高整合度多核架构诞生 M2M系统开发可望加速

　　机器对机器（M2M）系统开发可望更加快速。现今M2M产品设计人员，往往须耗费大量资源与工程周期处理基础的系统整合工作，而无暇顾及应用价值的提升，因此M2M模组厂推出更高整合度的多核心解决方案，以降低导入设计门槛。

　　蜂巢式机器对机器（M2M）应用市场将呈现巨大的增长潜力。据分析师预测，至2020年全球将有一百二十亿台M2M连接设备。即便如此，市场中依然存在一些技术障碍，使M2M应用无法如预期迅速拓展。

　　实际上，将M2M应用从概念阶段过渡到市场推广阶段仍然是一个复杂、耗时且昂贵的过程。最大难题系须要整合M2M系统的所有重要元件，如无线数据机、应用处理器（AP）、低功耗微控制器（MCU）、特殊硬件介面、作业系统、应用架构及云端连接等，将该系统打造为适用于所有M2M应用的客制解决方案，但结果往往不尽如人意。原始设备制造商（OEM）和企业花费大量资源和工程周期执行基础的系统整合任务，而无暇顾及可提供最大价值的地方，亦即应用端本身。

　　与此同时，重大的技术障碍也存在着，主要体现在M2M设备内需要更节能的微处理器。许多M2M应用如计量、工业设备、能源生成和勘探、数位看板等众多领域，必须常年在没有易取得电源的环境下工作。如果没有高效、小型的电源选择，许多M2M解决方案可能会变得更加笨重、难以部署，且另一方面，缺少高效低功耗微处理器也意味着M2M应用毫无用武之地。

　　蜂巢式连接设备以超低功耗模式运作的能力，将成为M2M应用使用有限电源（例如电池、太阳能和能源采集）运行时具有较长使用寿命的关键所在。远端环境监控设备和穿戴式医疗监控设备是两个典型的应用案例，但在以前，这些都是蜂巢式M2M方案无法触及的领域。上述两个实例都要求设备在低功耗感测器监控模式下长时间运作，偶尔须透过无线连接将资料推送到云端。有鉴于低功耗监控与不定期临时无线接入的混合模式要求，业界须谨慎考虑系统和架构，以便将这两种模式有效地融合在一起。

　　以司亚乐无线通讯（Sierra Wireless）的预整合多核解决方案为例，即在一个模组上提供一套完整的M2M生态系统，以简化M2M应用的开发和部署过程。以此为基础，安谋国际 （ARM）提供超节能Cortex-M系列处理器做为司亚乐多核解决方案的一部分，为采用此创新成果的新M2M应用的开发提供有力支援。这将为更快速、更高效、更经济地构建M2M解决方案搭建一个功能强大的全新平台。最终，OEM和企业将能够利用这些创新技术将M2M创新产品应用到更为广泛的应用中。

　　M2M方案开发迈入新里程碑

　　M2M市场日新月异，众多中小型企业现已开始将M2M应用于不同的商业需求和产品中。M2M开发所带来的长尾效应是技术革新过程中必不可少的组成部分，但也是成功路上的绊脚石，尤其是对于规模较小的公司。

　　首先，对于组织而言，开发新的M2M应用、为其构建原型和确定规模仍需要很长时间。与智能手机和PC等其他技术平台不同，开发者无法使用预先整合的晶片组和平台来建立自己的M2M解决方案。更确切地说，对于每个新的M2M应用，开发者几乎得从头开始构建整个系统架构。在着手测试并认证一个新的解决方案之前，工程师们必须花费宝贵的时间和资源整合所有系统元件，包括无线数据机或模组、全球卫星定位系统（GPS）等卫星导航服务、与所连接设备或感测器通讯的介面、记忆体、控制整个架构的独立处理器。

　　这种方法大大拖延将全新M2M解决方案推向市场的时间，并使M2M的开发成本远远超过预期。从开发者的角度来看，由于无法提取M2M硬件和快速构建新解决方案的原型，也因此阻碍了创新的步伐。

　　幸运的是，M2M领域出现了重要的发展趋势，这些挑战也随之渐渐消失，以下将逐一叙述。

　　预整合模组方案崛起

　　在预整合晶片上提供整套系统架构的趋势已经席卷其他多个应用市场，将成为M2M发展的下一步。例如，之前的智能手机都是使用由制造商整合的独立应用处理器和数据机构建而成的。如今，大多数智能手机制造商都使用提供了所有基本运算功能的完全整合式晶片组，然后在该晶片组的基础上构建自己的解决方案。通过简化蜂巢式生态系统和价值链，这些预先整合的架构已经为智能手机制造商减小产品尺寸、提高性能以及降低材料成本方面做出贡献。现在，上述优势同样可以应用到 M2M市场中。

