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漫谈多功能嵌入式电子产品-从Android到Raspberry Pi 3
 

【作者: 馬文】2017年07月11日 星期二

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Android系统是植基於Linux之上,赋予X视窗的功能。自从Google购并Android後,Android平板、手机、手表、电子书、无人机、机器人…..等各式各样的电子产品纷纷上市,并不断衍生和推陈换新。无庸置疑的,目前Android几??已经成为iOS最大的竞争对手。不过,Android的功能虽然强大,但它需要较大的储存空间之缺点,确实让一般开发商却步。再者,在Android中,想安装Google map、Gmail…等应用软体,还必须通过Google的GMS认证。因此,在中国大陆Android的山寨机虽然很多,但都没有Google map、Gmail…等这些好用的软体。



图一
图一

2012年2月,大概Android开始流行时,第一代的树莓机(Raspberry Pi 1)就已经上市了,4年後,也就是2016年2月,Raspberry Pi 3也正式上市。


在没有Android和Raspberry的年代里,开发商最头痛的问题就是找不到一套既好用又能和Linux kernel无缝结合的视窗系统。虽然在那个年代,网际网路上有一些开源程式码可以支援X视窗的功能,例如: MIcrowindows、MiniGUI、Qt….等,可是还是需要自行下载完成建置与Linux整合,步骤很复杂,一遇到问题也没人可支援。而且它们缺少中介软体(middleware),例如:多媒体播放器。於是业界寻找「X圣杯」的计画就悄悄开始了。最後终於诞生了Android和Raspberry。前者被大企业采用,後者则是被中小企业拥护。


Raspberry Pi 3使用Broadcom的BCM2837,这颗系统级单晶片(SoC)内部有四核心ARM CPU和双核心的图形处理器(GPU),Raspberry官网建议安装的作业系统是Raspbian Jessie,源自Debian 8.5。Raspberry之所以受人欢迎,除了价格便宜以外,另一个主要原因就是对初学者而言,Raspbian的入门门槛比Android低。它的原始程式码和开发工具都可以从网际网路下载到Raspberry的电路板上,而且Raspbian的建置与安装几??是「一键完成」。由於Linux kernel和X视窗是一体成形地整合在Raspbian中,不像Android还得按照传统的跨平台建置(cross-compile)方法,所以使用Raspbian非常省时省事。也因为Raspberry Raspbian目前只支援Broadcom的BCM2837,想移植到其它SoC就必须靠自己了。不过,对大多数的中小企业而言,Raspberry Pi 3是一个有支援面板,可以上网,能播放影片、音乐,开发与制造成本都很节省的嵌入式平台,可以满足大多数的应用需求。若无特殊需求,并不需要更换BCM2837或Raspbian。


Raspberry Pi 3有一个令人惊艳的应用就是Amazon公司的Alexa Voice Services(AVS),如附图一。也就是说,可以从Amazon官网下载AVS软体并安装到Raspberry Pi 3中,这过程几??也是「一键完成」,最後透过外接的USB麦克风就可以询问Alexa任何问题,或者点播串流音乐。Alexa就是Amazon cloud的人工智慧,将来语音辨识很可能会取代部份键盘与滑鼠的功能,想像一下用自己的声音询问Alexa任何在wiki百科全书上面的问题吧!


云端服务与互联网


不过,上述的AVS应用主要是创客玩家的动手做(DIY)工作。而开发商的重点工作不是Raspberry,而是要建构自己的服务网,并透过一台伺服器与Amazon cloud连接。这台伺服器在网际网路上,必须要能辨识用户的Custom Skill装置、AVS装置。简单地说,Custom Skill是被动式装置,例如:喇叭;而AVS装置就是主动与被动式都具备的装置,例如:树莓机,麦克风和喇叭都具备。AVS经营商利用这台伺服器去服务下游用户的Custom Skill装置、AVS装置。其实,这也是一种互联网(IoT)的应用。因为这台伺服器不只可以播放语音,也可以将声音转换成控制指令,从远端去控制房屋内的冷气、电灯….等。使用Raspberry Pi 3就可以实作Custom Skill装置、AVS装置。当然,Amazon公司最看重的不是Custom Skill装置、AVS装置所能创造的营收,而是希??能持续搜集到全世界消费者的大数据,分析这些数据,得到广大消费者的使用习性。


