一個全新的AWorks平臺，服務IoT物聯網生態系統

本文導讀

經過十多年的不斷研發、積累和完善，廣州致遠電子有限公司（www.zlg.cn）推出了全新的AWorks平臺——IoT物聯網生態系統。并已成功地應用到ZLG的示波器、功率計、功率分析儀、電壓監測儀、電能質量分析儀、數據記錄儀與工業通訊等系列高性能儀器和工業IoT產品中。AWorks的誕生極大的降低了開發者門檻，為開發者提供便利，使開發者可以忽略底層技術細節，專注產品“核心域”，更快的開發出具有競爭力的產品。同時，AWorks為開發者提供的是高度抽象的通用接口，基于AWorks平臺的軟件與底層硬件無關，可以“隨心所欲”的跨平臺復用（如更換MCU等等）。

AWorks是在怎樣的背景下誕生的？AWorks究竟是什么？怎樣使用AWorks？本文作為AWorks的簡介，將解答這些疑問，使讀者對AWorks有一個初步的認識。

1.1誕生的背景

雖然嵌入式系統和通用計算機系統同源，但由于應用領域和研發人員的不同，嵌入式系統很早就走向了相對獨立的發展道路。通用計算機軟件幫助人們解決了各種繁雜的問題，隨著需求的提升，所面臨的問題越來越復雜，軟件領域的大師們對這些問題進行了深入研究和實踐，于是誕生了科學的軟件工程理論，無需多言，通用計算機軟件的發展是我們有目共睹的。

再回過頭來看嵌入式系統的發展，其需求相對來說較為簡單，比如，通過熱電阻傳感器測溫、上下限報警與繼電器的動作，因此嵌入式系統的應用開發似乎沒有必要使用復雜的軟件工程方法，于是通用計算機系統和嵌入式系統走上了不同的發展道路。

當嵌入式系統發展到今天，所面對的問題也日益變得復雜起來，而編程模式卻沒有多大的進步，這就是所面臨的困境。相信大家都或多或少地感覺到了，嵌入式系統行業的環境已經開始發生根本的改變，智能硬件和工業互聯網等都讓人始料不及，危機感油然而生。

盡管企業投入巨資不遺余力地組建了龐大的開發團隊，當產品開發完成后，從原材料BOM與制造成本角度來看，毛利還算不錯。當扣除研發投入和合理的營銷成本后，企業的利潤所剩無幾，即便這樣員工依然還是感到不滿意，這就是傳統企業管理者的窘境。

雖然ZLG投入了大量的人力資源，但重復勞動所造成的損耗以億元計。上千種MCU、大量的片上外設、眾多的外圍器件，操作方式不盡相同。由于缺乏平臺化的技術，即便相同的外圍器件，幾乎都要重新編寫相應的代碼和文檔并進行測試，所有的應用軟件很難做到完美地復用。

在開發同一系列高中低三個層次的產品時，通常會遇到這樣的問題，主芯片可能使用ARM9、雙核A9和DSP，其操作系統分別為μC/OS-II、Linux和SysBIOS。不僅驅動代碼不兼容，而且應用層代碼也不一樣，如此一來，僅僅維護這些各不相同的代碼就要消耗大量的人力資源。同時，對于開發人員，每天處在這繁重的維護工作中，很難再專注于產品本身，發現新的創新點。

傳統的嵌入式開發門檻很高，從硬件到軟件，從底層驅動到各種協議棧、中間件，再到應用程序，這些都是嵌入式開發必須要掌握的技能。比如，使用一個新的MCU，需要閱讀上千頁的數據手冊；使用OS不得不深入底層，了解原理和移植底層核心代碼；產品需要聯網，又不得不學習豐富的通信技術和物聯網協議（NB-IoT、Lora、Bluetooth、WIF、HTTP、MQTT、LWM2M、TLS……）。

