Android 嵌入式系統 Linux MPU ARM

中低階MPU支援 Android擴張嵌入式版圖

2012-03-05
並非所有採用Android作業系統開發的嵌入式產品,都必須搭載運算速度高達1GHz以上的MPU。其實,只要專注於產品的應用要求和易用性,而不是一味追求酷炫的3D介面,那麼400MHz等級左右的MPU,即足以滿足設計所需。
在現今的嵌入式工業領域,一個不爭的事實是廠商都急於為使用者提供更多的產品性能和更豐富的使用者體驗,而這大概是蘋果(Apple)推出iPad產品所帶來的效應。這樣一個包含電容式多點觸控大螢幕、1,024×768dpi螢幕解析度、高級視訊處理功能、三維(3D)效果、網頁瀏覽和多種其他創新技術的裝置,就需要一個高速處理器(iPad 2更需要多核處理器),輔以硬體輔助處理器來處理視訊播放和圖形。

但其實並不是所有嵌入式系統都需要具有強大的功能和超快速的微處理器(MPU),例如垂直式市場,包括家庭和商業應用、銷售點終端(POS)、車載娛樂系統、消費電子產品、醫療與工業應用等,就可能不需要最精密的使用者介面(UI)、3D處理能力,或是全高畫質播放功能。

這些應用可以利用最新的科技成果,但只須要以較傳統和基本的方法就可以實現。

毋庸置疑,追求最好的使用者介面效果促使對性能的要求不斷提高。選用功能強大的晶片如帶有3D圖形輔助處理器的安謀國際(ARM)Cortex-A9 MPCore,要產品成功不難,但系統成本將會增加三到五倍。

不過,如果想(或需要)讓系統不會過時,即這個系統在未來的幾年裡仍可支援功能齊全的Linux和Android最新版本,那麼最好還是現在就多花一點成本,選擇一個1GHz MPU。但在選擇這樣的微處理器之前,對低階和中階系統而言,還是有幾個替代方案值得考慮。

Linux進駐嵌入式裝置

在過去幾年,由於嵌入式MPU被市場廣泛採用,以及專為低階和中階裝置提供的Linux品質不斷地提高,加快了作業系統的標準化。標準化的作業系統適用於各種各樣的處理器,從以ARM9為基礎的低成本裝置,到使用1GHz以上Cortex-A9處理器核心的裝置,如今Linux比以前擁有更多的選擇。

另外,Linux為研發人員提供一個可以分擔開發成本的極好機會。Linux在入門級ARM9嵌入式MPU上運行,只要使用者介面的複雜性與性能相若,其運行表現完全可以被接受。例如,一個具有高效能匯流排架構的ARM9 400MHz MPU(用於傳輸大量的資料到WVGA顯示器)與應用處理並行,對於那些要運行相當複雜又設計良好的介面(包括在作業系統以外提供某些基本3D效果)的中低階系統來說,是一個完美的解決方案。

Android跨入非手機應用

Android在行動裝置領域已經成為主要的作業系統之一,其用途正擴展到掌上型裝置以外的垂直市場。對嵌入式研發人員來說,它比Linux提供更多優勢,包括一個完整的應用開發架構、整合式無線區域網路(Wi-Fi)支援、有領先的半導體廠商做後盾,還有分散式的開發團隊。

另外,個人專案可以打進廣泛的Android開發人員社群。有些原始設備製造商(OEM)選擇Android作業系統,是因為它支援從Google應用程式商店(Google Apps Marketplace)或他們自己的軟體商店下載現成的應用程式。

Android之所以出現在這個新興非手機市場的另一個原因,在於能夠使用一個標準Android版本整合這些特性,但又可以保持可配置性和擴展元件而不被裝置最終使用者察覺。如此一來,製造商可以充分利用經過驗證的標準硬體/軟體平臺,而不必一有Android新版本發布就得升級系統,也不必擔心使用者從Android Market下載的應用軟體有執行上的問題。

