嵌入式應(yīng)用框架EAF詳解

EAF是Embedded Application Framework 的縮寫，即嵌入式應(yīng)用框架。嵌入式應(yīng)用框架是 Application framework的一種， 是在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用框架。

Application Framework——應(yīng)用框架，是一種軟件框架，軟件開發(fā)人員用應(yīng)用框架作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件。

那什么是軟件框架呢？

關(guān)于軟件框架

軟件框架是一個抽象的概念， 是提供了通用的軟件功能，可以通過用戶編寫代碼有選擇地改變， 從而提供特定的軟件應(yīng)用。 軟件框架提供了構(gòu)建和部署應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)方式。 軟件框架是一個通用的、可重用的軟件環(huán)境， 它提供特定的功能， 作為大型軟件平臺的一部分， 以促進(jìn)軟件應(yīng)用程序、產(chǎn)品和解決方案的開發(fā)。 軟件框架可能包括輔助程序、編譯器、代碼庫、工具集和API ， 匯集了所有不同的組件， 便于一個項目或系統(tǒng)的開發(fā)。

那些我們用過或者常見的軟件框架太多了：

windows上MFC

．net Framework

spring framework以及衍生的SSH等等

Entity Framework

Robot Framework

play framework

Zend framework

Oracle Application Development Framework

Cactus Framework

Eclipse XXX framework

AWS Lambda Framework

FrondEnd framework：Vue．js，Angular．js，React等等

尤其是Web 應(yīng)用框架更加豐富多彩，基于各自語言實(shí)現(xiàn)的Web Application Framework 不勝枚舉。

進(jìn)一步， 很多的系統(tǒng)架構(gòu)也引入Framework 的概念，例如，Enterprise architecture framework等等，甚至在研發(fā)管理上也同樣涌現(xiàn)了Framework，例如 Project Management Framework，Risk Management Framework等，外延在不斷在融合放大。

關(guān)于軟件應(yīng)用框架的開發(fā)著述也有很多，例如側(cè)重API設(shè)計的《軟件框架設(shè)計的藝術(shù)》等等。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用框架

與一般的電腦相比， 嵌入式設(shè)備有著自己的特性， 例如耗電量低、體積小、操作范圍粗糙、單位成本低。 這是以有限的加工資源為代價的， 這使得程序和交互的難度大大增加。 然而， 通過在硬件之上建立智能機(jī)制， 利用可能存在的傳感器和存在一個嵌入式單元網(wǎng)絡(luò)， 既可以在單位和網(wǎng)絡(luò)一級對現(xiàn)有資源進(jìn)行最佳管理， 并提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有可用功能的增強(qiáng)功能。 這或許就是嵌入式應(yīng)用的必然性。

EAF 是面向嵌入式系統(tǒng)的軟件應(yīng)用框架。嵌入式系統(tǒng)是一個在較大的機(jī)械或電氣系統(tǒng)中具有專用功能的計算機(jī)系統(tǒng)， 通常具有實(shí)時計算約束。嵌入式系統(tǒng)從便攜式設(shè)備， 如數(shù)字手表和 MP3播放器， 到大型的固定設(shè)備， 如交通燈， 工廠控制器， 以及大部分復(fù)雜的系統(tǒng)， 如混合動力車、核磁共振成像和航空電子設(shè)備等等。 復(fù)雜性從低到單一的微控制器芯片， 到非常高的多個單位等等。

鑒于如此的復(fù)雜，很難有一個統(tǒng)一的應(yīng)用開發(fā)框架。

但是，參考Java 面向資源的分類（J2EE，J2SE，J2ME，Java Card等），我們可以對嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用框架進(jìn)行嘗試分析。

手機(jī)上的應(yīng)用框架

由于手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，很多時候被認(rèn)為超出了嵌入式系統(tǒng)的范疇。但是，了解手機(jī)上的應(yīng)用框架，對于EAF而言，還是大有裨益的。