相信很多開發者都有過項目從最底層的寄存器操作開始，一步一步地構建整個開發平臺的慘痛經歷。項目投入了大量的人力、物力、財力，結果往往卻不甚理想。這是因為我們并非是各個方面的專家，不可能每一面都能做得很好，項目自然會為此而付出巨大的成本。

什么都要做，卻什么也做不好，這就是當前嵌入式開發的真實寫照。同時，對于一個具體產品來講，這些技術僅僅只是產品的基礎“工具”，并非“核心域”，產品的價值在于產品本身的創新。若在開發產品前，開發者需要花大量的時間和精力學習這些新技術、新知識，不僅嚴重影響產品的開發進度，而且隨著時間的消耗，最初的創意、最初的靈感，很可能就被這些技術細節打敗，消磨殆盡，很難開發出具有競爭力的產品了。為了解決種種痛點，經過十多年的不斷研發、積累和完善，ZLG推出了AWorks平臺。

1.2概述

圖1.1 AWorks

如圖1.1所示是AWorks的標識符。從概念上講，AWorks是ZLG經過十多年時間積累開發的IoT物聯網生態系統。AWorks平臺的宗旨是“軟件定義一切”，使應用與具體硬件平臺徹底分離，實現“一次編程、終生使用”和“跨平臺”。AWorks提供了大量高質量、可復用的組件，行業合作伙伴可以在該平臺上直接開發各種應用，通過有線接入和無線接入收集、管理和處理數據。從而將程序員從“自底層寄存器開始開發、學習各種協議”的苦海中解放出來，使開發者可以回歸產品本質，以應用為中心，將主要精力集中在需求、算法和用戶體驗等業務邏輯上。具體來說，可以從兩個方面來理解AWorks。

首先，AWorks是一個平臺。它提供了一種通用機制，能夠將各種軟件組件有機的集成在一起，使其可以為用戶提供數量龐大且高質量、高價值的服務。這些組件經過了精心的設計和實現，在代碼體積、效率、可靠性和易用性方面下了很大功夫。

其次，AWorks是跨平臺的，這里的平臺指的是底層硬件平臺或具體軟件的實現。AWorks規范了各種類型組件的通用接口，這些通用接口是對某一類功能高度抽象的結果，與具體芯片、外設、器件及實現方式均無關。例如，定義了一組文件系統接口，接口與具體存儲硬件，具體文件系統實現方法（FAT、YaFFS、UFFS等）均無關。換言之，存儲硬件、文件系統的實現都可以任意更換，不會影響到通用接口?；诖?，只要應用程序基于這些通用接口進行開發。那么，應用程序就可以跨平臺使用，更換底層硬件不會影響到應用程序。換句話說，無論 MCU 如何改變，則基于AWorks平臺的應用軟件均可復用。

下面，首先簡述AWorks的基本特點，然后向讀者展示AWorks的架構圖。

1.2.1 特點

AWorks具有以下特點：

• 所有內部組件均可靜態實例化，避免內存泄漏，提高系統運行的確定性和實時性；

• 深度優化了組件初始化過程，使系統能以極短的時間（通常小于1s）啟動；

• 所有組件可插拔、可替換、可配置（可通過便捷的圖形配置工具完成）；

• 領先的驅動管理框架：AWbus-lite，使驅動程序可以得到最大限度的復用；

• 先進的電源管理模塊，最大限度地降低功耗；

• 提供常用的通用組件：文件系統、TCP/IP議棧、USB協議棧等；

• 主要目標領域：IoT物聯網，提供WiFi、Bluetooth、Zigbee、GPRS、3G等無線接入方式，以及6LoWPAN、TLS、DTLS、CoAP、MQTT、LWM2M等物聯網關鍵協議棧。云端接入方面，支持機智云、IBM、阿里云等云服務平臺應用程序框架，很快也將推出ZLG自主研發的云平臺；

• 包含極微小原生內核，任務數量無限制，高達1024優先級，支持同優先級任務，最小能在1K RAM、2K ROM中運行，包含多任務管理、信號量、互斥量、消息隊列等多種OS服務；