　　随插即用应用程序架构成形

　　正如开发者不得不从头开始整合M2M硬件一样，为运作M2M解决方案，他们也不得不开发整个软件。为支援这些工作所提供的开发工具，通常是保密和私有的，并且是专门针对特定供应商的硬件和开发环境构建的。如今，开发者第一次使用到开放的嵌入式应用程序架构，并真切体验到其所带来的诸多好处。借助这些架构，开发者可以自由使用大量的M2M开发工具，例如专为M2M应用设计的作业系统、一系列的大型软件库、功能强大且便于使用的整合式开发环境等，这将迅速加快M2M解决方案的嵌入式软件发展。

　　结合M2M云端管理

　　要成功部署M2M方案，需要可扩展的装置管理，以便客户能够更新韧体和软件应用程序、可配置设备。借助全新云端管理平台，OEM和企业可通过无线方式对部署的数百万台设备进行管理（图1）。

　　

　　图1 智能设备及云端服务概览

　　高效能微处理器现身

　　为满足更广泛的M2M应用需求，微处理器供应商专门针对M2M应用重新设计并开发一系列低功耗解决方案。全新解决方案提供深度休眠状态等先进功能，可迅速切断整个设备的电源并中断处理功能，尽量减少设备空转时间。这些功能可优化电源效率，仅需一小颗电池就可维持设备的多年运行。

　　M2M技术是一项前瞻技术，许多开发者在寻找资源和指导内容时会遇到一些困难。如今，有一个庞大且不断壮大的M2M开发者社群可以为开发者排忧解难。在这里，开发者可以为M2M应用开发以及这些应用所使用的低功耗处理器找到包含公用程式、专业知识和开放原始码的整合式开发环境。

　　［@B］M2M创新技术加快上市时程［@C］ M2M创新技术加快上市时程

　　业界预整合M2M模组可提供一整套M2M生态系统，其内容包括：

　　多核架构

　　包括蜂巢式连接设备和一个专门用于M2M应用的处理器。此架构将M2M生态系统整合在一个模组上，不但可以简化系统设计、降低系统总成本，还可以大幅降低功耗。

　　确保云端服务的内部连接

　　内部连接可将机器资料与企业应用程序简单地整合在一起。便捷的远端系统管理可轻松拓展至数百万台设备。这些整合的云端功能可为OEM提供预先封装在嵌入式应用程序框架内的用户身分模组（SIM）卡、应用程序资料和M2M设备的无线管理等所需的一切技术支援。

　　开放式应用架构

　　内含随插即用功能区块，包括大量M2M函式库和开发工具，可为嵌入式软件开发者节省时间，并将其产品快速推向市场。

　　透过在一个模组上提供一套完整的M2M生态系统，业界厂商在简化嵌入式无线通讯的整合、缩短M2M应用上市时间的方向迈出了重要一步。最终，开发者能够将更多的时间花费在核心应用和商业模型的开发和创新方面，而不必担心整合无线通讯所面临的挑战。

　　Cortex-M0结合NVIC　提升M2M方案功耗表现

　　ARM 在研发低功耗技术方面经验丰富，所生产的微处理器特别适用于手持设备和电池驱动设备。ARM Cortex-M系列处理器经过特殊设计和优化，专用于对成本和电源敏感的嵌入式应用。其中包括适用于终端应用的MCU和混合讯号设备，例如智能型仪器表、人机周边设备、汽车和工业控制系统、大型家用电器、消费类产品和医疗仪器等。

　　许多微控制器用于电池供电设备中，而对于此类设备而言，高效处理控制任务至关重要。微控制器可用于控制多种周边设备，包括类比数位转换器（ADC）、数位类比转换器（DAC）、液晶显示器（LCD）、SD 卡、通用输入/输出（I/O）接脚等。在某些情况下，周边设备控制过程占用了微控制器的大多数执行时间。

　　考虑到上述应用，Cortex-M0处理器也像该系列中的所有处理器一样，具有许多创新功能。凭藉这些功能，控制器不但可以最大程度地减小体积，还可以在超低能耗下提供最佳性能。

　　「中断」是大多数嵌入式软件的一个主要功能，而对于用于控制低功耗系统的微控制器而言，对中断进行有效的即时回应十分关键。这些低功耗系统通常以「快速运行后停止」这一方法实现节能效果。如同电池供电设备，在此类系统中功耗也非常重要，但有效的低延迟中断处理对于低功耗操作而言，同时还可以将微控制器从休眠状态（处理器暂停，直到须要透过周边事件执行某项操作）中唤醒。

