探索嵌入式應用框架（EAF）
EAF是Embedded Application Framework 的縮寫，即嵌入式應用框架。嵌入式應用框架是 Application framework的一種， 是在嵌入式領域的應用框架。
Application Framework——應用框架，是一種軟件框架，軟件開發人員用應用框架作為標準結構，以便實現應用軟件。
那什么是軟件框架呢？
關于軟件框架
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用。 軟件框架提供了構建和部署應用程序的標準方式。 軟件框架是一個通用的、可重用的軟件環境, 它提供特定的功能, 作為大型軟件平臺的一部分, 以促進軟件應用程序、產品和解決方案的開發。 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的開發。
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 應用框架更加豐富多彩，基于各自語言實現的Web Application Framework 不勝枚舉。
進一步， 很多的系統架構也引入Framework 的概念，例如，Enterprise architecture framework等等，甚至在研發管理上也同樣涌現了Framework，例如 Project Management Framework，Risk Management Framework等，外延在不斷在融合放大。
關于軟件應用框架的開發著述也有很多，例如側重API設計的《軟件框架設計的藝術》等等。
嵌入式系統的應用框架
與一般的電腦相比, 嵌入式設備有著自己的特性, 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制, 利用可能存在的傳感器和存在一個嵌入式單元網絡, 既可以在單位和網絡一級對現有資源進行***管理, 并提供遠遠超出現有可用功能的增強功能。 這或許就是嵌入式應用的必然性。
EAF 是面向嵌入式系統的軟件應用框架。嵌入式系統是一個在較大的機械或電氣系統中具有專用功能的計算機系統, 通常具有實時計算約束。嵌入式系統從便攜式設備, 如數字手表和 MP3播放器, 到大型的固定設備, 如交通燈, 工廠控制器, 以及大部分復雜的系統, 如混合動力車、核磁共振成像和航空電子設備等等。 復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。
鑒于如此的復雜，很難有一個統一的應用開發框架。
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的應用框架進行嘗試分析。
手機上的應用框架
由于手機的功能越來越強大，很多時候被認為超出了嵌入式系統的范疇。但是，了解手機上的應用框架，對于EAF而言，還是大有裨益的。
手機上的應用開發框架一般也被稱為 Mobile Development Framework。近些年，隨著智能手機的普及，面向手機開發的應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的嵌入式設備可以輕松使用android的軟件應用框架。google 還面向嵌入式設備推出了android wearable 等一系列方案，當然iOS 也是如此。
下圖就是那張經典的android 架構層次圖：
- Android應用程序框架分為應用層、應用框架層、系統運行庫層和Linux內核層，在開發應用時就是在這個框架上進行擴展。Android應用框架的部分功能如下：
- android.app：提供高層的程序模型和基本的運行環境。
- android.content：包含對各種設備上的數據進行訪問和發布。
- android.database：通過內容提供者瀏覽和操作數據庫。
- android.graphics：底層的圖形庫,包含畫布,顏色過濾,點,矩形，可以直接繪制屏幕上。
- android.location：定位和相關服務的類。
- android.media：提供一些類管理多種音頻、視頻的媒體接口。
- android.net：提供幫助網絡訪問的類，超過通常的java.net.*接口。
- android.os：提供了系統服務、消息傳輸和IPC機制。
- android.opengl：提供OpenGL的工具。
- android.provider：提供訪問Android內容提供者的類。
- android.telephony：提供與撥打電話相關的API交互。
- android.view：提供基礎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）在應用程序的布局中。
智能手機的資源還是相當豐富的，在智能手機之前的Feature Phone 同樣有著自己的應用開發框架，只是不如Android 和iOS 那么普及，已經逐漸被人們所遺忘。 但是，這些應用框架的設計思想和實現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 平臺就是手持設備上嵌入式芯片操作系統的接口或抽象層。
- BINARY 是指二進制。BREW的編程接口是一套二進制的函數庫。所有基于BREW的應用和擴展類被編譯和聯接成二進制代碼，在本地執行。
- RUNTIME是指運行時間。所有基于BREW的應用和擴展類志在運行時被發現和調用，這一點很像動態連接庫，事實上，BREW的應用和擴展類的模擬器版本就是一個DLL。
- ENVIRONMENT是指環境。BREW是一個開放而且靈活的環境，提供了大量的編程接口，并可以管理豐富的業務。
- WIRELESS是指無線。BREW 可以充分***設備的特性，快速有效的運行與低 RAM/FLASH 的環境中，使有限的無線網絡資源得到有效的使用。
BREW基本上遵從COM這一組件構架的。組件架構的一個優點就是應用可以隨時間的流逝而發展進化，除此之外，使用組件還有一些可以使對以有應用的升級更加方便和靈活的優點，如應用的定制，組件庫以及分布式組件等。
M2M的應用框架
鑒于 M2M 技術的特點, 系統設計者可能不得不從頭開始構建整個 M2M 體系結構。其核心是, M2M 技術包括增加一個裝置或設備的智能服務, 并將該設備與可以監控或控制該設備的后端基礎設施連接起來。 為了實現這一目標, 一個 M2M 設備使用了兩個基本元素: 與后端通信的基礎設施(無線調制解調器或模塊)和運行服務的軟件。