• 除原生內核外，也可使用ucCOS、FreeRTOS等實時操作系統作為AWorks的內核；

• 提供第三方組件的適配器，方便用戶跳過移植階段，直接使用第三方組件，比如LWIP、FatFS、SQLite等。

簡單的說AWorks平臺提供了標準化的硬件擴展接口與硬件無關的標準化API函數接口，提供了大量高質量的組件，這些組件都是可剪裁、可配置的?；贏Works中大量的組件，開發者無需關心與MCU、OS有關的基礎知識，只要會 C語言就能將需求開發成產品。

為了幫助用戶快速搭建產品原型，ZLG還提供了豐富的硬件模塊供開發者選擇，如i.MX28x底板及系列核心板、M3352底板及系列核心板、M6748底板及系列核心板和一系列外圍擴展配件（傳感器配件、ZigBee配件、WI-FI配件、3G配件等工業IoT常用配件）。

1.2.2 架構

AWorks架構圖詳見圖1.2。

圖1.2 AWorks的架構

可以簡單地將AWorks看作三層結構：應用層、中間層和硬件層。

1、應用層

包含用戶編寫的應用程序。應用程序可以使用C開發，也可以使用C++開發。對于部分硬件平臺，AWorks還提供了Python（MicroPython）的支持，用戶可以直接使用Python語言開發應用程序。

2、中間層

中間層是AWorks的主體部分，其包含了各式各樣的組件，在AWorks中，一切軟件都可以視為組件，常見的有：驅動軟件（比如，PCF85063驅動）、通用工具軟件（比如，鏈表、環形緩沖區）、一些大型的協議棧（比如，TCP/IP）等。

雖然AWorks集成的組件十分繁多，但都是可裁剪的，AWorks甚至能夠在只有幾K內存的小資源平臺上運行。其中，AMetal是一個特殊的組件，其位于外設和外圍器件之上，本質上是一個裸機支持包，負責與底層硬件打交道，完成寄存器級別的操作，封裝底層硬件的功能，并完成基礎功能的抽象，為系統上層提供統一的硬件操作接口。換言之，AMetal處理了底層硬件的差異性，使系統上層專注于硬件功能的使用，無需再處理繁雜器件之間的差異性，為每一類不同器件編寫不同的驅動。

除AMetal外，其余所有組件可以分為5大類（在架構圖中使用黑色的矩形框進行了劃分，并在矩形框左上角對該類組件進行了命名）：應用框架&庫（Application Frameworks & Libs）、基礎服務（Base Facilities）、實時內核（Real-Time Kernel）、網絡（Networking）、設備管理（Device Management）。

• 應用框架&庫

  (Application Frameworks & Libs)

應用框架是直接為應用程序服務的，主要包含一些大型的系統框架，如：GUI、腳本引擎、數據庫、Bootloader等。

AWorks兼容Posix，使基于Posix接口的應用程序可以無縫移植到AWorks平臺中運行。為便于用戶使用，AWorks還提供了一系列算法庫。

在這里，特別說明一下相對讀者來講比較陌生的一個概念：“AWPI C++框架”，其同樣是由廣州致遠電子有限公司推出的。AWPI提供了一套C++接口，它與操作系統和平臺均無關，在任何地方都可以使用，類似于Posix接口，只要一個系統兼容AWPI，那么基于AWPI的應用就可以在該系統中運行。

當前，AWPI已經支持AWorks、Windows和Linux系統。如此一來，習慣于在Windows或Linux上做開發的C++程序員，只要其使用AWPI開發C++應用程序，那么這些應用程序就可以在AWorks中運行，而AWorks又是定位于IoT物聯網的生態系統，換句話說，C++程序員無需了解嵌入式底層，就可以直接使用C++開發物聯網相關應用。

