一个全新的AWorks平台，服务IoT物联网生态系统

本文导读

经过十多年的不断研发、积累和完善，广州致远电子有限公司（www.zlg.cn）推出了全新的AWorks平台——IoT物联网生态系统。并已成功地应用到ZLG的示波器、功率计、功率分析仪、电压监测仪、电能质量分析仪、数据记录仪与工业通讯等系列高性能仪器和工业IoT产品中。AWorks的诞生极大的降低了开发者门槛，为开发者提供便利，使开发者可以忽略底层技术细节，专注产品“核心域”，更快的开发出具有竞争力的产品。同时，AWorks为开发者提供的是高度抽象的通用接口，基于AWorks平台的软件与底层硬件无关，可以“随心所欲”的跨平台复用（如更换MCU等等）。

AWorks是在怎样的背景下诞生的？AWorks究竟是什么？怎样使用AWorks？本文作为AWorks的简介，将解答这些疑问，使读者对AWorks有一个初步的认识。

1.1诞生的背景

虽然嵌入式系统和通用计算机系统同源，但由于应用领域和研发人员的不同，嵌入式系统很早就走向了相对独立的发展道路。通用计算机软件帮助人们解决了各种繁杂的问题，随着需求的提升，所面临的问题越来越复杂，软件领域的大师们对这些问题进行了深入研究和实践，于是诞生了科学的软件工程理论，无需多言，通用计算机软件的发展是我们有目共睹的。

再回过头来看嵌入式系统的发展，其需求相对来说较为简单，比如，通过热电阻传感器测温、上下限报警与继电器的动作，因此嵌入式系统的应用开发似乎没有必要使用复杂的软件工程方法，于是通用计算机系统和嵌入式系统走上了不同的发展道路。

当嵌入式系统发展到今天，所面对的问题也日益变得复杂起来，而编程模式却没有多大的进步，这就是所面临的困境。相信大家都或多或少地感觉到了，嵌入式系统行业的环境已经开始发生根本的改变，智能硬件和工业互联网等都让人始料不及，危机感油然而生。

尽管企业投入巨资不遗余力地组建了庞大的开发团队，当产品开发完成后，从原材料BOM与制造成本角度来看，毛利还算不错。当扣除研发投入和合理的营销成本后，企业的利润所剩无几，即便这样员工依然还是感到不满意，这就是传统企业管理者的窘境。

虽然ZLG投入了大量的人力资源，但重复劳动所造成的损耗以亿元计。上千种MCU、大量的片上外设、众多的外围器件，操作方式不尽相同。由于缺乏平台化的技术，即便相同的外围器件，几乎都要重新编写相应的代码和文档并进行测试，所有的应用软件很难做到完美地复用。

在开发同一系列高中低三个层次的产品时，通常会遇到这样的问题，主芯片可能使用ARM9、双核A9和DSP，其操作系统分别为µC/OS-II、Linux和SysBIOS。不仅驱动代码不兼容，而且应用层代码也不一样，如此一来，仅仅维护这些各不相同的代码就要消耗大量的人力资源。同时，对于开发人员，每天处在这繁重的维护工作中，很难再专注于产品本身，发现新的创新点。

传统的嵌入式开发门槛很高，从硬件到软件，从底层驱动到各种协议栈、中间件，再到应用程序，这些都是嵌入式开发必须要掌握的技能。比如，使用一个新的MCU，需要阅读上千页的数据手册；使用OS不得不深入底层，了解原理和移植底层核心代码；产品需要联网，又不得不学习丰富的通信技术和物联网协议（NB-IoT、Lora、Bluetooth、WIF、HTTP、MQTT、LWM2M、TLS……）。

相信很多开发者都有过项目从最底层的寄存器操作开始，一步一步地构建整个开发平台的惨痛经历。项目投入了大量的人力、物力、财力，结果往往却不甚理想。这是因为我们并非是各个方面的专家，不可能每一面都能做得很好，项目自然会为此而付出巨大的成本。

什么都要做，却什么也做不好，这就是当前嵌入式开发的真实写照。同时，对于一个具体产品来讲，这些技术仅仅只是产品的基础“工具”，并非“核心域”，产品的价值在于产品本身的创新。若在开发产品前，开发者需要花大量的时间和精力学习这些新技术、新知识，不仅严重影响产品的开发进度，而且随着时间的消耗，最初的创意、最初的灵感，很可能就被这些技术细节打败，消磨殆尽，很难开发出具有竞争力的产品了。为了解决种种痛点，经过十多年的不断研发、积累和完善，ZLG推出了AWorks平台。