　　为满足这一要求，Cortex-M0处理器紧密整合一个可配置的嵌套式向量中断控制器（NVIC），以提供业界理想的中断处理能力。通过将处理器内核与NVIC紧密整合，Cortex-M0处理器可快速执行插断服务常式 （ISR），并可大幅缩短中断延迟时间。为优化低功耗设计，NVIC整合睡眠模式，该模式包括一个可使整个设备迅速断电的深度休眠功能。

　　Cortex-M系列便于使用

　　除中断处理之外，还有许多其他因素使Cortex-M系列处理器易于学习和使用。Cortex-M系列处理器经过专门设计，对C语言十分友好，几乎所有操作都可以在C语言环境中实现程式设计。指令集可高效处理8位元、16位元、32位元甚至64位元资料。此外，由ARM自主研发的Cortex微控制器软件介面标准（CMSIS）可使学习过程变得更加轻松。CMSIS-Core函式库为处理器特色提供接取功能标头档（Accesss Function Header File），使周边设备定义外观在基于Cortex-M处理器的不同设备中实现标准化。

　　所有主要的微控制器供应商均提供与CMSIS相容的装置驱动程式库，便于软件开发者在基于Cortex-M处理器的设备上进行软件开发。CMSIS-Core函式库中包含用于设置和使用周边设备的所有周边设备暂存器定义和驱动程式功能。此外，CMSIS-Core函式库的使用不受工具限制，具有更好的软件可携性，从而为软件投资提供保障。

　　CMSIS的另一个有用部分是免费的数位讯号处理器（DSP）库，它允许软件开发者使用Cortex-M处理器快速方便地创建 DSP应用，而毋须支付任何版税或许可费用。DSP库针对Cortex-M4处理器进行优化，但在性能要求较低时，也可以在Cortex-M0处理器上运行。

　　对于复杂专案的开发，ARM软件生态系统绝对是一个不可或缺的资源。超过三十个作业系统可在Cortex-M系列处理器上工作。此外，工具供应商和微控制器供应商还提供大量的中介软件套装软件，其中包括许多免费的存储库。

　　通过mbed为开发者提供说明

　　为帮助开发者快速轻松地开发MCI设计原型，ARM与其合作伙伴以及快速壮大的线上社群联合开发了线上mbed平台。 mbed平台提供了一个基于标准的C/C++ 软件发展包（SDK）、一个微控制器硬件开发包（HDK）以及一些受支援的开发板、一个线上编译器和线上开发者协作工具，旨在说明开发者快速、专业地开发出基于 ARM微控制器的产品原型。

　　适用于蜂巢式连接设备的节能架构

　　如今，OEM和企业可以构建出比以往更加节能、更加灵活的M2M解决方案。 ARM Cortex-M的低功耗微处理器与司亚乐预整合多核架构结合，使新解决方案具有以下优势：

　　．凭藉预整合架构、M2M开发工具以及业界开发社群的鼎力支援，可缩短产品上市时间。

　　．与传统系统架构相比，预整合模组尺寸更小，再加上可使用更小电池运行的低功耗ARM微处理器，可减小尺寸、降低功耗。

　　．开发者毋须执行复杂且耗时的基础系统整合任务，提高工作效率；M2M方案可使用更少元件，从而降低整体开发成本并缩短上市时间。

　　．M2M方案采用适用于蜂巢式连接和M2M应用的专用应用程序内核，从而提高性能。

　　．预整合模组可减少潜在攻击者的侵入点，并根据每个应用的具体需求量身订制一系列安全功能，显著提高安全性。

　　．由于采用为适应不同市场运营商网路的独特要求而开发的预整合硬件、软件和云端管理区块，从而减少测试和认证要求，进而简化部署过程。

　　．蓬勃发展的M2M开发者社群可提供支援、开发和原型设计的相关工具，因此规模较小以及新进入M2M领域的公司仍可创新、成功开发M2M应用。

　　未来M2M创新合作伙伴关系

　　全新M2M技术创新成果着实能带来诱人的回报，但OEM和企业须对自己充满信心，即使他们在以不同的方式实现目标，也要相信自己一定可以取得成功。OEM正在从需要技术供应商和无线供应商，转变为需要能致力于说明他们解决商业挑战并走向成功的合作伙伴。

　　（本文作者Pauzet任职于司亚乐、Maidment任职于ARM）