高整合度多核架構誕生　M2M系統開(kāi)發(fā)可望加速

機器對機器（M2M）系統開(kāi)發(fā)可望更加快速?，F今M2M產(chǎn)品設計人員，往往須耗費大量資源與工程周期處理基礎的系統整合工作，而無(wú)暇顧及應用價(jià)值的提升，因此M2M模組廠(chǎng)推出更高整合度的多核心解決方案，以降低導入設計門(mén)檻。

蜂巢式機器對機器（M2M）應用市場(chǎng)將呈現巨大的增長(cháng)潛力。據分析師預測，至2020年全球將有一百二十億臺M2M連接設備。即便如此，市場(chǎng)中依然存在一些技術(shù)障礙，使M2M應用無(wú)法如預期迅速拓展。

實(shí)際上，將M2M應用從概念階段過(guò)渡到市場(chǎng)推廣階段仍然是一個(gè)復雜、耗時(shí)且昂貴的過(guò)程。最大難題系須要整合M2M系統的所有重要元件，如無(wú)線(xiàn)數據機、應用處理器（AP）、低功耗微控制器（MCU）、特殊硬件介面、作業(yè)系統、應用架構及云端連接等，將該系統打造為適用于所有M2M應用的客制解決方案，但結果往往不盡如人意。原始設備制造商（OEM）和企業(yè)花費大量資源和工程周期執行基礎的系統整合任務(wù)，而無(wú)暇顧及可提供最大價(jià)值的地方，亦即應用端本身。

與此同時(shí)，重大的技術(shù)障礙也存在著(zhù)，主要體現在M2M設備內需要更節能的微處理器。許多M2M應用如計量、工業(yè)設備、能源生成和勘探、數位看板等眾多領(lǐng)域，必須常年在沒(méi)有易取得電源的環(huán)境下工作。如果沒(méi)有高效、小型的電源選擇，許多M2M解決方案可能會(huì )變得更加笨重、難以部署，且另一方面，缺少高效低功耗微處理器也意味著(zhù)M2M應用毫無(wú)用武之地。

蜂巢式連接設備以超低功耗模式運作的能力，將成為M2M應用使用有限電源（例如電池、太陽(yáng)能和能源采集）運行時(shí)具有較長(cháng)使用壽命的關(guān)鍵所在。遠端環(huán)境監控設備和穿戴式醫療監控設備是兩個(gè)典型的應用案例，但在以前，這些都是蜂巢式M2M方案無(wú)法觸及的領(lǐng)域。上述兩個(gè)實(shí)例都要求設備在低功耗感測器監控模式下長(cháng)時(shí)間運作，偶爾須透過(guò)無(wú)線(xiàn)連接將資料推送到云端。有鑒于低功耗監控與不定期臨時(shí)無(wú)線(xiàn)接入的混合模式要求，業(yè)界須謹慎考慮系統和架構，以便將這兩種模式有效地融合在一起。

以司亞樂(lè )無(wú)線(xiàn)通訊（Sierra Wireless）的預整合多核解決方案為例，即在一個(gè)模組上提供一套完整的M2M生態(tài)系統，以簡(jiǎn)化M2M應用的開(kāi)發(fā)和部署過(guò)程。以此為基礎，安謀國際（ARM）提供超節能Cortex-M系列處理器做為司亞樂(lè )多核解決方案的一部分，為采用此創(chuàng )新成果的新M2M應用的開(kāi)發(fā)提供有力支援。這將為更快速、更高效、更經(jīng)濟地構建M2M解決方案搭建一個(gè)功能強大的全新平臺。最終，OEM和企業(yè)將能夠利用這些創(chuàng )新技術(shù)將M2M創(chuàng )新產(chǎn)品應用到更為廣泛的應用中。

M2M方案開(kāi)發(fā)邁入新里程碑

M2M市場(chǎng)日新月異，眾多中小型企業(yè)現已開(kāi)始將M2M應用于不同的商業(yè)需求和產(chǎn)品中。M2M開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的長(cháng)尾效應是技術(shù)革新過(guò)程中必不可少的組成部分，但也是成功路上的絆腳石，尤其是對于規模較小的公司。

