抑制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性

Lucio Di Jasio

Ra spbe rry Pi系列不久前通過全新的Raspberry Pi Zero Wl（2017年2月）擴(kuò)充了產(chǎn)品線，這是一臺支持無線連接的個人計算機(jī)，售價僅10美元。對于業(yè)余愛好者、制造商、工匠和黑客而言，它的意義非同尋常。此前，我們之中很少有人真正嘗試做好這個工作，即設(shè)計真正的電子產(chǎn)品！當(dāng)我最近觀看Eben Upton的視頻公告時，忍不住想起早年的經(jīng)歷。那是80年代中期，我買不起B(yǎng)BC電腦，也負(fù)擔(dān)不起奢侈的Amiga。但我花光所有的錢購買了SinclairZX Spectrum。因此，Eben努力實現(xiàn)“讓所有人都買得起”的目標(biāo)確實讓我產(chǎn)生了共鳴。

一臺功能強(qiáng)大的個人計算機(jī)塞進(jìn)一塊小巧的印刷電路板（PCB）上，確切地說是6 x 3cm的印刷電路板，達(dá)到這種小尺寸的新記錄著實讓我驚嘆。經(jīng)過進(jìn)一步思考，我經(jīng)常想弄清楚是否正是Spectrum的簡約及其諸多限制促使我深入研究計算機(jī)并最終沉醉于這一奇妙領(lǐng)域——軟件和硬件之間的邊界，我們今天稱之為嵌入式。

小型片上系統(tǒng)

Raspberry Pi Zero設(shè)計基于片上系統(tǒng)（SoC）

（BCM2835），其中包括一個1 GHzARM內(nèi)核和一個圖形處理單元（GPU）、一個視頻接口、多個串行接口（USB、UART、SPI和12C），以及一個外部存儲器接口，用于管理運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)（OS）所需的大容量RAM（512 MB DDR2）和大容量存儲卡（sD卡）。對于單芯片器件來說，這些都是令人印象深刻的功能，特別是與我年輕時看到的早期個人計算機(jī)相比。我們可能會爭辯，與目前在各種嵌入式控制應(yīng)用中常用的最新簡單型單片機(jī)相比，這并非不成比例。雖然時鐘速度和處理能力都要低得多（從10MHz到100MHz不等），但今天所有小型單片機(jī)本身都是真正的小型片上系統(tǒng)奇跡。正如人們對單片機(jī)期望的那樣，所有RAM和閃存都位于芯片上。存在串行接口（USB、UART、SPI和12C），但也集成了所有電源調(diào)節(jié)和電壓監(jiān)控電路。片上通常有五個或更多不同的（精密）振蕩器，以便獲得更大的靈活性并控制功耗。此外，還有幾個具有大輸入/輸出多路開關(guān)的模擬外設(shè)（ADC、DAC、運(yùn)算放大器和模擬比較器……），取代了RaspberryPi幻想視頻中的功能，一直以來反映出偏愛嵌入式超過計算的設(shè)計選擇中的顯著不同。

事實上，當(dāng)Raspberry Pi用戶需要與現(xiàn)實世界連接時，對于使常用LED閃爍等最平和I/O應(yīng)用以外的應(yīng)用而言，由更小的單片機(jī)（實際上通常為8位單片機(jī)）通過“帽子” （小型子板）提供必要的I/O接口和所需電壓轉(zhuǎn)換并不意外。

我不想在兩個截然不同的世界之間將這種不公平的對比一直拖下去，但我必須指出，在支持開發(fā)人員方面，兩者有一個共同關(guān)注的問題：“控制復(fù)雜性”，最終“吸引新用戶”。毋庸置疑，它們的解決方案類似，但終究有所不同。

這兩個平臺都是由提供免費(fèi)軟件工具開始，包括集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、編譯器、鏈接器、模擬器、調(diào)試器（在專業(yè)版中提供，只需少量費(fèi)用）、或多或少的開放式中間件和（RT-）OS以及一小部分硬件（板）選項。兩個陣營（嵌入式計算和通用計算）之間的差異比我們想象的要小。兩者最終都依賴于類似的（如果不相同）工具鏈，這些工具鏈大部分都基于GNU。在中間件級別，一旦正確抽取下級（下至金屬）驅(qū)動程序?qū)?，開源選項會再次變得極其相似。操作系統(tǒng)級別的差異最大，因為許多單片機(jī)將很愿意運(yùn)行RTOS，但無法承受完整Linux內(nèi)核的負(fù)擔(dān)。這反映了真正的行業(yè)差異。實時是操作系統(tǒng)“工作說明”的一部分。