• 基礎服務

AWorks提供了一系列基礎服務，這是一些高效、功能完善的組件，主要包括：文件系統、I/O系統、Shell服務、加密（安全）服務、電源管理（低功耗）、測試框架、狀態機框框架、事件管理框架等。

• 實時內核

實時內核可以看作一個OS內核，提供OS基礎服務：時間管理、線程服務、同步（互斥鎖、信號量、消息郵箱等）、原子操作、數據傳遞、內存管理等。

通常情況下，AWorks默認使用的OS內核是廣州致遠電子有限公司自主研發的輕量級RTOS：AWorks OS（RTK）。但實際上，AWorks并不限制使用某一特定的操作系統，操作系統如同驅動代碼一樣，僅僅是一個可以根據需要任意更換的組件。

在AWorks中，要使用某一操作系統，僅需提供一個對應的適配器即可。操作系統適配器直接駐留在操作系統接口之上，主要用于屏蔽各類操作系統和硬件接口的差異，從而大大地增強了AWorks的可移植性和可維護性。

當前，AWorks已經為常見的操作系統提供了適配器，比如，SYSBIOS Adaptor、Windows Adaptor、Linux Adaptor等。以支持在AWorks中使用這些操作系統。

• 網絡

網絡是AWorks非常重要的組成部分，也是其作為IoT生態系統的必備條件。在萬物互聯的大趨勢下，網絡相關技術也得到了快速的發展。AWorks緊隨時代潮流，支持眾多常用協議以及最新的協議。用戶基于AWorks平臺開發，無需再深入研究網絡協議，直接使用這些協議即可。

目前，AWorks支持常見的通信技術，主要有：ModBus協議、CAN協議（這里的CAN側重于CAN協議棧，設備管理中的CAN側重于CAN硬件通訊接口）、Cellular（蜂窩）、WIFI、以太網、Lora WAN、NB-IoT、Bluetooth、zigbee等。

同時，AWorks具有TCP/IP協議棧，支持IPv6，支持TLS（使用TLS加密通信）以及大量基于TCP/IP的應用協議，如：FTP、SMTP、HTTP、MQTT、CoAP、LWM2M等。

特別地，隨著物聯網的發展，越來越多的設備需要接入“云”，AWorks已經針對第三方云（主要包括阿里云、機智云等）進行了適配，基于AWorks的應用可以輕松的接入這些“云”，第三方云的支持可以方便用戶將之前的程序遷移到AWorks平臺。除此之外，AWorks平臺還將推出自主研發的云平臺。

• 設備管理

設備管理用于管理一系列硬件設備，在嵌入式系統中，設備的種類非常繁多，如GPIO、PWM、ADC、ADC、I²C、SPI、CAN、Serial、USB、PCIe、傳感器、人機界面、媒體設備、存儲設備等。使用一個設備管理框架可以實現對這些設備“有條不紊”的管理。

3、硬件層

硬件層表示了當前AWorks支持的硬件設備。主要分為兩大類：

• 支持的CPU內核

當前支持的CPU內核主要有：Cortex-M0/3/4/7、Coterx-A7/8/9、ARM7/9、DSP等常用內核。

• 支持的外設 & 外圍器件

外設主要是指MCU的片上外設，如ADC、DAC、GPIO、UART、SPI、I²C等；外圍器件主要是指一些IC芯片，常見的有：各類傳感器芯片、存儲器芯片、接口擴展芯片（比如，UART轉兩路SPI）、專用芯片（如以太網PHY芯片）等。

1.3發布形式

圖1.3 SDK發布形式

AWorks的發布形式是SDK（Software Development Kit），SDK中包含了文檔、工具、示例代碼、模版工程等。詳見圖1.3。

詳盡的文檔旨在幫助用戶快速上手AWorks。例如：《快速入門手冊》可以幫助用戶快速搭建好開發環境；《用戶手冊》可以使用戶對SDK有更深入的了解，如目錄結構、平臺資源（ADC通道數目、PWM通道數目等）等，并掌握硬件平臺相關資源的定義和配置（如LED0對應的I/O口）。