手機(jī)上的應(yīng)用開發(fā)框架一般也被稱為 Mobile Development Framework。近些年，隨著智能手機(jī)的普及，面向手機(jī)開發(fā)的應(yīng)用框架已被人們所熟知，例如 ios development framework，Android development framework，還有基于HTML5的混合編程框架PhoneGap等等。

尤其是Android，如果資源允許，基于android的嵌入式設(shè)備可以輕松使用android的軟件應(yīng)用框架。google 還面向嵌入式設(shè)備推出了android wearable 等一系列方案，當(dāng)然iOS 也是如此。

下圖就是那張經(jīng)典的android 架構(gòu)層次圖：

Android應(yīng)用程序框架分為應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、系統(tǒng)運(yùn)行庫層和Linux內(nèi)核層，在開發(fā)應(yīng)用時就是在這個框架上進(jìn)行擴(kuò)展。Android應(yīng)用框架的部分功能如下：

android．a(chǎn)pp：提供高層的程序模型和基本的運(yùn)行環(huán)境。

android．content：包含對各種設(shè)備上的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和發(fā)布。

android．database：通過內(nèi)容提供者瀏覽和操作數(shù)據(jù)庫。

android．graphics：底層的圖形庫，包含畫布，顏色過濾，點(diǎn)，矩形，可以直接繪制屏幕上。

android．location：定位和相關(guān)服務(wù)的類。

android．media：提供一些類管理多種音頻、視頻的媒體接口。

android．net：提供幫助網(wǎng)絡(luò)訪問的類，超過通常的java．net．＊接口。

android．os：提供了系統(tǒng)服務(wù)、消息傳輸和IPC機(jī)制。

android．opengl：提供OpenGL的工具。

android．provider：提供訪問Android內(nèi)容提供者的類。

android．telephony：提供與撥打電話相關(guān)的API交互。

android．view：提供基礎(chǔ)的用戶界面接口框架。

android．util：涉及工具性的方法，例如時間日期的操作。

android．webkit：默認(rèn)瀏覽器操作接口。

android．widget：包含各種UI元素（大部分是可見的）在應(yīng)用程序的布局中。

智能手機(jī)的資源還是相當(dāng)豐富的，在智能手機(jī)之前的Feature Phone 同樣有著自己的應(yīng)用開發(fā)框架，只是不如Android 和iOS 那么普及，已經(jīng)逐漸被人們所遺忘。 但是，這些應(yīng)用框架的設(shè)計思想和實(shí)現(xiàn)方式同樣有著重要的參考性。例如，Qualcomm的BREW（翻開了歷史的回憶）。

BREW 指Binary Runtime Environment for Wireless 的縮寫，從基本的層面而言，BREW 平臺就是手持設(shè)備上嵌入式芯片操作系統(tǒng)的接口或抽象層。

BINARY 是指二進(jìn)制。BREW的編程接口是一套二進(jìn)制的函數(shù)庫。所有基于BREW的應(yīng)用和擴(kuò)展類被編譯和聯(lián)接成二進(jìn)制代碼，在本地執(zhí)行。

RUNTIME是指運(yùn)行時間。所有基于BREW的應(yīng)用和擴(kuò)展類志在運(yùn)行時被發(fā)現(xiàn)和調(diào)用，這一點(diǎn)很像動態(tài)連接庫，事實(shí)上，BREW的應(yīng)用和擴(kuò)展類的模擬器版本就是一個DLL。

ENVIRONMENT是指環(huán)境。BREW是一個開放而且靈活的環(huán)境，提供了大量的編程接口，并可以管理豐富的業(yè)務(wù)。

WIRELESS是指無線。BREW 可以充分無限設(shè)備的特性，快速有效的運(yùn)行與低 RAM／FLASH 的環(huán)境中，使有限的無線網(wǎng)絡(luò)資源得到有效的使用。

