(yīng)用程序開發(fā)人員決定如何最好地分配其TCB和堆棧。然而，如同Micrium的-C/OS-II中的TCB情況一樣，強制在內(nèi)核中實施資源分配可以是同樣有效的方法，只要有能配置所分配資源量的方法即可。最終，應(yīng)用開發(fā)人員需要一種從系統(tǒng)的內(nèi)存空間中消除未使用資源的方法。

大多數(shù)設(shè)備需要存儲數(shù)據(jù)和日志事件的選項，作為在傳送到云之前的臨時保存空間、或者是更長久地存儲在設(shè)備上。為此目的設(shè)計的任何代碼都是文件系統(tǒng)，無論是由開發(fā)人員編寫和測試的、還是作為RTOS方案的一部分提供。文件系統(tǒng)還可以提供效率選項。其范圍可從簡單(保留多少內(nèi)存緩沖區(qū))到復(fù)雜(是否支持完整的POSIX操作)。

開發(fā)人員應(yīng)從其數(shù)據(jù)存儲要求開始。該數(shù)據(jù)是否在現(xiàn)場進行操作？或僅存儲并稍后傳送？要測量多少內(nèi)容？其數(shù)據(jù)應(yīng)該分開或組合嗎？在對設(shè)備實施數(shù)據(jù)采集前先行存儲數(shù)據(jù)嗎？還是將其傳送到云？存儲介質(zhì)有多可靠？設(shè)計能完全免受電源故障的影響嗎？首先，一些RTOS提供類似FAT的文件系統(tǒng)。這包括使用標準介質(zhì)格式(包括文件夾和文件) 執(zhí)行I /O的代碼。一般來說，其可定制程度受限，很少能防范電源故障時的數(shù)據(jù)丟失。

另一個選擇是Datalight的RelianceEdge，它使用交易點(transactionpoint)來提供里令人興奮的是：設(shè)計的靈活性如何有助于提高效率。Reliance Edge提供存儲選項的定制。在最小用例中，稱為“文件系統(tǒng)要素”，不使用文件夾甚至文件名。數(shù)據(jù)存儲到編號的inode中。這些位置的計數(shù)在編譯時確定，但大小不是預(yù)先確定的。一個“文件”可以包含比其它文件更多的數(shù)據(jù)，并且僅當(dāng)“文件”的總大小達到閾值時，存儲介質(zhì)才裝滿。還可自由地對文件進行截取、讀取和寫入。

相比之下，FAT格式的文件系統(tǒng)具有專用于兩個文件分配表的介質(zhì)塊。對于每個用戶數(shù)據(jù)文件，分配了文件名和元數(shù)據(jù)—前者可能相當(dāng)大以支持長文件名。如果使用子文件夾，其元數(shù)據(jù)和長文件名也將占用空間。所有這些都會導(dǎo)致存儲介質(zhì)上所收集的用戶數(shù)據(jù)可用空間變少。

對于較大的設(shè)計，Reliance Edge提供了更像POSIX的環(huán)境。這里的文件名、文件夾和文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)(如屬性以及數(shù)據(jù)和時間)是一個可配置選項。對于期望從其它設(shè)計移植POSIX接口的應(yīng)用來說，這可能是個非常好的選擇。最終，文件系統(tǒng)要求的最終選擇與用例直接相關(guān)，這是迄今為止最有效的資源方案。

除了資源使用問題之外，多年來，在購買內(nèi)核、文件系統(tǒng)和其他軟件模塊時，效率一直是開發(fā)者關(guān)注的頭等大事。這是因為用于證明采用這種模塊的理由通常是：從頭開始編寫等效的代碼是浪費時間。換句話說，應(yīng)用開發(fā)人員最有效的時間利用是編寫應(yīng)用程序，而不是死磕數(shù)萬行的基礎(chǔ)架構(gòu)代碼。

然而，正如內(nèi)核和文件系統(tǒng)的使用本身并不能保證CPU資源的有效應(yīng)用一樣，將這些模塊引入新項目的決定，也不會自動確保開發(fā)人員能最有效地使用其時間。為了真正讓開發(fā)人員專注于應(yīng)用級代碼，嵌入式軟件模塊必須具有直觀的界面，并且該界面必須有詳盡文檔。在沒有有用文檔的情況下，開發(fā)人員可能要花數(shù)周的時間來解決事后證明是函數(shù)誤用導(dǎo)致的問題。