1.2概述

图1.1 AWorks

如图1.1所示是AWorks的标识符。从概念上讲，AWorks是ZLG经过十多年时间积累开发的IoT物联网生态系统。AWorks平台的宗旨是“软件定义一切”，使应用与具体硬件平台彻底分离，实现“一次编程、终生使用”和“跨平台”。AWorks提供了大量高质量、可复用的组件，行业合作伙伴可以在该平台上直接开发各种应用，通过有线接入和无线接入收集、管理和处理数据。从而将程序员从“自底层寄存器开始开发、学习各种协议”的苦海中解放出来，使开发者可以回归产品本质，以应用为中心，将主要精力集中在需求、算法和用户体验等业务逻辑上。具体来说，可以从两个方面来理解AWorks。

首先，AWorks是一个平台。它提供了一种通用机制，能够将各种软件组件有机的集成在一起，使其可以为用户提供数量庞大且高质量、高价值的服务。这些组件经过了精心的设计和实现，在代码体积、效率、可靠性和易用性方面下了很大功夫。

其次，AWorks是跨平台的，这里的平台指的是底层硬件平台或具体软件的实现。AWorks规范了各种类型组件的通用接口，这些通用接口是对某一类功能高度抽象的结果，与具体芯片、外设、器件及实现方式均无关。例如，定义了一组文件系统接口，接口与具体存储硬件，具体文件系统实现方法（FAT、YaFFS、UFFS等）均无关。换言之，存储硬件、文件系统的实现都可以任意更换，不会影响到通用接口。基于此，只要应用程序基于这些通用接口进行开发。那么，应用程序就可以跨平台使用，更换底层硬件不会影响到应用程序。换句话说，无论 MCU 如何改变，则基于AWorks平台的应用软件均可复用。

下面，首先简述AWorks的基本特点，然后向读者展示AWorks的架构图。

1.2.1 特点

AWorks具有以下特点：

• 所有内部组件均可静态实例化，避免内存泄漏，提高系统运行的确定性和实时性；

• 深度优化了组件初始化过程，使系统能以极短的时间（通常小于1s）启动；

• 所有组件可插拔、可替换、可配置（可通过便捷的图形配置工具完成）；

• 领先的驱动管理框架：AWbus-lite，使驱动程序可以得到最大限度的复用；

• 先进的电源管理模块，最大限度地降低功耗；

• 提供常用的通用组件：文件系统、TCP/IP议栈、USB协议栈等；

• 主要目标领域：IoT物联网，提供WiFi、Bluetooth、Zigbee、GPRS、3G等无线接入方式，以及6LoWPAN、TLS、DTLS、CoAP、MQTT、LWM2M等物联网关键协议栈。云端接入方面，支持机智云、IBM、阿里云等云服务平台应用程序框架，很快也将推出ZLG自主研发的云平台；

• 包含极微小原生内核，任务数量无限制，高达1024优先级，支持同优先级任务，最小能在1K RAM、2K ROM中运行，包含多任务管理、信号量、互斥量、消息队列等多种OS服务；

• 除原生内核外，也可使用ucCOS、FreeRTOS等实时操作系统作为AWorks的内核；

• 提供第三方组件的适配器，方便用户跳过移植阶段，直接使用第三方组件，比如LWIP、FatFS、SQLite等。

简单的说AWorks平台提供了标准化的硬件扩展接口与硬件无关的标准化API函数接口，提供了大量高质量的组件，这些组件都是可剪裁、可配置的。基于AWorks中大量的组件，开发者无需关心与MCU、OS有关的基础知识，只要会 C语言就能将需求开发成产品。

为了帮助用户快速搭建产品原型，ZLG还提供了丰富的硬件模块供开发者选择，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围扩展配件（传感器配件、ZigBee配件、WI-FI配件、3G配件等工业IoT常用配件）。

1.2.2 架构

AWorks架构图详见图1.2。

图1.2 AWorks的架构

可以简单地将AWorks看作三层结构：应用层、中间层和硬件层。

1、应用层

包含用户编写的应用程序。应用程序可以使用C开发，也可以使用C++开发。对于部分硬件平台，AWorks还提供了Python（MicroPython）的支持，用户可以直接使用Python语言开发应用程序。

2、中间层

中间层是AWorks的主体部分，其包含了各式各样的组件，在AWorks中，一切软件都可以视为组件，常见的有：驱动软件（比如，PCF85063驱动）、通用工具软件（比如，链表、环形缓冲区）、一些大型的协议栈（比如，TCP/IP）等。