BREW基本上遵從COM這一組件構(gòu)架的。組件架構(gòu)的一個優(yōu)點(diǎn)就是應(yīng)用可以隨時間的流逝而發(fā)展進(jìn)化，除此之外，使用組件還有一些可以使對以有應(yīng)用的升級更加方便和靈活的優(yōu)點(diǎn)，如應(yīng)用的定制，組件庫以及分布式組件等。

M2M的應(yīng)用框架

鑒于 M2M 技術(shù)的特點(diǎn)， 系統(tǒng)設(shè)計者可能不得不從頭開始構(gòu)建整個 M2M 體系結(jié)構(gòu)。其核心是， M2M 技術(shù)包括增加一個裝置或設(shè)備的智能服務(wù)， 并將該設(shè)備與可以監(jiān)控或控制該設(shè)備的后端基礎(chǔ)設(shè)施連接起來。 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)， 一個 M2M 設(shè)備使用了兩個基本元素： 與后端通信的基礎(chǔ)設(shè)施（無線調(diào)制解調(diào)器或模塊）和運(yùn)行服務(wù)的軟件。

通過提供一種將 M2M 服務(wù)直接嵌入通信模塊的方法， 以及預(yù)先安裝裝的軟件模塊、連接能力和處理資源方式，一般的M2M 應(yīng)用框架如下：

EAF一般包括下列組成部分：

優(yōu)化的輕量級操作系統(tǒng)

雖然一些 M2M 應(yīng)用程序需要更強(qiáng)大的 RTOS， 但大多數(shù)都不需要。 操作系統(tǒng)的設(shè)計能夠提供 API 來控制語音， 數(shù)據(jù)調(diào)用， 短信， 以及 TCP／IP 連接。 應(yīng)該經(jīng)過優(yōu)化， 以充分利用直接訪問協(xié)議棧的能力。 為了提供對連接應(yīng)用程序的全面支持， 操作系統(tǒng)還應(yīng)提供一個核心功能集， 其中包括：

實(shí)時性， 包括保證對外部或內(nèi)部中斷的響應(yīng)時間， 不論其狀態(tài)如何。

靈活安排任務(wù)的優(yōu)先順序。

多任務(wù)能力， 以定義和同步服務(wù)所需的任務(wù)。

在處理速度和功率選擇方面的靈活性， 以優(yōu)化電池壽命。

內(nèi)存、固件和軟件保護(hù)功能。

能夠使用API訪問蜂音頻等媒體和數(shù)據(jù)路徑。

軟件庫

為了簡化開發(fā)過程和市場的速度時間， EAF 應(yīng)該包括各種軟件庫和API， 提供設(shè)備或服務(wù)可能需要的各種功能。 這包括定位、全面的互聯(lián)網(wǎng)連接協(xié)議、無線和互聯(lián)網(wǎng)安全等服務(wù)。 EAF還應(yīng)支持為目標(biāo)市場具體需求開發(fā)的第三方軟件庫。 理想情況下， EAF 不僅應(yīng)得到通信模塊供應(yīng)商的支持， 還應(yīng)該得到合作伙伴和開發(fā)者的支持。

開發(fā)工具

EAF 還應(yīng)該包含一個開發(fā)工具包， 以便于編碼、調(diào)試和監(jiān)視 M2M 應(yīng)用程序， 這些工具應(yīng)該是開源的， 可以免費(fèi)使用。 最終， EAF 應(yīng)該提供開發(fā) M2M 應(yīng)用程序并將其嵌入模塊所需的一切。

云連接

最后， EAF 應(yīng)該提供工具來簡化連接設(shè)備的云管理， 包括一個完全實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)來處理設(shè)備監(jiān)控和軟件／固件升級。 該系統(tǒng)應(yīng)該允許開發(fā)者監(jiān)控設(shè)備的健康狀況， 并識別潛在的問題。 它還應(yīng)該包括已驗(yàn)證的操作系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級工具， 以及使用補(bǔ)丁機(jī)制的熱修復(fù)工具。

