嵌入式和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 開發(fā)團(tuán)隊(duì)承受著壓力，需要盡快完成并交付設(shè)計(jì)。為了能夠快速行動(dòng)，他們需要使用經(jīng)過驗(yàn)證且具有強(qiáng)大生態(tài)系統(tǒng)的元器件和軟件框架。他們還需要研究如何維護(hù)系統(tǒng)，以及將來如何擴(kuò)展，這意味著解決方案還需要具備可移植性，并且在需要時(shí)能夠跨多種硬件平臺(tái)工作。

但是，微控制器供應(yīng)商經(jīng)常將開發(fā)人員束縛在自己的生態(tài)系統(tǒng)中，這使得在微控制器之間進(jìn)行切換不是那么容易。此外，微控制器生態(tài)系統(tǒng)的軟件工具常常不足，大部分是基于 C 語言，這對(duì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)而言也是絆腳石。

考慮到這些需求，本文將介紹?Arm?Mbed 平臺(tái)和操作系統(tǒng)。文中將展示開發(fā)人員如何利用 Mbed 生態(tài)系統(tǒng)來加速嵌入式產(chǎn)品開發(fā)，并使用它來擴(kuò)展到微控制器供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)之外的世界。

什么是 Arm Mbed？

Mbed 是由 Arm 主導(dǎo)的面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)人員的在線協(xié)作體系1。Mbed 為開發(fā)人員提供極為豐富的資源來加速開發(fā)，從 Mbed OS、Mbed TLS 一直到 Mbed 庫支持的開發(fā)板和各種元器件。

Mbed 的初衷是讓開發(fā)人員能夠利用在線社區(qū)中 200,000 開發(fā)人員以及主要微控制器供應(yīng)商（例如?Cypress Semiconductor、NXP Semiconductors?和?STMicroelectronics）所支持的大型生態(tài)系統(tǒng)，借助現(xiàn)有元器件、開發(fā)工具和庫來加快開發(fā)速度。使用 Mbed 生態(tài)系統(tǒng)有許多優(yōu)勢(shì)：

庫和示例均用 C++ 編寫，C++ 是一種現(xiàn)代的面向?qū)ο笳Z言，其設(shè)計(jì)使得代碼可擴(kuò)展且可重用。

支持利用現(xiàn)有硬件平臺(tái)快速開發(fā)嵌入式產(chǎn)品原型以證明其可行性。

使用 Mbed 在線和離線編譯器以及 Mbed 命令行界面 (CLI)，簡化軟件測(cè)試的開發(fā)（測(cè)試甚至包括在許多示例和庫中）。

內(nèi)置用于開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的工具，例如云連接器服務(wù)，不僅簡化了設(shè)備到云的連接，而且簡化了通過其他基于云的服務(wù)管理設(shè)備的工作。

Mbed 的通用架構(gòu)模型給嵌入式開發(fā)人員提供了極大的靈活性和可擴(kuò)展性。舉例來說，該架構(gòu)模型一般分為三個(gè)單獨(dú)的層（圖 1）：

低級(jí)硬件抽象層 (HAL)

Mbed OS API，用作中間件，提供存儲(chǔ)、RTOS、安全連接、通信堆棧等能力

高級(jí)物聯(lián)網(wǎng)層，包括開發(fā)人員的應(yīng)用程序代碼、Mbed OS 庫和連接客戶端

圖 1：Mbed 架構(gòu)包含三個(gè)主要層，可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展和補(bǔ)充：一個(gè)通過 HAL 抽象的低級(jí)硬件接口，一個(gè)對(duì)中間件進(jìn)行抽象的 Mbed OS API 層，以及一個(gè)用于編寫應(yīng)用程序代碼并利用庫和 Pelion 等客戶端的高級(jí)層。（圖片來源：Arm Mbed）

該架構(gòu)的設(shè)計(jì)方式讓開發(fā)人員可以加入應(yīng)用所需的組件，而省去其余工作。這使該架構(gòu)具有可伸縮性和靈活性，方便開發(fā)人員用來快速開發(fā)原型，并在較短時(shí)間內(nèi)將原型變?yōu)榱慨a(chǎn)產(chǎn)品。

Mbed 從硬件開始

盡管 Mbed 提供了良好的軟件基礎(chǔ)，但除了軟件和開發(fā)軟件所需的工具之外，還會(huì)提供其他功能。團(tuán)隊(duì)開發(fā)產(chǎn)品的最快方法是在使用軟件的同時(shí)利用 Mbed 硬件生態(tài)系統(tǒng)。硬件生態(tài)系統(tǒng)包括三個(gè)不同方面：