虽然AWorks集成的组件十分繁多，但都是可裁剪的，AWorks甚至能够在只有几K内存的小资源平台上运行。其中，AMetal是一个特殊的组件，其位于外设和外围器件之上，本质上是一个裸机支持包，负责与底层硬件打交道，完成寄存器级别的操作，封装底层硬件的功能，并完成基础功能的抽象，为系统上层提供统一的硬件操作接口。换言之，AMetal处理了底层硬件的差异性，使系统上层专注于硬件功能的使用，无需再处理繁杂器件之间的差异性，为每一类不同器件编写不同的驱动。

除AMetal外，其余所有组件可以分为5大类（在架构图中使用黑色的矩形框进行了划分，并在矩形框左上角对该类组件进行了命名）：应用框架&库（Application Frameworks & Libs）、基础服务（Base Facilities）、实时内核（Real-Time Kernel）、网络（Networking）、设备管理（Device Management）。

• 应用框架&库

  (Application Frameworks & Libs)

应用框架是直接为应用程序服务的，主要包含一些大型的系统框架，如：GUI、脚本引擎、数据库、Bootloader等。

AWorks兼容Posix，使基于Posix接口的应用程序可以无缝移植到AWorks平台中运行。为便于用户使用，AWorks还提供了一系列算法库。

在这里，特别说明一下相对读者来讲比较陌生的一个概念：“AWPI C++框架”，其同样是由广州致远电子有限公司推出的。AWPI提供了一套C++接口，它与操作系统和平台均无关，在任何地方都可以使用，类似于Posix接口，只要一个系统兼容AWPI，那么基于AWPI的应用就可以在该系统中运行。

当前，AWPI已经支持AWorks、Windows和Linux系统。如此一来，习惯于在Windows或Linux上做开发的C++程序员，只要其使用AWPI开发C++应用程序，那么这些应用程序就可以在AWorks中运行，而AWorks又是定位于IoT物联网的生态系统，换句话说，C++程序员无需了解嵌入式底层，就可以直接使用C++开发物联网相关应用。

• 基础服务

AWorks提供了一系列基础服务，这是一些高效、功能完善的组件，主要包括：文件系统、I/O系统、Shell服务、加密（安全）服务、电源管理（低功耗）、测试框架、状态机框框架、事件管理框架等。

• 实时内核

实时内核可以看作一个OS内核，提供OS基础服务：时间管理、线程服务、同步（互斥锁、信号量、消息邮箱等）、原子操作、数据传递、内存管理等。

通常情况下，AWorks默认使用的OS内核是广州致远电子有限公司自主研发的轻量级RTOS：AWorks OS（RTK）。但实际上，AWorks并不限制使用某一特定的操作系统，操作系统如同驱动代码一样，仅仅是一个可以根据需要任意更换的组件。

在AWorks中，要使用某一操作系统，仅需提供一个对应的适配器即可。操作系统适配器直接驻留在操作系统接口之上，主要用于屏蔽各类操作系统和硬件接口的差异，从而大大地增强了AWorks的可移植性和可维护性。

当前，AWorks已经为常见的操作系统提供了适配器，比如，SYSBIOS Adaptor、Windows Adaptor、Linux Adaptor等。以支持在AWorks中使用这些操作系统。

• 网络

网络是AWorks非常重要的组成部分，也是其作为IoT生态系统的必备条件。在万物互联的大趋势下，网络相关技术也得到了快速的发展。AWorks紧随时代潮流，支持众多常用协议以及最新的协议。用户基于AWorks平台开发，无需再深入研究网络协议，直接使用这些协议即可。

目前，AWorks支持常见的通信技术，主要有：ModBus协议、CAN协议（这里的CAN侧重于CAN协议栈，设备管理中的CAN侧重于CAN硬件通讯接口）、Cellular（蜂窝）、WIFI、以太网、Lora WAN、NB-IoT、Bluetooth、zigbee等。

同时，AWorks具有TCP/IP协议栈，支持IPv6，支持TLS（使用TLS加密通信）以及大量基于TCP/IP的应用协议，如：FTP、SMTP、HTTP、MQTT、CoAP、LWM2M等。

特别地，随着物联网的发展，越来越多的设备需要接入“云”，AWorks已经针对第三方云（主要包括阿里云、机智云等）进行了适配，基于AWorks的应用可以轻松的接入这些“云”，第三方云的支持可以方便用户将之前的程序迁移到AWorks平台。除此之外，AWorks平台还将推出自主研发的云平台。

• 设备管理

设备管理用于管理一系列硬件设备，在嵌入式系统中，设备的种类非常繁多，如GPIO、PWM、ADC、ADC、I²C、SPI、CAN、Serial、USB、PCIe、传感器、人机界面、媒体设备、存储设备等。使用一个设备管理框架可以实现对这些设备“有条不紊”的管理。