首先，對于組織而言，開(kāi)發(fā)新的M2M應用、為其構建原型和確定規模仍需要很長(cháng)時(shí)間。與智能手機和PC等其他技術(shù)平臺不同，開(kāi)發(fā)者無(wú)法使用預先整合的晶片組和平臺來(lái)建立自己的M2M解決方案。更確切地說(shuō)，對于每個(gè)新的M2M應用，開(kāi)發(fā)者幾乎得從頭開(kāi)始構建整個(gè)系統架構。在著(zhù)手測試并認證一個(gè)新的解決方案之前，工程師們必須花費寶貴的時(shí)間和資源整合所有系統元件，包括無(wú)線(xiàn)數據機或模組、全球衛星定位系統（GPS）等衛星導航服務(wù)、與所連接設備或感測器通訊的介面、記憶體、控制整個(gè)架構的獨立處理器。

這種方法大大拖延將全新M2M解決方案推向市場(chǎng)的時(shí)間，并使M2M的開(kāi)發(fā)成本遠遠超過(guò)預期。從開(kāi)發(fā)者的角度來(lái)看，由于無(wú)法提取M2M硬件和快速構建新解決方案的原型，也因此阻礙了創(chuàng )新的步伐。

幸運的是，M2M領(lǐng)域出現了重要的發(fā)展趨勢，這些挑戰也隨之漸漸消失，以下將逐一敘述。

預整合模組方案崛起

在預整合晶片上提供整套系統架構的趨勢已經(jīng)席卷其他多個(gè)應用市場(chǎng)，將成為M2M發(fā)展的下一步。例如，之前的智能手機都是使用由制造商整合的獨立應用處理器和數據機構建而成的。如今，大多數智能手機制造商都使用提供了所有基本運算功能的完全整合式晶片組，然后在該晶片組的基礎上構建自己的解決方案。通過(guò)簡(jiǎn)化蜂巢式生態(tài)系統和價(jià)值鏈，這些預先整合的架構已經(jīng)為智能手機制造商減小產(chǎn)品尺寸、提高性能以及降低材料成本方面做出貢獻?，F在，上述優(yōu)勢同樣可以應用到M2M市場(chǎng)中。

隨插即用應用程序架構成形

正如開(kāi)發(fā)者不得不從頭開(kāi)始整合M2M硬件一樣，為運作M2M解決方案，他們也不得不開(kāi)發(fā)整個(gè)軟件。為支援這些工作所提供的開(kāi)發(fā)工具，通常是保密和私有的，并且是專(zhuān)門(mén)針對特定供應商的硬件和開(kāi)發(fā)環(huán)境構建的。如今，開(kāi)發(fā)者第一次使用到開(kāi)放的嵌入式應用程序架構，并真切體驗到其所帶來(lái)的諸多好處。借助這些架構，開(kāi)發(fā)者可以自由使用大量的M2M開(kāi)發(fā)工具，例如專(zhuān)為M2M應用設計的作業(yè)系統、一系列的大型軟件庫、功能強大且便于使用的整合式開(kāi)發(fā)環(huán)境等，這將迅速加快M2M解決方案的嵌入式軟件發(fā)展。

結合M2M云端管理

要成功部署M2M方案，需要可擴展的裝置管理，以便客戶(hù)能夠更新韌體和軟件應用程序、可配置設備。借助全新云端管理平臺，OEM和企業(yè)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式對部署的數百萬(wàn)臺設備進(jìn)行管理（圖1）。

圖1智能設備及云端服務(wù)概覽

高效能微處理器現身

為滿(mǎn)足更廣泛的M2M應用需求，微處理器供應商專(zhuān)門(mén)針對M2M應用重新設計并開(kāi)發(fā)一系列低功耗解決方案。全新解決方案提供深度休眠狀態(tài)等先進(jìn)功能，可迅速切斷整個(gè)設備的電源并中斷處理功能，盡量減少設備空轉時(shí)間。這些功能可優(yōu)化電源效率，僅需一小顆電池就可維持設備的多年運行。

M2M技術(shù)是一項前瞻技術(shù)，許多開(kāi)發(fā)者在尋找資源和指導內容時(shí)會(huì )遇到一些困難。如今，有一個(gè)龐大且不斷壯大的M2M開(kāi)發(fā)者社群可以為開(kāi)發(fā)者排憂(yōu)解難。在這里，開(kāi)發(fā)者可以為M2M應用開(kāi)發(fā)以及這些應用所使用的低功耗處理器找到包含公用程式、專(zhuān)業(yè)知識和開(kāi)放原始碼的整合式開(kāi)發(fā)環(huán)境。

業(yè)界預整合M2M模組可提供一整套M2M生態(tài)系統，其內容包括：

多核架構

包括蜂巢式連接設備和一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于M2M應用的處理器。此架構將M2M生態(tài)系統整合在一個(gè)模組上，不但可以簡(jiǎn)化系統設計、降低系統總成本，還可以大幅降低功耗。