查看文檔時會發(fā)現(xiàn)，兩者的復(fù)雜度在膨脹。我最喜歡的一個例子是基于流行8位PIC架構(gòu)的小巧而簡單的單片機(jī)。PICl6F1619經(jīng)常用于控制小家電，為此，它將小容量閃存（16KB）封裝在20引腳微型封裝中，具有十幾個數(shù)字外設(shè)接口和幾乎同樣多的模擬支持模塊。其數(shù)據(jù)手冊長達(dá)650頁，之后還增加了特性數(shù)據(jù)、表和圖。

此小型soc上提供的一些外設(shè)（例如信號測量定時器）需要長達(dá)50頁的篇幅才能適當(dāng)記錄。這幾乎是描述實際PIC內(nèi)核及其整個指令集所需頁數(shù)的兩倍。在Raspberry Pi方面，如果只是按比例放大（10倍），則問題類似，因為有多個數(shù)據(jù)手冊需要考慮，每個數(shù)據(jù)手冊只記錄片上系統(tǒng)硬件組件的一部分（SoC外設(shè)、GPU和內(nèi)核），內(nèi)核單獨(dú)占用超過750頁的篇幅。

嵌入式軟件架構(gòu)

很明顯，沒有人能夠閱讀或跟上如此龐大的信息量。特別是嵌入式開發(fā)人員，他們總是承擔(dān)著極大的壓力，需要在更短的時間內(nèi)完成應(yīng)用，以實現(xiàn)最快的產(chǎn)品上市速度。常見的解決方案是使用分層架構(gòu)對應(yīng)用進(jìn)行分區(qū)，并使用標(biāo)準(zhǔn)化外設(shè)庫來抽取硬件詳細(xì)信息。這些層可以整齊地形成協(xié)議棧，其中“應(yīng)用”位于硬件抽象層（HAL）的頂部。實際上，可以進(jìn)一步細(xì)化此圖片來完全識別HAL，HAL上方的中間件層將負(fù)責(zé)實現(xiàn)諸如網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)和圖形uI（如果存在/需要）一類的通用服務(wù)/功能。

注：通常通過從HAL分離驅(qū)動程序?qū)雍碗娐钒逯С謱觼磉M(jìn)一步細(xì)化協(xié)議棧，但是在以下考慮中，我們不需要詳細(xì)到這種程度。

此軟件架構(gòu)直接來源于“計算”領(lǐng)域，可以很好地對大多數(shù)通用案例進(jìn)行建模。遺憾的是，由于它適用于嵌入式應(yīng)用，因此有幾個基本缺點(diǎn)：

只要重點(diǎn)放在頂層中間件層提供的標(biāo)準(zhǔn)功能上，分層架構(gòu)就可以簡化文檔篇幅過長的問題。在應(yīng)用范圍的底端，當(dāng)中間件層（如果存在）非常薄時，結(jié)果大多比較模糊。開發(fā)人員必須依賴以大型應(yīng)用編程接口（API）形式存在的HAL文檔，這份材料的篇幅同樣較長（可達(dá)數(shù)千頁），但始終未真正研究器件的任何細(xì)節(jié)。出現(xiàn)問題時，他/她將身陷窘境或被迫深入研究陌生領(lǐng)域和大量代碼。

HAL層為支持標(biāo)準(zhǔn)中間件服務(wù)提供了巨大幫助，但由于其性質(zhì)極其嚴(yán)格，因此最終會清除特定器件的任何獨(dú)特差異化功能。否則，這些獨(dú)特功能可以為特定應(yīng)用提供技術(shù)優(yōu)勢，并且可能成為選擇特定器件型號的原因。

在應(yīng)用范圍的頂端，中間件層非常厚，例如Raspberry Pi，僅Linux OS內(nèi)核就添加了數(shù)百萬行代碼來應(yīng)對問題。雖然可以說這是開源代碼，但對于希望自己永遠(yuǎn)不必深入了解到如此程度的普通開發(fā)人員而言，它幾乎無法帶來安慰。