不過,Android在非手機市場的應用依然面臨挑戰,特別是涉及到安全連接或機密資訊處理。另外,如果能減少未來軟體升級次數,從而減少昂貴驗證費用,將會為Android繼續向前邁進提供很大幫助。

為中低階應用量身打造易用介面

Android的廣泛發展和演變促使對處理能力的要求愈來愈高,因而也增加系統的成本。這是不可避免的,但這個邏輯不一定適用於許多運行Android的中、低階非手機系統,因為對這類產品而言,更重要的是能夠方便地為目標市場量身訂作,包括合適的使用者介面、有效利用現有資源,以及提供價格優勢。

許多垂直式市場不需要最新的3D圖形和最先進的使用者介面,特別是這些特性很可能讓系統變得更複雜,導致顯示螢幕的成本上升。為了避免對處理能力的要求無止境地提高,並確保現有應用程式能夠繼續在中、低階系統中運行,設計人員必須採用一種新方式來開發Android使用者介面,這包括提供清晰和容易使用的使用者介面,但看起來要很新穎及時尚,以符合那些體驗過高階裝置的使用者所期望的水準;所需的軟體更新較少,只提供高品質而且必須的軟體更新;仍能受益於標準化和Android開發社群的參與。

許多智慧手機以外的系統即便使用一個完全不同的使用者介面,也希望受益於Android系統的標準化。選擇之一是明導國際(Mentor Graphics)提供的Inflexion UI GUI工具,它允許應用程式使用Android Dalvik架構,而且讓設備製造商盡量利用硬體,即使硬體部分沒有昂貴的繪圖處理器(GPU),也可以快速又方便地建立自己的使用者介面。由於Inflextion的拖放式(Drag-and-drop)工具與執行時間引擎具有靈活性,而且適用於低成本、高性能的裝置,因此可讓使用者充分發揮Android架構的優勢。

此外,明導國際的嵌入式技術專業服務已經成功地將中、低階Android裝置最佳化,讓Inflexion使用者可根據需要自行訂製介面。

圖1顯示一個使用Inflexion UI開發的使用者介面,這個多應用顯示螢幕採用觸控式介面,提供既直觀又支援手勢的操作。更提供即時功耗回饋,用戶可以監測並有效控制耗電量。該觸控式螢幕可以為洗衣機/烘乾機、電冰箱、電視和音訊/視訊系統提供控制與功能顯示。

使用者介面強調人性化

「智慧裝置革命」或「蘋果效應」,無論哪種說法都是指嵌入式技術產業在使用者介面體驗方面正經歷著巨大的變化。二維(2D)和3D圖形、動畫、色彩豐富的調色板等曾經是智慧手機獨有元素,現在已經滲透到各種領域,例如工業應用、家居和商業大樓自動化控制、銷售點終端、室內顯示以及醫療裝置等。

此外,網際網路隨著3G和4G無線網路的普及而變得無所不在,逐漸改變人們及各種各樣裝置連接互動的方式,這迫使硬體設計工程師把處理器的性能提高到數百MIPS、周邊裝置的資料速率達到數十Mbit/s,以及On-chip和Off-chip頻寬達到Gbit/s。記憶體容量則隨著軟體而改變,運行以即時作業系統(RTOS)為基礎的軟體只需要幾個Mbyte,但若運行Linux或Android,則需要數十個Mbyte。

清楚應用走向 專心目標市場

開發人員必須清楚考慮其應用和目標市場,不要被天花亂墜的宣傳誤導,認為若要支援最新的Android版本便須採用1GHz微處理器。其實只要把注意力放到設計要求和終端裝置的易用性上,那麼400MHz MPU就已經具備充足的馬力,完全可以達到非凡的用戶體驗效果,例如採用愛特梅爾(Atmel)SAM9M10或SAM9G45。

使用一個整合了許多高性能周邊裝置的400MHz微處理器,加上降低系統成本的最佳化設計,同時使用Linux和Android的最新版本,這樣的系統組合將可節省很多成本,並增加盈利空間。

(本文作者任職於愛特梅爾)

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