高整合度多核架構(gòu)誕生　M2M系統(tǒng)開發(fā)可望加速

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

蜂巢式機器對機器（M2M）應用市場將呈現(xiàn)巨大的增長潛力。據(jù)分析師預測，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應用無法如預期迅速拓展。

實際上，將M2M應用從概念階段過渡到市場推廣階段仍然是一個復雜、耗時且昂貴的過程。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、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(tǒng)、應用架構(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)花費大量資源和工程周期執(zhí)行基礎(chǔ)的系統(tǒng)整合任務，而無暇顧及可提供最大價值的地方，亦即應用端本身。

與此同時，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應用如計量、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應用毫無用武之地。

蜂巢式連接設(shè)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、太陽能和能源采集）運行時具有較長使用壽命的關(guān)鍵所在。遠端環(huán)境監(jiān)控設(shè)備和穿戴式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備是兩個典型的應用案例，但在以前，這些都是蜂巢式M2M方案無法觸及的領(lǐng)域。上述兩個實例都要求設(shè)備在低功耗感測器監(jiān)控模式下長時間運作，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)控與不定期臨時無線接入的混合模式要求，業(yè)界須謹慎考慮系統(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）的預整合多核解決方案為例，即在一個模組上提供一套完整的M2M生態(tài)系統(tǒng)，以簡化M2M應用的開發(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應用的開發(fā)提供有力支援。這將為更快速、更高效、更經(jīng)濟地構(gòu)建M2M解決方案搭建一個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應用、為其構(gòu)建原型和確定規(guī)模仍需要很長時間。與智能手機和PC等其他技術(shù)平臺不同，開發(fā)者無法使用預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，對于每個新的M2M應用，開發(fā)者幾乎得從頭開始構(gòu)建整個系統(tǒng)架構(gòu)。在著手測試并認證一個新的解決方案之前，工程師們必須花費寶貴的時間和資源整合所有系統(tǒng)元件，包括無線數(shù)據(jù)機或模組、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等衛(wèi)星導航服務、與所連接設(shè)備或感測器通訊的介面、記憶體、控制整個架構(gòu)的獨立處理器。

這種方法大大拖延將全新M2M解決方案推向市場的時間，并使M2M的開發(fā)成本遠遠超過預期。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。

預整合模組方案崛起

在預整合晶片上提供整套系統(tǒng)架構(gòu)的趨勢已經(jīng)席卷其他多個應用市場，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(shù)據(jù)機構(gòu)建而成的。如今，大多數(shù)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(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)和價值鏈，這些預先整合的架構(gòu)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(xiàn)在，上述優(yōu)勢同樣可以應用到M2M市場中。

隨插即用應用程序架構(gòu)成形

正如開發(fā)者不得不從頭開始整合M2M硬件一樣，為運作M2M解決方案，他們也不得不開發(fā)整個軟件。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用程序架構(gòu)，并真切體驗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應用設(shè)計的作業(yè)系統(tǒng)、一系列的大型軟件庫、功能強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，需要可擴展的裝置管理，以便客戶能夠更新韌體和軟件應用程序、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)備進行管理（圖1）。

圖1智能設(shè)備及云端服務概覽

高效能微處理器現(xiàn)身

為滿足更廣泛的M2M應用需求，微處理器供應商專門針對M2M應用重新設(shè)計并開發(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)等先進功能，可迅速切斷整個設(shè)備的電源并中斷處理功能，盡量減少設(shè)備空轉(zhuǎn)時間。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)備的多年運行。

M2M技術(shù)是一項前瞻技術(shù)，許多開發(fā)者在尋找資源和指導內(nèi)容時會遇到一些困難。如今，有一個龐大且不斷壯大的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應用開發(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、專業(yè)知識和開放原始碼的整合式開發(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(tǒng)，其內(nèi)容包括：

多核架構(gòu)

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

確保云端服務的內(nèi)部連接

內(nèi)部連接可將機器資料與企業(yè)應用程序簡單地整合在一起。便捷的遠端系統(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提供預先封裝在嵌入式應用程序框架內(nèi)的用戶身分模組（SIM）卡、應用程序資料和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)省時間，并將其產(chǎn)品快速推向市場。

透過在一個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應用上市時間的方向邁出了重要一步。最終，開發(fā)者能夠?qū)⒏嗟臅r間花費在核心應用和商業(yè)模型的開發(fā)和創(chuàng)新方面，而不必擔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)計和優(yōu)化，專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(shè)備，例如智能型儀器表、人機周邊設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、消費類產(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(shù)嵌入式軟件的一個主要功能，而對于用于控制低功耗系統(tǒng)的微控制器而言，對中斷進行有效的即時回應十分關(guān)鍵。這些低功耗系統(tǒng)通常以「快速運行后停止」這一方法實現(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)行某項操作）中喚醒。

為滿足這一要求，Cortex-M0處理器緊密整合一個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)行插斷服務常式（ISR），并可大幅縮短中斷延遲時間。為優(yōu)化低功耗設(shè)計，NVIC整合睡眠模式，該模式包括一個可使整個設(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系列處理器易于學習和使用。Cortex-M系列處理器經(jīng)過專門設(shè)計，對C語言十分友好，幾乎所有操作都可以在C語言環(huán)境中實現(xiàn)程式設(shè)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）可使學習過程變得更加輕松。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)備中實現(xiàn)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(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的另一個有用部分是免費的數(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處理器進行優(yōu)化，但在性能要求較低時，也可以在Cortex-M0處理器上運行。

對于復雜專案的開發(fā)，ARM軟件生態(tài)系統(tǒng)絕對是一個不可或缺的資源。超過三十個作業(yè)系統(tǒng)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平臺提供了一個基于標準的C/C++軟件發(fā)展包（SDK）、一個微控制器硬件開發(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)品上市時間。

。與傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)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。

。開發(fā)者毋須執(zhí)行復雜且耗時的基礎(chǔ)系統(tǒng)整合任務，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)成本并縮短上市時間。

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

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

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

。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)計的相關(guān)工具，因此規(guī)模較小以及新進入M2M領(lǐng)域的公司仍可創(chuàng)新、成功開發(fā)M2M應用。

未來M2M創(chuàng)新合作伙伴關(guān)系

全新M2M技術(shù)創(chuàng)新成果著實能帶來誘人的回報，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現(xiàn)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)供應商和無線供應商，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。