• 模塊
• 開發(fā)板
• 元器件

模塊本質(zhì)上是以物聯(lián)網(wǎng)為中心的連接設(shè)備，它以經(jīng)過認(rèn)證且隨時(shí)可用的封裝形式提供。例如，開發(fā)人員若要開發(fā)一款支持 LoRaWAN 的產(chǎn)品，可以選擇?Multi-Tech Systems?的?MTMDK-XDOT-NA1-A00?xDot 模塊開發(fā)套件（圖 2）。xDot 模塊在視距應(yīng)用中可提供長達(dá) 10 英里的雙向通信距離，在建筑物中可提供 1 到 3 英里的雙向通信距離，數(shù)據(jù)速率從每秒 293 位 (bps) 到每秒 20 Kb (kbps)。該模塊使用低功耗 STMicroelectronics 的?STM32L151CCU6?處理器，其工作頻率為 32 兆赫 (MHz)，可以通過 SPI、UART 或 I2C 接口利用 AT 消息傳遞方案進(jìn)行控制。

圖 2：xDot 模塊為開發(fā)人員提供經(jīng)過認(rèn)證的 LoRaWAN 模塊，該模塊受 Mbed 軟件堆棧的支持，可以大大縮短開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行解決方案的時(shí)間。（圖片來源：Multi-Tech Systems Inc.）

Mbed 板本質(zhì)上是 Mbed 全面支持的不同微控制器系列的開發(fā)板。每個(gè)開發(fā)板都有微控制器供應(yīng)商提供的獨(dú)特特性和功能。例如，對(duì)支持低功耗藍(lán)牙 (BLE) 的開發(fā)板感興趣的開發(fā)人員，可能會(huì)喜歡 Cypress Semiconductor 的?CY8CKIT-062-BLE（圖 3）。

圖 3：CY8CKIT-062-BLE 開發(fā)板具備多種用于開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的特性，包括電子墨水顯示屏、電容式觸控按鈕和滑塊、BLE 模塊以及 KitProg2 調(diào)試器。（圖片來源：Cypress Semiconductor）

CY8CKIT 的獨(dú)特之處在于它使用多核 PSoC 62 安全微控制器。一個(gè)內(nèi)核是 Arm? Cortex?-M4 處理器，第二個(gè)內(nèi)核是低功耗 Arm Cortex-M0 +。這使開發(fā)人員可以劃分應(yīng)用程序代碼，例如讓一個(gè)處理器處理 BLE 通信，或者使用 Cortex-M0+ 內(nèi)核作為安全處理器來鎖定應(yīng)用程序。板上提供的 I/O 擴(kuò)展可將 Mbed 元器件連接到系統(tǒng)，從而大大減輕開發(fā)人員開發(fā)系統(tǒng)原型的工作。

Mbed 元器件是一個(gè)硬件元器件，具有 Mbed 支持的庫及其相關(guān)的中間件，這些庫和中間件充當(dāng)產(chǎn)品開發(fā)的構(gòu)件。例如，從事物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的開發(fā)人員可能會(huì)決定要使用溫度傳感器。開發(fā)人員可以在 Mbed 元器件中搜索其支持的溫度傳感器，例如，他們可能會(huì)在外設(shè)模塊中發(fā)現(xiàn)?Maxim Integrated?的?MAX31723PMB1，該模塊可用于快速開發(fā)原型（圖 4）。

此類 Mbed 元器件的優(yōu)點(diǎn)在于，它們幾乎總是作為開發(fā)板提供并帶有原理圖。這樣，開發(fā)人員不僅可以查看使傳感器工作所需的硬件配置，還可以使用軟件庫來啟動(dòng)和運(yùn)行傳感器。

圖 4：MAX31723PMB1 數(shù)字溫度計(jì)和溫控器外設(shè)模塊（原理圖所示）可以輕松插入 Mbed 開發(fā)板，然后使用相關(guān)的 Mbed 元器件庫來快速連接溫度傳感器并與之交互。（圖片來源：Maxim Integrated）

Mbed 并非只有像測(cè)量溫度和濕度的傳感器那樣的簡單傳感器。例如，開發(fā)醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，Maxim Integrated 的?MAXREFDES220＃?模塊為他們提供了基于手指的心率和 SpO2 血氧傳感器的參考設(shè)計(jì)（圖 5）。

圖 5：MAXREFDES220＃ 模塊為開發(fā)人員提供了一個(gè)支持基于手指的心率和 SpO2 監(jiān)測(cè)的開發(fā)板。（圖片來源：Maxim Integrated）

此外，還有諸如?Seeed Technology?的?114991252?VL53L0X Flow 分線板之類的組件，它們可用于光線檢測(cè)和 3D 飛行時(shí)間 (ToF) 測(cè)距等應(yīng)用（圖 6）。例如，嘗試在邊緣開發(fā)基于手勢(shì)的技術(shù)的開發(fā)人員，可能會(huì)對(duì)該傳感器感興趣。

圖 6：Seeed Technologies 的 114991252 Flow 傳感器分線板可輕松集成到 Mbed 開發(fā)板中，用于需要光線檢測(cè)的應(yīng)用或手勢(shì)檢測(cè)等 3D 飛行時(shí)間應(yīng)用。（圖片來源：Seeed Technology）