目前使用Raspberry来实现互联网的节点装置已经没有技术问题了。但是,对网路资讯安全的担心仍然是互联网无法普及的主因。这有待使用了「区块链(blockchain)」或类似的新技术能够有效防堵网路恶意攻击的新版网际网路的建立。


跨平台的理想


除了等待新版网际网路的建立之外,互联网的开发商现在能做的当然不是等待。缩短产品开发的时程是必须持续追求的目标。国内有一家公司,三年多以前就试图将Android移植到自已设计的i.MX6板子上面,至今仍在除错中。可见得当SoC功能越来越强大,作业系统也会变得越来越复杂难解,所花费的时间成本也越来越高。因此,催生了Yocto这样的组织。


Yocto是Intel、Broadcom、TI、Freescale、AMD….这些国际大厂一起集资成立的计画性组织。其宗旨就是要完成一套软体工具,可以支援所有的嵌入式软硬体平台。这似??是遥不可及的梦想,不过,目前在Yocto官网上可以下载Intel、TI、Freescale….等这些大厂的SoC的「开发板支援套件(Board Support Package;BSP)」。不过,与传统的做法一样,开发者还是要使用cross-compile方式先在PC上面建置Yocto的映像档(image file),再下载到目标板(target board)的开机装置中。对於Yocto有支援的Linux作业系统而言,按照这样的方法去实作并不难。例如:可以使用Yocto轻易地将Ubuntu移植到Freescale i.MX6上面。因为这部份,Yocto已经被验证过的。可是还有很多部份Yocto还没有完成。例如:国内有一家公司想使用Yocto将Arch Linux移植到Freescale i.MX6上面,但遇到许多技术问题,至今仍然无解。虽然,国外已经有公司成功地将这些问题解决了。


使用Yocto产生的Linux系统大小不会像Android那麽庞大,而且经过组态设定可以客制化,让Linux系统具备所必需的特定功能,移除掉不需要的功能。因此,可以大幅缩短开发的时程。不过,若又要包含X视窗,问题又回到前面所提到的寻找「X圣杯」的问题上头。因为不同的Linux系统对各家的图形处理器、视讯处理器都有各自不一样的绘图、视讯演算法程式库。这些程式库可以提供给上层应用程式或软体使用。如果不了解这些程式库的原理和用途,而且Yocto也尚未将它们成功移植,就自行将它们移植安装的话,想必是困难重重的。


不可轻忽晶片与韧体技术


目前手机App、电玩Pokemon Go很流行,新创的云端应用软体公司如雨後春笋般纷纷出现,市场上弥漫着一股氛围,似??认为开发应用软体才有获利可言,甚至进而轻视晶片、硬体、系统韧体的价值。殊不知上述的所有应用之基础都是植基於晶片、硬体、系统韧体。过去有许多流行的应用软体、游戏软体,有许多现在都不见了,可是晶片、硬体、系统韧体的技术现在还存在着,甚至衍生出更新版本。


国内有一家开发Android机上盒的公司,使用中国大陆设计的工板,但他们没有系统韧体工程师,虽然他们的软体工程师设计的UI/UX很漂亮、很好操作,可是系统常常会当机。由於中国的原设计公司不愿意派人来支援。於是这问题就搁着待解。


虽然这几年来,因为中国大陆经济崛起和外销市场的低迷不振,造成电子业营收普遍的下滑,但展??未来,为了迎接新的商机,我们不应该让晶片、硬体、系统韧体技术在这一代产生断层,应该持续培育新的晶片、硬体、系统韧体的工程人才。


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