示例代碼展示了一些組件的使用方法，比如，多任務、文件系統、定時器、內存管理等等。當用戶使用一個新的組件時，可以參考SDK中提供的示例代碼，快速理解各個接口的使用方法。模版工程用于用戶快速創建自己的應用工程，使創建新的工程非常簡單：拷貝一份模版工程并重命名即可。

AWorks是不開源的，內部核心功能組件都是以庫的形式提供，相關接口通過頭文件引出。用戶直接使用各個組件提供的接口開發應用程序，專注于應用程序開發，無需關心底層實現。需要注意的是，AWorks SDK與具體硬件開發套件相對應，不同硬件平臺使用的SDK是不同的。廣州致遠電子有限公司推出了一系列嵌入式硬件開發套件，供用戶二次開發，快速搭建產品原型。如EPC-AW280底板可以分別與A280-W64F8AWI（WIFI核心板）、A280-Z64F8AWI（zigbee核心板）和A280-M64F8AWI（無線讀卡核心板）組成3套開發套件，詳見圖1.4。

圖1.4 底板與3個核心板可以組成3套開發套件

為了便于客戶使用，廣州致遠電子有限公司為每套硬件都提供了對應的AWorks SDK，即SDK與具體硬件開發套件一一對應。在使用AWorks前，需要聯系廣州致遠電子有限公司，獲取到對應硬件的SDK。

不同硬件對應的SDK是不同的，不建議混用。不同SDK對底層硬件的不同分別進行了處理，屏蔽了底層硬件的差異性，對于用戶來講，無論使用何種硬件，應用程序使用的API是完全相同的，也正因為如此，應用程序不會與某一硬件平臺捆綁，可以很容易地實現跨平臺復用。

1.4使用方法

對于用戶來講，獲取AWorks SDK后，即可基于AWorks快速開發應用程序。在開發某一應用程序前，需要先建立一個新的工程，在AWorks SDK中，已經提供了模板工程，“新建工程”只需簡單拷貝一下即可。

模板工程就是位于projects_keil5applications目錄下的template文件夾。新建工程即將template文件夾重新復制一份，并將拷貝得到的文件夾重命名為與具體應用相關的名字，例如：要編寫一個LED閃爍應用，則可以命名為：led_blinking。接著打開led_blinking文件夾，將工程文件template.uvprojx也重命名為led_blinking.uvprojx，至此，即完成了工程的建立。若用戶已經正確安裝了keil軟件，則雙擊led_blinking.uvprojx工程文件即可打開工程。（更詳細的操作詳見配套開發資料中的《快速入門手冊》，其中包含了詳盡的軟件安裝步驟）。打開工程后，即可在user_code分組下的main.c文件中添加具體的應用程序代碼。

作為示例，可以編寫一個簡單的LED閃爍程序，詳見程序清單1.1。

程序清單1.1 LED閃爍范例程序

將該程序編譯、鏈接后即可生成程序固件，并可以下載到開發板上運行，具體操作方法相見SDK中的《快速入門手冊》。

在AWorks中，函數的命名以“aw_”開頭，其中，aw_led_toggle()在aw_led.h文件中聲明，用于翻轉LED；aw_mdelay()在aw_delay.h文件中聲明，用于延時指定的時間（單位：毫秒）。這些接口的詳細使用方法將在后續相關的章節予以介紹。需要特別注意的是，在AWorks平臺中編寫應用程序時，所有源文件都應該首先包含aworks.h文件。

在這里，初步體會了LED和延時服務兩類API，實際中，任何模塊或服務的使用方法都是類似的。首先，包含該模塊或服務對應的頭文件（“aw_xxx.h”）；然后，使用頭文件中提供的API。后續章節將詳細介紹AWorks提供的一些基礎服務，比如，常用設備（LED、按鍵、數碼管等）、常用外設（GPIO、PWM、SPI等）、時間管理、內存管理、OS內核、文件系統等。