面向腳本的EAF

對于為嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)建軟件的開發(fā)者而言，對腳本的編寫并不陌生。 選擇腳本是往往是解決問題的最快方法。一般地，腳本被用來自動構(gòu)建和運(yùn)行驗(yàn)證測試。作為全棧必備的Javascript被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)頁、 web 服務(wù)器和移動應(yīng)用程序中，在嵌入式系統(tǒng)中也將占據(jù)一席之地。

出于對性能的擔(dān)心，可以通過一些技術(shù)手段提升JavaScript的運(yùn)行性能：

1．充分利用內(nèi)置函數(shù)和對象。 Javascript 語言擁有支持?jǐn)?shù)組、 JSON、正則表達(dá)式和其他字符串運(yùn)算的復(fù)雜內(nèi)置對象。 這些實(shí)現(xiàn)通常在 JavaScript 引擎中得到了很好的優(yōu)化。

2．小心編碼。由于腳本比本地代碼慢， 代碼優(yōu)化在性能重要的地方是至關(guān)重要的。 Javascript 的動態(tài)特性意味著 JavaScript 引擎通常不能像 c 編譯器那樣有效地優(yōu)化代碼。

3．混合編程。沒有一種語言適用于所有情況， 所以要為工作選擇最好的語言， 而不是100％ 純粹地使用。 每一個 JavaScript 引擎都提供了一種從腳本調(diào)用本地代碼的方法。 如果不確定性能， 首先在 JavaScript 中實(shí)現(xiàn)， 因?yàn)樗菀讏?zhí)行。 如果存在性能瓶頸， 請在 c 中重新實(shí)現(xiàn)函數(shù)。

在 Mozilla 的一個項目 asm．js 中出現(xiàn)了一個可以替代使用 c 的方法。 定義了一個嚴(yán)格的 JavaScript 子集， 它更容易被翻譯成本地代碼或 c 源代碼。 利用 c 和 JavaScript 之間的語法相似性， 使翻譯變得簡單明了。?嵌入式開發(fā)人員可以在 asm．js JavaScript 子集中編寫性能關(guān)鍵代碼， 并將其編譯為本地代碼， 作為構(gòu)建過程的一部分， 而不是依賴 JIT。

對于內(nèi)存的使用而言，從積極的一面來看， JavaScript 使用了一個垃圾收集器， 從而消除了顯式釋放內(nèi)存的需要。 通過這種簡化， 嵌入式開發(fā)人員有時間專注于其他方面的開發(fā)。

目前，已經(jīng)有多個開發(fā)系統(tǒng)開始支持嵌入式的JavaScript：

Espruino是一個單片機(jī)開發(fā)板， 被稱為微控制器的 JavaScript。 它運(yùn)行開源的 Espruino JavaScript 引擎， 它支持 JavaScript 標(biāo)準(zhǔn)的子集。

Tessel 是一個集成了Wi－Fi的JavaScript?微處理器，并提供一個兼容Node．js的 API，開發(fā)人員可以使用Node．js進(jìn)行開發(fā)。

Marvell Semiconductor 的 Kinoma Create 是一個運(yùn)行在 Marvell 半導(dǎo)體上的＂JavaScript 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建工具包＂， 它支持完整的 JavaScript 5．0．

在國內(nèi)，也有類似的開發(fā)系統(tǒng)，例如老友周愛民老師所在的ruff．io。

總之，Javascript 在嵌入式設(shè)備上的潛力很大， 可以簡化嵌入式程序員的開發(fā)工作， 并為客戶提供更可靠、更可定制的產(chǎn)品。

綜上所述，嵌入式應(yīng)用框架（EAF）對嵌入式系統(tǒng)的成功有著重要的意義。特別是對于嵌入式開放平臺而言，能夠提高開發(fā)者的開發(fā)效率，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的繁榮。然而，IoT中還有很多超輕量級的設(shè)備，或許根本沒有OS，被稱為“智能顆粒”，笑稱“智霾”，可能不需要EAF，也可能是一種另外形態(tài)的EAF，只是我不知道而已。