【Quark D2000入門】搞懂這四個關鍵詞，讓開發事半功倍！

Posted By 陸向陽 on 6 月 27, 2017 in 教學文, 開發主板, 開發套件 | 0 comments

作者：陸向陽

對一般電子應用嗜好的Maker而言，可能已很熟悉Arduino、Raspberry Pi，只要依據一些教學示範撰寫幾行程式，操作IDE當中的幾個選單步驟，就可以看到燈亮、聲響、東西動，很有成就感。

不過，對於專業的電子控制產品開發來說，可就沒有這麼簡單了。以Intel Quark D2000為例，就是針對專業開發者提供，因此若使用者過往只接觸過Arduino、Raspberry Pi的話，在學習摸索上有很高的難度，很有可能搞不清楚什麼是什麼，甚至可說是從零重新開始。

因此，筆者嘗試先解釋與Quark D2000程式開發相關的四個名詞，大家對這幾個詞有些了解後，再來接觸摸索Quark D2000，應該能更快進入狀況。

1. BSP

Intel Quark D2000是一顆微控制器（Microcontroller Unit, MCU）晶片，但只有晶片其實不好試製其應用電路、控制電路，所以會以晶片為基礎、為核心設計出一片開發者板（Developer Board，註1），開發者對開發者板進行接線，就可以快速、容易地試行與驗證控制電路。

但是只有開發板是不夠的，開發板能開機，其實是要有開機載入程式（Boot Loader）的。而除了主控晶片（這裡是指Quark D2000）外，板子尚也可能放有其他與主控晶片連接的晶片，或相關的硬體電路設計等，這些主控晶片外的晶片與電路，若想要能驅動與操控，還需要配套的驅動程式（Driver）。另還有一些操控板子所需的工具程式（Utility）等。

與開發板相關的各種軟體（也包含韌體，已燒在板子上的晶片內），就統稱為Board Support Package（BSP），其實就是指一整掛與這片開發板相關的韌軟體。

若根據維基百科，BSP這個詞起源自1981年，但時至今日已是電子產業專業開發領域的常用詞，當一個專業的開發設計人員拿到一片新的系統開發板時，通常會順便問：這片板子的BSP（附帶相關軟體）呢？

值得一提的是，BSP軟體通常是開發板廠商（有時就是晶片商本身，有時則是晶片商的協力業者）自己開發完成後隨板子一同附上的；專業的BSP軟體通常是封閉原始程式碼的，因為撰寫得相當好，可以完全發揮硬體功效，具有商業競爭力。

然而隨著Maker風氣興起，有些晶片商也開始推出開放原始程式碼的BSP，Quark D2000所附的即是（註2），但是，為了保有商業競爭力，晶片商所開放原始程式碼的BSP，只是讓硬體能正常動作，通常不會達最佳化（優化）運作的水準。

2. ISSM/IDE

已經使用過Arduino的人，可能知道開發Arduino控制應用程式（也稱為Sketch）的軟體叫做Arduino IDE，而IDE指的是整合開發環境，這個詞筆者過去解釋過，請參考此篇文章。IDE跟前述的BSP一樣，是專業開發領域常見的廣泛通詞。

如果說，開發Arduino用的控制程式，其軟體開發工具、開發環境稱為Arduino IDE，那麼，用來開發Intel Quark D2000、Quark SE C1000用的控制程式，其軟體開發工具、開發環境則為ISSM，即Intel System Studio for Microcontroller。

老實說，ISSM並不是Intel從無到有100%自己開發的，而是以開放原始程式碼專案「Eclipse」（日蝕）為基礎所修改、衍生開發成；過往有專業程式學習、撰寫經驗者，通常已接觸過Eclipse，特別是Java程式語言學習時。Quark D2000/SE C1000的控制程式撰寫需使用ISSM開發環境，而使用的程式語言則為C/C++。

Intel ISSM軟體畫面，畫面左編可看到開發人員自己撰寫的程式碼，右邊則是程式碼反組譯後所得的組合/機器語言碼，右下為程式執行後的暫存器數值/狀態。（圖片來源：Intel）

IDE通常是開發時的主工具，透過這個工具來開發程式，但實際上業者通常在此工具之外，也隨附其他與開發相關的軟體，如此整個含括來說，會統稱為工具鏈（Toolchain）或軟體開發套件（Software Development Kit, SDK）。用Toolchain來統稱時，通常是這些隨附的東西比較鬆散、尚待完整或更緊密的整合；反之則稱SDK。

