高整合度多核架構(gòu)誕生　M2M系統(tǒng)開發(fā)可望加速

機(jī)器對機(jī)器（M2M）系統(tǒng)開發(fā)可望更加快速?，F(xiàn)今M2M產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，往往須耗費(fèi)大量資源與工程周期處理基礎(chǔ)的系統(tǒng)整合工作，而無暇顧及應(yīng)用價(jià)值的提升，因此M2M模組廠推出更高整合度的多核心解決方案，以降低導(dǎo)入設(shè)計(jì)門檻。

蜂巢式機(jī)器對機(jī)器（M2M）應(yīng)用市場將呈現(xiàn)巨大的增長潛力。據(jù)分析師預(yù)測，至2020年全球?qū)⒂幸话俣畠|臺M2M連接設(shè)備。即便如此，市場中依然存在一些技術(shù)障礙，使M2M應(yīng)用無法如預(yù)期迅速拓展。

實(shí)際上，將M2M應(yīng)用從概念階段過渡到市場推廣階段仍然是一個(gè)復(fù)雜、耗時(shí)且昂貴的過程。最大難題系須要整合M2M系統(tǒng)的所有重要元件，如無線數(shù)據(jù)機(jī)、應(yīng)用處理器（AP）、低功耗微控制器（MCU）、特殊硬件介面、作業(yè)系統(tǒng)、應(yīng)用架構(gòu)及云端連接等，將該系統(tǒng)打造為適用于所有M2M應(yīng)用的客制解決方案，但結(jié)果往往不盡如人意。原始設(shè)備制造商（OEM）和企業(yè)花費(fèi)大量資源和工程周期執(zhí)行基礎(chǔ)的系統(tǒng)整合任務(wù)，而無暇顧及可提供最大價(jià)值的地方，亦即應(yīng)用端本身。

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

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

以司亞樂無線通訊（Sierra Wireless）的預(yù)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(tǒng)，以簡化M2M應(yīng)用的開發(fā)和部署過程。以此為基礎(chǔ)，安謀國際（ARM）提供超節(jié)能Cortex-M系列處理器做為司亞樂多核解決方案的一部分，為采用此創(chuàng)新成果的新M2M應(yīng)用的開發(fā)提供有力支援。這將為更快速、更高效、更經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建M2M解決方案搭建一個(gè)功能強(qiáng)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(yīng)用到更為廣泛的應(yīng)用中。

M2M方案開發(fā)邁入新里程碑

M2M市場日新月異，眾多中小型企業(yè)現(xiàn)已開始將M2M應(yīng)用于不同的商業(yè)需求和產(chǎn)品中。M2M開發(fā)所帶來的長尾效應(yīng)是技術(shù)革新過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(guī)模較小的公司。

首先，對于組織而言，開發(fā)新的M2M應(yīng)用、為其構(gòu)建原型和確定規(guī)模仍需要很長時(shí)間。與智能手機(jī)和PC等其他技術(shù)平臺不同，開發(fā)者無法使用預(yù)先整合的晶片組和平臺來建立自己的M2M解決方案。更確切地說，對于每個(gè)新的M2M應(yīng)用，開發(fā)者幾乎得從頭開始構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)。在著手測試并認(rèn)證一個(gè)新的解決方案之前，工程師們必須花費(fèi)寶貴的時(shí)間和資源整合所有系統(tǒng)元件，包括無線數(shù)據(jù)機(jī)或模組、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)、與所連接設(shè)備或感測器通訊的介面、記憶體、控制整個(gè)架構(gòu)的獨(dú)立處理器。

這種方法大大拖延將全新M2M解決方案推向市場的時(shí)間，并使M2M的開發(fā)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期。從開發(fā)者的角度來看，由于無法提取M2M硬件和快速構(gòu)建新解決方案的原型，也因此阻礙了創(chuàng)新的步伐。

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

預(yù)整合模組方案崛起

在預(yù)整合晶片上提供整套系統(tǒng)架構(gòu)的趨勢已經(jīng)席卷其他多個(gè)應(yīng)用市場，將成為M2M發(fā)展的下一步。例如，之前的智能手機(jī)都是使用由制造商整合的獨(dú)立應(yīng)用處理器和數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)建而成的。如今，大多數(shù)智能手機(jī)制造商都使用提供了所有基本運(yùn)算功能的完全整合式晶片組，然后在該晶片組的基礎(chǔ)上構(gòu)建自己的解決方案。通過簡化蜂巢式生態(tài)系統(tǒng)和價(jià)值鏈，這些預(yù)先整合的架構(gòu)已經(jīng)為智能手機(jī)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(xiàn)?，F(xiàn)在，上述優(yōu)勢同樣可以應(yīng)用到M2M市場中。

