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多功能嵌入式系统新未来:从Android到Raspberry Pi 3
扎稳软硬体基本功

【作者: 誠君】2017年01月19日 星期四

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Android系统是植基于Linux之上,赋予X视窗的功能。自从Google购并Android后,Android平板、手机、手表、电子书、无人机、机器人等各式电子产品纷纷上市,并不断衍生和推陈换新。


无庸置疑的,目前Android几乎已经成为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等方便好用的软体。


2012年2月,大概Android开始流行时,Raspberry Pi 1(第一代树莓机)就已经上市了。四年后,也就是今年2月,Raspberry Pi 3也正式上市。


令人惊艳的Raspberry

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。于是业界寻找「X圣杯」的计画就悄悄开始了。最后终于诞生了Android和Raspberry,前者被大企业采用,后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,除价格便宜外,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的建置与安装几乎是「一键完成」。


由于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。



图一 : 人工智慧的出现,将来语音辨识很可能会取代部份键盘与滑鼠的功能。 (Source:commercialtenantresource.com)
图一 : 人工智慧的出现,将来语音辨识很可能会取代部份键盘与滑鼠的功能。 (Source:commercialtenantresource.com)

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,这过程几乎也是「一键完成」,最后透过外接的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。


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。



图二 : Amazon公司的Alexa Voice Services(AVS)
图二 : Amazon公司的Alexa Voice Services(AVS)

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,而是希望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。台湾有一家公司,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。


这似乎是遥不可及的梦想,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。对于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,台湾有一家公司想使用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那么庞大,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

目前手机游戏Pokemon Go很流行,新创的云端应用软体公司如雨后春笋般纷纷出现,市场上弥漫着一股氛围,似乎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于晶片、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。


台湾有一家开发Android机上盒的公司,使用中国大陆设计的工板,但该公司并无系统韧体工程师,虽然该厂商软体工程师设计的UI/UX很漂亮、很好操作,可是系统常常会当机。由于中国的原设计公司不愿意派人来支援,于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,但展望未来,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。


(作者曾任半导体产业产品开发部经理、软体设计经理等要职)


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