3、硬件层

硬件层表示了当前AWorks支持的硬件设备。主要分为两大类：

• 支持的CPU内核

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

• 支持的外设 & 外围器件

外设主要是指MCU的片上外设，如ADC、DAC、GPIO、UART、SPI、I²C等；外围器件主要是指一些IC芯片，常见的有：各类传感器芯片、存储器芯片、接口扩展芯片（比如，UART转两路SPI）、专用芯片（如以太网PHY芯片）等。

1.3发布形式

图1.3 SDK发布形式

AWorks的发布形式是SDK（Software Development Kit），SDK中包含了文档、工具、示例代码、模版工程等。详见图1.3。

详尽的文档旨在帮助用户快速上手AWorks。例如：《快速入门手册》可以帮助用户快速搭建好开发环境；《用户手册》可以使用户对SDK有更深入的了解，如目录结构、平台资源（ADC通道数目、PWM通道数目等）等，并掌握硬件平台相关资源的定义和配置（如LED0对应的I/O口）。

示例代码展示了一些组件的使用方法，比如，多任务、文件系统、定时器、内存管理等等。当用户使用一个新的组件时，可以参考SDK中提供的示例代码，快速理解各个接口的使用方法。模版工程用于用户快速创建自己的应用工程，使创建新的工程非常简单：拷贝一份模版工程并重命名即可。

AWorks是不开源的，内部核心功能组件都是以库的形式提供，相关接口通过头文件引出。用户直接使用各个组件提供的接口开发应用程序，专注于应用程序开发，无需关心底层实现。需要注意的是，AWorks SDK与具体硬件开发套件相对应，不同硬件平台使用的SDK是不同的。广州致远电子有限公司推出了一系列嵌入式硬件开发套件，供用户二次开发，快速搭建产品原型。如EPC-AW280底板可以分别与A280-W64F8AWI（WIFI核心板）、A280-Z64F8AWI（zigbee核心板）和A280-M64F8AWI（无线读卡核心板）组成3套开发套件，详见图1.4。

图1.4 底板与3个核心板可以组成3套开发套件

为了便于客户使用，广州致远电子有限公司为每套硬件都提供了对应的AWorks SDK，即SDK与具体硬件开发套件一一对应。在使用AWorks前，需要联系广州致远电子有限公司，获取到对应硬件的SDK。

不同硬件对应的SDK是不同的，不建议混用。不同SDK对底层硬件的不同分别进行了处理，屏蔽了底层硬件的差异性，对于用户来讲，无论使用何种硬件，应用程序使用的API是完全相同的，也正因为如此，应用程序不会与某一硬件平台捆绑，可以很容易地实现跨平台复用。

1.4使用方法

对于用户来讲，获取AWorks SDK后，即可基于AWorks快速开发应用程序。在开发某一应用程序前，需要先建立一个新的工程，在AWorks SDK中，已经提供了模板工程，“新建工程”只需简单拷贝一下即可。

模板工程就是位于projects_keil5applications目录下的template文件夹。新建工程即将template文件夹重新复制一份，并将拷贝得到的文件夹重命名为与具体应用相关的名字，例如：要编写一个LED闪烁应用，则可以命名为：led_blinking。接着打开led_blinking文件夹，将工程文件template.uvprojx也重命名为led_blinking.uvprojx，至此，即完成了工程的建立。若用户已经正确安装了keil软件，则双击led_blinking.uvprojx工程文件即可打开工程。（更详细的操作详见配套开发资料中的《快速入门手册》，其中包含了详尽的软件安装步骤）。打开工程后，即可在user_code分组下的main.c文件中添加具体的应用程序代码。

作为示例，可以编写一个简单的LED闪烁程序，详见程序清单1.1。

程序清单1.1 LED闪烁范例程序

将该程序编译、链接后即可生成程序固件，并可以下载到开发板上运行，具体操作方法相见SDK中的《快速入门手册》。

在AWorks中，函数的命名以“aw_”开头，其中，aw_led_toggle()在aw_led.h文件中声明，用于翻转LED；aw_mdelay()在aw_delay.h文件中声明，用于延时指定的时间（单位：毫秒）。这些接口的详细使用方法将在后续相关的章节予以介绍。需要特别注意的是，在AWorks平台中编写应用程序时，所有源文件都应该首先包含aworks.h文件。

在这里，初步体会了LED和延时服务两类API，实际中，任何模块或服务的使用方法都是类似的。首先，包含该模块或服务对应的头文件（“aw_xxx.h”）；然后，使用头文件中提供的API。后续章节将详细介绍AWorks提供的一些基础服务，比如，常用设备（LED、按键、数码管等）、常用外设（GPIO、PWM、SPI等）、时间管理、内存管理、OS内核、文件系统等。