確保云端服務(wù)的內部連接

內部連接可將機器資料與企業(yè)應用程序簡(jiǎn)單地整合在一起。便捷的遠端系統管理可輕松拓展至數百萬(wàn)臺設備。這些整合的云端功能可為OEM提供預先封裝在嵌入式應用程序框架內的用戶(hù)身分模組（SIM）卡、應用程序資料和M2M設備的無(wú)線(xiàn)管理等所需的一切技術(shù)支援。

開(kāi)放式應用架構

內含隨插即用功能區塊，包括大量M2M函式庫和開(kāi)發(fā)工具，可為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)者節省時(shí)間，并將其產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。

透過(guò)在一個(gè)模組上提供一套完整的M2M生態(tài)系統，業(yè)界廠(chǎng)商在簡(jiǎn)化嵌入式無(wú)線(xiàn)通訊的整合、縮短M2M應用上市時(shí)間的方向邁出了重要一步。最終，開(kāi)發(fā)者能夠將更多的時(shí)間花費在核心應用和商業(yè)模型的開(kāi)發(fā)和創(chuàng )新方面，而不必擔心整合無(wú)線(xiàn)通訊所面臨的挑戰。

Cortex-M0結合NVIC提升M2M方案功耗表現

ARM在研發(fā)低功耗技術(shù)方面經(jīng)驗豐富，所生產(chǎn)的微處理器特別適用于手持設備和電池驅動(dòng)設備。ARM Cortex-M系列處理器經(jīng)過(guò)特殊設計和優(yōu)化，專(zhuān)用于對成本和電源敏感的嵌入式應用。其中包括適用于終端應用的MCU和混合訊號設備，例如智能型儀器表、人機周邊設備、汽車(chē)和工業(yè)控制系統、大型家用電器、消費類(lèi)產(chǎn)品和醫療儀器等。

許多微控制器用于電池供電設備中，而對于此類(lèi)設備而言，高效處理控制任務(wù)至關(guān)重要。微控制器可用于控制多種周邊設備，包括類(lèi)比數位轉換器（ADC）、數位類(lèi)比轉換器（DAC）、液晶顯示器（LCD）、SD卡、通用輸入/輸出（I/O）接腳等。在某些情況下，周邊設備控制過(guò)程占用了微控制器的大多數執行時(shí)間。

考慮到上述應用，Cortex-M0處理器也像該系列中的所有處理器一樣，具有許多創(chuàng )新功能。憑藉這些功能，控制器不但可以最大程度地減小體積，還可以在超低能耗下提供最佳性能。

「中斷」是大多數嵌入式軟件的一個(gè)主要功能，而對于用于控制低功耗系統的微控制器而言，對中斷進(jìn)行有效的即時(shí)回應十分關(guān)鍵。這些低功耗系統通常以「快速運行后停止」這一方法實(shí)現節能效果。如同電池供電設備，在此類(lèi)系統中功耗也非常重要，但有效的低延遲中斷處理對于低功耗操作而言，同時(shí)還可以將微控制器從休眠狀態(tài)（處理器暫停，直到須要透過(guò)周邊事件執行某項操作）中喚醒。

為滿(mǎn)足這一要求，Cortex-M0處理器緊密整合一個(gè)可配置的嵌套式向量中斷控制器（NVIC），以提供業(yè)界理想的中斷處理能力。通過(guò)將處理器內核與NVIC緊密整合，Cortex-M0處理器可快速執行插斷服務(wù)常式（ISR），并可大幅縮短中斷延遲時(shí)間。為優(yōu)化低功耗設計，NVIC整合睡眠模式，該模式包括一個(gè)可使整個(gè)設備迅速斷電的深度休眠功能。

Cortex-M系列便于使用

除中斷處理之外，還有許多其他因素使Cortex-M系列處理器易于學(xué)習和使用。Cortex-M系列處理器經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計，對C語(yǔ)言十分友好，幾乎所有操作都可以在C語(yǔ)言環(huán)境中實(shí)現程式設計。指令集可高效處理8位元、16位元、32位元甚至64位元資料。此外，由ARM自主研發(fā)的Cortex微控制器軟件介面標準（CMSIS）可使學(xué)習過(guò)程變得更加輕松。CMSIS-Core函式庫為處理器特色提供接取功能標頭檔（Accesss Function Header File），使周邊設備定義外觀(guān)在基于Cortex-M處理器的不同設備中實(shí)現標準化。