隨插即用應(yīng)用程序架構(gòu)成形

正如開發(fā)者不得不從頭開始整合M2M硬件一樣，為運(yùn)作M2M解決方案，他們也不得不開發(fā)整個(gè)軟件。為支援這些工作所提供的開發(fā)工具，通常是保密和私有的，并且是專門針對特定供應(yīng)商的硬件和開發(fā)環(huán)境構(gòu)建的。如今，開發(fā)者第一次使用到開放的嵌入式應(yīng)用程序架構(gòu)，并真切體驗(yàn)到其所帶來的諸多好處。借助這些架構(gòu)，開發(fā)者可以自由使用大量的M2M開發(fā)工具，例如專為M2M應(yīng)用設(shè)計(jì)的作業(yè)系統(tǒng)、一系列的大型軟件庫、功能強(qiáng)大且便于使用的整合式開發(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(jié)合M2M云端管理

要成功部署M2M方案，需要可擴(kuò)展的裝置管理，以便客戶能夠更新韌體和軟件應(yīng)用程序、可配置設(shè)備。借助全新云端管理平臺，OEM和企業(yè)可通過無線方式對部署的數(shù)百萬臺設(shè)備進(jìn)行管理（圖1）。

圖1智能設(shè)備及云端服務(wù)概覽

高效能微處理器現(xiàn)身

為滿足更廣泛的M2M應(yīng)用需求，微處理器供應(yīng)商專門針對M2M應(yīng)用重新設(shè)計(jì)并開發(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(shè)備的電源并中斷處理功能，盡量減少設(shè)備空轉(zhuǎn)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(shè)備的多年運(yùn)行。

M2M技術(shù)是一項(xiàng)前瞻技術(shù)，許多開發(fā)者在尋找資源和指導(dǎo)內(nèi)容時(shí)會遇到一些困難。如今，有一個(gè)龐大且不斷壯大的M2M開發(fā)者社群可以為開發(fā)者排憂解難。在這里，開發(fā)者可以為M2M應(yīng)用開發(fā)以及這些應(yīng)用所使用的低功耗處理器找到包含公用程式、專業(yè)知識和開放原始碼的整合式開發(fā)環(huán)境。

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

多核架構(gòu)

包括蜂巢式連接設(shè)備和一個(gè)專門用于M2M應(yīng)用的處理器。此架構(gòu)將M2M生態(tài)系統(tǒng)整合在一個(gè)模組上，不但可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低系統(tǒng)總成本，還可以大幅降低功耗。

確保云端服務(wù)的內(nèi)部連接

內(nèi)部連接可將機(jī)器資料與企業(yè)應(yīng)用程序簡單地整合在一起。便捷的遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理可輕松拓展至數(shù)百萬臺設(shè)備。這些整合的云端功能可為OEM提供預(yù)先封裝在嵌入式應(yīng)用程序框架內(nèi)的用戶身分模組（SIM）卡、應(yīng)用程序資料和M2M設(shè)備的無線管理等所需的一切技術(shù)支援。

開放式應(yīng)用架構(gòu)

內(nèi)含隨插即用功能區(qū)塊，包括大量M2M函式庫和開發(fā)工具，可為嵌入式軟件開發(fā)者節(jié)省時(shí)間，并將其產(chǎn)品快速推向市場。

透過在一個(gè)模組上提供一套完整的M2M生態(tài)系統(tǒng)，業(yè)界廠商在簡化嵌入式無線通訊的整合、縮短M2M應(yīng)用上市時(shí)間的方向邁出了重要一步。最終，開發(fā)者能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間花費(fèi)在核心應(yīng)用和商業(yè)模型的開發(fā)和創(chuàng)新方面，而不必?fù)?dān)心整合無線通訊所面臨的挑戰(zhàn)。

Cortex-M0結(jié)合NVIC提升M2M方案功耗表現(xiàn)

ARM在研發(fā)低功耗技術(shù)方面經(jīng)驗(yàn)豐富，所生產(chǎn)的微處理器特別適用于手持設(shè)備和電池驅(qū)動設(shè)備。ARM Cortex-M系列處理器經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)和優(yōu)化，專用于對成本和電源敏感的嵌入式應(yīng)用。其中包括適用于終端應(yīng)用的MCU和混合訊號設(shè)備，例如智能型儀器表、人機(jī)周邊設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、消費(fèi)類產(chǎn)品和醫(yī)療儀器等。

許多微控制器用于電池供電設(shè)備中，而對于此類設(shè)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(shè)備，包括類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)位類比轉(zhuǎn)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(shè)備控制過程占用了微控制器的大多數(shù)執(zhí)行時(shí)間。