不幸的是，如果不能可靠地實現(xiàn)所描述的功能，甚至文檔編寫良好的代碼也會不必要地浪費開發(fā)時間。這就是為什么除了要求完整的文檔外，開發(fā)人員在為新項目選擇軟件時，應(yīng)尋求可靠性證據(jù)—例如過去的認證或測試結(jié)果。實際上，每個軟件模塊在宣傳文獻中都是可靠的，但只有部分模塊提供了可靠證明，能保證它們“言行一致”。

例如，Datalight的Reliance Edge就有用于各種不同測試的源代碼，允許應(yīng)用開發(fā)人員確認文件系統(tǒng)在特定開發(fā)環(huán)境中能否可靠運行。示例：開發(fā)具最高效率的IoT醫(yī)療設(shè)備什么類型的開發(fā)環(huán)境可能出現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)項目中？鑒于嵌入式設(shè)備中連接需求的快速增長，不可能確定一種硬件、軟件和工具鏈的特定組合來界定這個范圍。找到完全代表物聯(lián)網(wǎng)可能性范圍的單一終端產(chǎn)品同樣具有挑戰(zhàn)性。盡管如此，這一領(lǐng)域的討論當(dāng)然可以從具體的例子中受益。一種有助于說明物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者面臨的一些挑戰(zhàn)的產(chǎn)品，就是在幾年之前甚至不會被認為是種連接設(shè)備的—血糖儀。

該產(chǎn)品的關(guān)鍵特征之一是市場容量：血糖儀每年的產(chǎn)量有數(shù)百萬，并且往往以低于成本的價格出售，甚至免費贈送。因此，降低BOM成本，并最短化這些儀器開發(fā)時間的壓力很大。不過，開發(fā)這些設(shè)備并不容易。事實上，新血糖儀的功能列表可能包括彩色顯示、數(shù)據(jù)記錄功能和云連接。面對如此復(fù)雜的需求列表，負責(zé)血糖儀開發(fā)的團隊當(dāng)然希望利用內(nèi)核的多任務(wù)功能。優(yōu)化內(nèi)核的內(nèi)存占用可能是該團隊的首要關(guān)注點之一，因為典型的高產(chǎn)量、低成本MCU往往只有有限的閃存和RAM資源。減少空間占用的關(guān)鍵步驟是刪除應(yīng)用代碼不需要的任何內(nèi)核資源(如TCB)。消除應(yīng)用的各種內(nèi)核管理任務(wù)所需的堆棧中的浪費也將會有幫助。

像Micrium的-C/Probe這樣的工具，可用于實現(xiàn)這一目標，其截圖如圖2所示。-C/Probe可以深入了解基于內(nèi)核的應(yīng)用的棧(stack)和堆(heap)的使用情況，使開發(fā)人員能夠輕松識別低效并提高效率。當(dāng)實施血糖儀的數(shù)據(jù)記錄功能時，儀器的開發(fā)團隊將受益于文件系統(tǒng)的功能。在此，與內(nèi)核一樣，使用現(xiàn)成的軟件模塊可以減輕團隊開發(fā)基礎(chǔ)架構(gòu)代碼的負擔(dān)，從而有助于實現(xiàn)短得多、具成本效益的開發(fā)周期。處理器資源使用作為系統(tǒng)的總體約束之一，在開發(fā)數(shù)據(jù)記錄代碼時不可避免地需要予以考慮，因此使用高效的事務(wù)文件系統(tǒng)是理想情況。

圖2：FAT文件系統(tǒng)與Reliance Edge (資料來源：Datalight)

借助Reliance Edge等文件系統(tǒng)方案，開發(fā)團隊可以輕松地將服務(wù)縮減到最低限度，以便為應(yīng)用程序留出盡可能多的存儲空間。

圖3：μC/Probe提供對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運行時訪問，包括內(nèi)核統(tǒng)計信息(來源：Micrium)。

雖然每個嵌入式系統(tǒng)都有其獨特的需求，但是適用于最大限度提高血糖儀效率的方法可以很容易地用于開發(fā)其它類設(shè)備。組件重用早已被公認為軟件開發(fā)的最佳實踐，血糖儀所需的許多基礎(chǔ)架構(gòu)代碼(包括實時內(nèi)核和文件系統(tǒng))可以作為其它設(shè)備的基礎(chǔ)，除了替換少數(shù)底層代碼外，僅需很少改動。通過選擇質(zhì)量有保證的現(xiàn)成的組件作為項目基礎(chǔ)，開發(fā)團隊可以確保自己的資源以及嵌入式硬件的有效利用，并且可以專注于編寫創(chuàng)新的應(yīng)用代碼，使其設(shè)計在眾多的產(chǎn)品中脫穎而出。物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的曙光已經(jīng)開始閃亮