開發(fā)人員選定開發(fā)板和元器件之后，便可開始利用 Mbed 進(jìn)行開發(fā)，通過創(chuàng)建“Hello World” LEDBlinky 應(yīng)用程序來測(cè)試他們是否可以成功對(duì)開發(fā)板進(jìn)行編程并使 LED 燈閃爍。

用 Mbed 編寫“Hello World” LEDBlinky 應(yīng)用程序

開發(fā) Mbed 應(yīng)用程序有多種方法：通過在線編譯器；通過離線編譯器；或使用命令行界面 (CLI) 工具。根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，建議使用 CLI，因?yàn)樗芨玫乜刂崎_發(fā)過程，并且更易于集成到開發(fā)流程中，例如測(cè)試工具和連續(xù)集成服務(wù)器。

CLI 提供了命令行界面功能，因此使用 Windows 的開發(fā)人員可以使用命令提示符來編譯代碼。創(chuàng)建 LEDBlinky 應(yīng)用程序的第一步是使用 Mbed 隨附的預(yù)寫示例。這可以通過在命令提示符中輸入以下命令來完成：

mbed import mbed-os-example-blinky

下載示例需要幾分鐘時(shí)間，因?yàn)檫€會(huì)下載 Mbed OS 和應(yīng)用中可能會(huì)使用的其他支持組件。下載完成后，開發(fā)人員便可導(dǎo)航到 mbed-os-example-blinky 文件夾，其中有一個(gè) main.cpp 文件。開發(fā)人員可以在自己喜歡的編輯器中打開此模塊，其中代碼大致如下所示：開發(fā)人員可以在此進(jìn)行修改，但是對(duì)于本文而言，使用默認(rèn)值即可。更值得注意的是編譯和部署代碼。具體用來編譯和部署代碼的命令將因硬件而異。下面的例子顯示了如何使用一條命令對(duì) Cypress CY8CKIT-062-BLE 開發(fā)板進(jìn)行編譯和編程：

第一次編譯項(xiàng)目可能需要幾分鐘，因?yàn)楣ぞ哝溞枰獦?gòu)建所有自動(dòng)進(jìn)入 Mbed 應(yīng)用程序的關(guān)聯(lián)文件。編譯周期完成后，結(jié)果應(yīng)類似于下面的圖 7 所示。

圖 7：成功編譯 LEDBlinky 項(xiàng)目后 Mbed 編譯器的輸出。（圖片來源：Jacob Beningo）

命令行中的 -f 選項(xiàng)將會(huì)自動(dòng)獲取已編譯的十六進(jìn)制文件，并將其復(fù)制到開發(fā)板上，開發(fā)板顯示為 DAPLink 大容量存儲(chǔ)設(shè)備。此時(shí)，LED 應(yīng)該閃爍，開發(fā)人員可以開始開發(fā)主要應(yīng)用程序。

Mbed 的使用技巧與訣竅

Mbed 入門非常簡單，但對(duì)于開發(fā)人員來說可能存在挑戰(zhàn)。以下是關(guān)于開始使用 Mbed 開發(fā)產(chǎn)品的一些“技巧與訣竅”：

避免使用在線編譯器。雖然這對(duì)于業(yè)余愛好者來說很好，但對(duì)于專業(yè)人士而言，讓其他人的服務(wù)器擁有源代碼可能是個(gè)問題。此外，來回云端可能會(huì)減慢調(diào)試速度。諸如 Mbed IDE 或 Mbed CLI 之類的本地編譯器是更好的選擇。

Mbed 支持多線程，但默認(rèn)情況下，主函數(shù)在自己的線程中運(yùn)行。

從 Mbed 示例項(xiàng)目開始，對(duì)其進(jìn)行考察，了解如何更有效地使用 Mbed 應(yīng)用程序。

利用 Mbed 測(cè)試工具確保應(yīng)用開發(fā)沒有無意間破壞 Mbed 框架中的任何內(nèi)容。

使用 Mbed 硬件站點(diǎn)搜索可以快速集成在一起來開發(fā)產(chǎn)品的開發(fā)板、元器件和模塊。

上述技巧將有助于確保開發(fā)人員盡量減少花費(fèi)在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)上的時(shí)間。

總結(jié)

嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員需要一個(gè)受到良好支持的生態(tài)系統(tǒng)來為他們提供現(xiàn)代化的工具、流程和軟件，幫助他們加快開發(fā)工作并使開發(fā)成本最小。如本文所示，Mbed 平臺(tái)和 OS 是開發(fā)人員可以利用的一種潛在選擇。

Mbed 提供可擴(kuò)展且靈活的軟件架構(gòu)，其中包含許多已經(jīng)集成在一起并經(jīng)過測(cè)試的組件。由于對(duì)各種硬件模塊、開發(fā)板和元器件的強(qiáng)大支持，開發(fā)人員可以輕松創(chuàng)建產(chǎn)品原型，然后將其擴(kuò)展成生產(chǎn)解決方案。