所有主要的微控制器供應商均提供與CMSIS相容的裝置驅動(dòng)程式庫，便于軟件開(kāi)發(fā)者在基于Cortex-M處理器的設備上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。CMSIS-Core函式庫中包含用于設置和使用周邊設備的所有周邊設備暫存器定義和驅動(dòng)程式功能。此外，CMSIS-Core函式庫的使用不受工具限制，具有更好的軟件可攜性，從而為軟件投資提供保障。

CMSIS的另一個(gè)有用部分是免費的數位訊號處理器（DSP）庫，它允許軟件開(kāi)發(fā)者使用Cortex-M處理器快速方便地創(chuàng )建DSP應用，而毋須支付任何版稅或許可費用。DSP庫針對Cortex-M4處理器進(jìn)行優(yōu)化，但在性能要求較低時(shí)，也可以在Cortex-M0處理器上運行。

對于復雜專(zhuān)案的開(kāi)發(fā)，ARM軟件生態(tài)系統絕對是一個(gè)不可或缺的資源。超過(guò)三十個(gè)作業(yè)系統可在Cortex-M系列處理器上工作。此外，工具供應商和微控制器供應商還提供大量的中介軟件套裝軟件，其中包括許多免費的存儲庫。

通過(guò)mbed為開(kāi)發(fā)者提供說(shuō)明

為幫助開(kāi)發(fā)者快速輕松地開(kāi)發(fā)MCI設計原型，ARM與其合作伙伴以及快速壯大的線(xiàn)上社群聯(lián)合開(kāi)發(fā)了線(xiàn)上mbed平臺。mbed平臺提供了一個(gè)基于標準的C/C++軟件發(fā)展包（SDK）、一個(gè)微控制器硬件開(kāi)發(fā)包（HDK）以及一些受支援的開(kāi)發(fā)板、一個(gè)線(xiàn)上編譯器和線(xiàn)上開(kāi)發(fā)者協(xié)作工具，旨在說(shuō)明開(kāi)發(fā)者快速、專(zhuān)業(yè)地開(kāi)發(fā)出基于A(yíng)RM微控制器的產(chǎn)品原型。

適用于蜂巢式連接設備的節能架構

如今，OEM和企業(yè)可以構建出比以往更加節能、更加靈活的M2M解決方案。ARM Cortex-M的低功耗微處理器與司亞樂(lè )預整合多核架構結合，使新解決方案具有以下優(yōu)勢：

。憑藉預整合架構、M2M開(kāi)發(fā)工具以及業(yè)界開(kāi)發(fā)社群的鼎力支援，可縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

。與傳統系統架構相比，預整合模組尺寸更小，再加上可使用更小電池運行的低功耗ARM微處理器，可減小尺寸、降低功耗。

。開(kāi)發(fā)者毋須執行復雜且耗時(shí)的基礎系統整合任務(wù)，提高工作效率；M2M方案可使用更少元件，從而降低整體開(kāi)發(fā)成本并縮短上市時(shí)間。

。M2M方案采用適用于蜂巢式連接和M2M應用的專(zhuān)用應用程序內核，從而提高性能。

。預整合模組可減少潛在攻擊者的侵入點(diǎn)，并根據每個(gè)應用的具體需求量身訂制一系列安全功能，顯著(zhù)提高安全性。

。由于采用為適應不同市場(chǎng)運營(yíng)商網(wǎng)路的獨特要求而開(kāi)發(fā)的預整合硬件、軟件和云端管理區塊，從而減少測試和認證要求，進(jìn)而簡(jiǎn)化部署過(guò)程。

。蓬勃發(fā)展的M2M開(kāi)發(fā)者社群可提供支援、開(kāi)發(fā)和原型設計的相關(guān)工具，因此規模較小以及新進(jìn)入M2M領(lǐng)域的公司仍可創(chuàng )新、成功開(kāi)發(fā)M2M應用。

未來(lái)M2M創(chuàng )新合作伙伴關(guān)系

全新M2M技術(shù)創(chuàng )新成果著(zhù)實(shí)能帶來(lái)誘人的回報，但OEM和企業(yè)須對自己充滿(mǎn)信心，即使他們在以不同的方式實(shí)現目標，也要相信自己一定可以取得成功。OEM正在從需要技術(shù)供應商和無(wú)線(xiàn)供應商，轉變?yōu)樾枰苤铝τ谡f(shuō)明他們解決商業(yè)挑戰并走向成功的合作伙伴。