通過提供一種將 M2M 服務直接嵌入通信模塊的方法, 以及預先安裝裝的軟件模塊、連接能力和處理資源方式，一般的M2M 應用框架如下：
EAF一般包括下列組成部分:
優化的輕量級操作系統
雖然一些 M2M 應用程序需要更強大的 RTOS, 但大多數都不需要。 操作系統的設計能夠提供 API 來控制語音, 數據調用, 短信, 以及 TCP/IP 連接。 應該經過優化, 以充分利用直接訪問協議棧的能力。 為了提供對連接應用程序的全面支持, 操作系統還應提供一個核心功能集, 其中包括:
- 實時性, 包括保證對外部或內部中斷的響應時間, 不論其狀態如何。
- 靈活安排任務的優先順序。
- 多任務能力, 以定義和同步服務所需的任務。
- 在處理速度和功率選擇方面的靈活性, 以優化電池壽命。
- 內存、固件和軟件保護功能。
- 能夠使用API訪問蜂音頻等媒體和數據路徑。
軟件庫
為了簡化開發過程和市場的速度時間, EAF 應該包括各種軟件庫和API, 提供設備或服務可能需要的各種功能。 這包括定位、全面的互聯網連接協議、無線和互聯網安全等服務。 EAF還應支持為目標市場具體需求開發的第三方軟件庫。 理想情況下, EAF 不僅應得到通信模塊供應商的支持, 還應該得到合作伙伴和開發者的支持。
開發工具
EAF 還應該包含一個開發工具包, 以便于編碼、調試和監視 M2M 應用程序, 這些工具應該是開源的, 可以免費使用。 最終, EAF 應該提供開發 M2M 應用程序并將其嵌入模塊所需的一切。
云連接
***, EAF 應該提供工具來簡化連接設備的云管理, 包括一個完全實現的系統來處理設備監控和軟件/固件升級。 該系統應該允許開發者監控設備的健康狀況, 并識別潛在的問題。 它還應該包括已驗證的操作系統遠程升級工具, 以及使用補丁機制的熱修復工具。
面向腳本的EAF
對于為嵌入式系統創建軟件的開發者而言，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，腳本被用來自動構建和運行驗證測試。作為全棧必備的Javascript被廣泛應用于網頁、 web 服務器和移動應用程序中，在嵌入式系統中也將占據一席之地。
出于對性能的擔心，可以通過一些技術手段提升JavaScript的運行性能：
1.充分利用內置函數和對象。 Javascript 語言擁有支持數組、 JSON、正則表達式和其他字符串運算的復雜內置對象。 這些實現通常在 JavaScript 引擎中得到了很好的優化。
2.小心編碼。由于腳本比本地代碼慢, 代碼優化在性能重要的地方是至關重要的。 Javascript 的動態特性意味著 JavaScript 引擎通常不能像 c 編譯器那樣有效地優化代碼。
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***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用本地代碼的方法。 如果不確定性能, 首先在 JavaScript 中實現, 因為它更容易執行。 如果存在性能瓶頸, 請在 c 中重新實現函數。
在 Mozilla 的一個項目 asm.js 中出現了一個可以替代使用 c 的方法。 定義了一個嚴格的 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。 嵌入式開發人員可以在 asm.js JavaScript 子集中編寫性能關鍵代碼, 并將其編譯為本地代碼, 作為構建過程的一部分, 而不是依賴 JIT。
對于內存的使用而言，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存的需要。 通過這種簡化, 嵌入式開發人員有時間專注于其他方面的開發。
目前，已經有多個開發系統開始支持嵌入式的JavaScript：
- Espruino是一個單片機開發板, 被稱為微控制器的 JavaScript。 它運行開源的 Espruino JavaScript 引擎, 它支持 JavaScript 標準的子集。
- 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，開發人員可以使用Node.js進行開發。
- Marvell Semiconductor 的 Kinoma Create 是一個運行在 Marvell 半導體上的"JavaScript 物聯網構建工具包", 它支持完整的 JavaScript 5.0.
在國內，也有類似的開發系統，例如老友周愛民老師所在的ruff.io。
總之，Javascript 在嵌入式設備上的潛力很大, 可以簡化嵌入式程序員的開發工作, 并為客戶提供更可靠、更可定制的產品。
綜上所述，嵌入式應用框架（EAF）對嵌入式系統的成功有著重要的意義。特別是對于嵌入式開放平臺而言，能夠提高開發者的開發效率，促進生態系統的繁榮。然而，IoT中還有很多超輕量級的設備，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的EAF，只是我不知道而已。
參考：
Jaroslav Tulach， 《軟件框架的設計藝術》，人民郵電出版社，2011
金泰延 宋亨周 樸知勛 李白 林起永， 《Android 框架揭秘》，人民郵電出版社，2012
曹洪偉，《BREW 進階與精通》，電子工業出版社，2009
http://www.embedded-computing.com/hardware/embedded-application-frameworks-simplifying-the-development-of-m2m-devices
http://www.embedded-computing.com/embedded-computing-design/javascript-for-embedded-devices
http://www.embedded-computing.com/embedded-computing-design/speeding-embedded-systems-time-to-market-using-node-js
【本文來自51CTO專欄作者“老曹”的原創文章，作者微信公眾號：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】