3. QMSI/HAL

BSP、IDE是專業領域的通用詞，ISSM則是Intel專屬的詞，再來這個詞也是Intel專屬的，即QMSI（Quark Microcontroller Software Interface）。QMSI其實是個硬體抽象層（Hardware Abstraction Layer, HAL）。

所謂抽象，其實有簡化的意思，這裡簡單譬喻一下為何要簡化。假設有一間餐廳，餐廳內有20個客桌、5個服務生、1個店經理，這個經理把每4個客桌設定給1個服務生，例如桌1～桌4是由服務生A負責，桌5～桌8是服務生B的責任區，依此類推。

一旦桌5有客人抱怨，店經理就呼喊服務生B前來服務；一旦桌3有客人弄翻東西，店經理就呼喊服務生A前來服務。而服務生A/B/C/D/E這5個人，其實隨著人員加入、離職、調班、臨時工讀等，可能由不同人擔任，店經理可能也無法詳記每個人名，只要懂得桌X有狀況，對應呼叫A～E即可，A～E即是個簡稱。

程式撰寫也是如此，要程式設計師詳記每個硬體的對應位址，實在太多、太雜、太痛苦，倘若新的晶片修改了硬體位址，程式設計師就需重頭檢視過往所撰寫過的，並再逐一對應修改。

為了避免這種麻煩，Intel為晶片內的各種硬體功能，逐一給予簡稱，程式設計師只要引用這套簡稱來撰寫，也可以適用於未來的新晶片，不再需要逐一檢視修改，而這一套簡稱即是HAL，Intel為Quark D2000/SE C1000設計的HAL就稱為QMSI。HAL也是專業領域的通用詞，而QMSI是Intel的專有詞。

QMSI所涵蓋的硬體，有些只有SE C1000才有，而D2000所沒有的，例如Mailbox、ARC support等；其他多數是D2000與SE C1000所共通的。（圖片來源：Intel）

4. Zephyr/RTOS

大家都知道PC最常用的作業系統是Windows，Windows是一套資料處理取向的作業系統，運用微處理器（Microprocessor Unit, MPU）晶片來執行，資料處理即是指跑Word文書處理、Photoshop影像處理等應用程式。

但對微控制器晶片而言，其硬體資源、硬體效能不若微處理器晶片；且應用取向不同，並非資料處理，而是控制，控制燈號亮滅、控制馬達轉動等，而不是跑Word、Photoshop。

控制取向的作業系統，有別於資料處理的作業系統，一是要求輕巧，須在很少的硬體資源、硬體效能下也能運作；另一是要求即時反應，必須在限定的毫秒時間內完成燈號點亮，或閘門放行等，不得有延誤，否則後果嚴重，可能會發生事故，例如交通號誌控制、工廠產線控制。

相對的，資料處理取向的作業系統，追求同時間能執行很多東西，追求硬體資源與效能的最大化壓榨，執行慢一點不要緊，所以大家有時會看到Word執行緩慢、Excel也執行緩慢的情況。

所以，微控制器用的是輕巧的嵌入式（Embedded）作業系統，若還要兼顧控制反應，則要使用即時作業系統（Real-Time Operating System, RTOS）。

對於Maker而言，可能已經接觸過ESP8266，ESP8266的作業系統即是開放原始程式碼的FreeRTOS，本質上就是一套即時作業系統。

而Quark D2000/SE C1000也有其對應的即時作業系統，稱為Wind River Rocket，其實是2009年Intel購併Wind River（溫瑞爾）公司，成為下轄部門，而2015年Wind River針對嵌入式應用、物聯網應用發展出一套即時作業系統，稱為Rocket。

2016年Rocket轉交給Linux基金會接手發展，並改名為Zephyr開放專案。不僅Intel Quark D2000/SE C1000支援與使用Zephyr（或稱Zephyr OS），NXP（恩智浦）公司、Synopsys（新思科技）也支持與使用Zephyr。

所以，ESP8266晶片的即時作業系統是FreeRTOS（也是一個開放專案），Quark D2000/SE C1000的即時作業系統是Zephyr。RTOS這個詞是專業領域的通用詞，FreeRTOS、Zephyr則是專有詞。

Zephyr目前已支援多種硬體，Quark只是其一，但其實Quark未來也有機會支援多種作業系統，只是目前Intel官方只屬意Zephyr。另也因為Zephyr是為物聯網應用而發展，所以Zephyr已經內含許多通訊協定的軟體堆疊（Communication Protocol Stack, Comms. Stack），其實就是與層層通訊協定對應的收發處理、解析軟體。