讓計算機(jī)盡其所能

最終，Raspberry Pi開發(fā)人員將能夠依靠“計算”性能帶來的巨大收益和小電路板提供的大量資源。標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)的便利性遠(yuǎn)不止彌補(bǔ)API的復(fù)雜性和廣泛性。我最關(guān)心的是全新小型SoC的開發(fā)人員：現(xiàn)代單片機(jī)用戶。對于他們而言，使用標(biāo)準(zhǔn)化HAL的好處減少了，因為性能存在損失，而且堆疊軟件架構(gòu)使獨(dú)特的功能變得單一。

用于快速開發(fā)的新一代軟件工具代表了擺脫這一難題的巧妙方式。這是最近出現(xiàn)在嵌入式控制市場中的一種新型代碼生成器或配置器。盡管最初時持有明顯（但通常合理）的懷疑態(tài)度，但事實證明，這些工具不僅有效，對于任何嚴(yán)格的嵌入式開發(fā)人員也必不可少。

我們發(fā)現(xiàn)的顯著特征包括：

完全集成在常見的IDE中，這有助于其了解項目上下文：型號（器件編號）選擇和中間件庫感知。

支持獨(dú)特和復(fù)雜的外設(shè)。例如，先前示例中提到的信號測量定時器（SMT）可以在單個頁面/對話框中直觀地呈現(xiàn)給用戶，其中僅包含少數(shù)滾動列表、復(fù)選框和一些直觀選項。有關(guān)來自Microchip的PIC單片機(jī)的旗艦快速開發(fā)工具M(jìn)PLAB代碼配置器（MCC）的屏幕截圖，請參見圖2。

利用模板引擎，將配置選項轉(zhuǎn)換為一小部分完全自定義的函數(shù)。這意味著只需通過少量待學(xué)習(xí)的函數(shù)以及一致且直觀的命名約定便可生成最小API。函數(shù)定制保證大多數(shù)硬件抽象是在編譯時（實際上在編譯前）靜態(tài)執(zhí)行的。這有助于減少傳遞到每個函數(shù)所需的參數(shù)列表，從而提高性能和代碼密度。有關(guān)MPLAB代碼配置器的典型簡約用例，請參見列表1。

輸出由非常短的（c語言）源文件組成，這些源文件可由用戶全面檢查（可將其作為一次學(xué)習(xí)機(jī)會），但也會經(jīng)過專家進(jìn)一步手動優(yōu)化?，F(xiàn)代化的代碼生成器將其代碼與用戶代碼靈活地混合，既可保持完整性，也允許充分利用寶貴的高級硬件功能。

從根本上說，代碼配置器/生成器可將“計算機(jī)”執(zhí)行的操作做到最好。構(gòu)建HAL是硬件外設(shè)配置重復(fù)且容易出錯的階段，通常會導(dǎo)致在數(shù)據(jù)手冊中花費(fèi)大量時間進(jìn)行乏味的搜索，現(xiàn)在，這一階段現(xiàn)已然消失或顯著縮短，只留下一些更加趣味橫生、啟發(fā)思維的探索與創(chuàng)造時間。事實上，用戶可以從同一個用戶界面了解特定的硬件外設(shè)功能，從根本上消除（或至少極大減少）對數(shù)據(jù)手冊的需求。硬件抽象層成為項目的靈活部分，實際上可以根據(jù)需要頻繁、快速地重新生成，從而優(yōu)化應(yīng)用性能。

十（二進(jìn)制）行代碼

處理完（外設(shè)）配置后，可將注意力立即集中到應(yīng)用上，這是設(shè)計中更智能的部分（在應(yīng)用層上），這一部分位于“主循環(huán)”之內(nèi)，而不是之前。最后要說的是，憑借代碼生成器，即使在嵌入式領(lǐng)域中，經(jīng)典的“Hello World”示例（總是轉(zhuǎn)換為使LED閃爍）也會成為令人耳目一新的兩行代碼練習(xí)。

對抗復(fù)雜性

在小型單片機(jī)發(fā)展成為小型SoC或者個人計算機(jī)縮小為Raspberry Pi的過程中，不僅會浪費(fèi)時間和造成認(rèn)知負(fù)擔(dān)，還會在我們操作無法完全理解/掌握的系統(tǒng)時引入漏洞。

復(fù)雜性不是技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果?，F(xiàn)代化的代碼配置器/生成器可以通過擴(kuò)展我們的軟件開發(fā)流程、實現(xiàn)自動化并最終恢復(fù)我們對快速增長的可用功能/選項數(shù)量的掌握來幫助我們。