考慮到上述應(yīng)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(shù)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(tǒng)的微控制器而言，對中斷進(jìn)行有效的即時(shí)回應(yīng)十分關(guān)鍵。這些低功耗系統(tǒng)通常以「快速運(yùn)行后停止」這一方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。如同電池供電設(shè)備，在此類系統(tǒng)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，直到須要透過周邊事件執(zhí)行某項(xiàng)操作）中喚醒。

為滿足這一要求，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。通過將處理器內(nèi)核與NVIC緊密整合，Cortex-M0處理器可快速執(zhí)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(shè)計(jì)，NVIC整合睡眠模式，該模式包括一個(gè)可使整個(gè)設(shè)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(xí)和使用。Cortex-M系列處理器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，對C語言十分友好，幾乎所有操作都可以在C語言環(huán)境中實(shí)現(xiàn)程式設(shè)計(jì)。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(biāo)準(zhǔn)（CMSIS）可使學(xué)習(xí)過程變得更加輕松。CMSIS-Core函式庫為處理器特色提供接取功能標(biāo)頭檔（Accesss Function Header File），使周邊設(shè)備定義外觀在基于Cortex-M處理器的不同設(shè)備中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

所有主要的微控制器供應(yīng)商均提供與CMSIS相容的裝置驅(qū)動程式庫，便于軟件開發(fā)者在基于Cortex-M處理器的設(shè)備上進(jìn)行軟件開發(fā)。CMSIS-Core函式庫中包含用于設(shè)置和使用周邊設(shè)備的所有周邊設(shè)備暫存器定義和驅(qū)動程式功能。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(fèi)的數(shù)位訊號處理器（DSP）庫，它允許軟件開發(fā)者使用Cortex-M處理器快速方便地創(chuàng)建DSP應(yīng)用，而毋須支付任何版稅或許可費(fèi)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(yùn)行。

對于復(fù)雜專案的開發(fā)，ARM軟件生態(tài)系統(tǒng)絕對是一個(gè)不可或缺的資源。超過三十個(gè)作業(yè)系統(tǒng)可在Cortex-M系列處理器上工作。此外，工具供應(yīng)商和微控制器供應(yīng)商還提供大量的中介軟件套裝軟件，其中包括許多免費(fèi)的存儲庫。

通過mbed為開發(fā)者提供說明

為幫助開發(fā)者快速輕松地開發(fā)MCI設(shè)計(jì)原型，ARM與其合作伙伴以及快速壯大的線上社群聯(lián)合開發(fā)了線上mbed平臺。mbed平臺提供了一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的C/C++軟件發(fā)展包（SDK）、一個(gè)微控制器硬件開發(fā)包（HDK）以及一些受支援的開發(fā)板、一個(gè)線上編譯器和線上開發(fā)者協(xié)作工具，旨在說明開發(fā)者快速、專業(yè)地開發(fā)出基于ARM微控制器的產(chǎn)品原型。

適用于蜂巢式連接設(shè)備的節(jié)能架構(gòu)

如今，OEM和企業(yè)可以構(gòu)建出比以往更加節(jié)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預(yù)整合多核架構(gòu)結(jié)合，使新解決方案具有以下優(yōu)勢：

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

。與傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)相比，預(yù)整合模組尺寸更小，再加上可使用更小電池運(yùn)行的低功耗ARM微處理器，可減小尺寸、降低功耗。

。開發(fā)者毋須執(zhí)行復(fù)雜且耗時(shí)的基礎(chǔ)系統(tǒng)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(yīng)用的專用應(yīng)用程序內(nèi)核，從而提高性能。

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

。由于采用為適應(yīng)不同市場運(yùn)營商網(wǎng)路的獨(dú)特要求而開發(fā)的預(yù)整合硬件、軟件和云端管理區(qū)塊，從而減少測試和認(rèn)證要求，進(jìn)而簡化部署過程。

。蓬勃發(fā)展的M2M開發(fā)者社群可提供支援、開發(fā)和原型設(shè)計(jì)的相關(guān)工具，因此規(guī)模較小以及新進(jìn)入M2M領(lǐng)域的公司仍可創(chuàng)新、成功開發(fā)M2M應(yīng)用。

未來M2M創(chuàng)新合作伙伴關(guān)系

全新M2M技術(shù)創(chuàng)新成果著實(shí)能帶來誘人的回報(bào)，但OEM和企業(yè)須對自己充滿信心，即使他們在以不同的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，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(yīng)商和無線供應(yīng)商，轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰苤铝τ谡f明他們解決商業(yè)挑戰(zhàn)并走向成功的合作伙伴。