嵌入式開發(fā)需要的不僅僅是處理器

Fanie Duvenhage

摘要：嵌入式系統(tǒng)工程師們在花大量時間試圖找到最適合應用的完美器件。然而令他們失望的是，現(xiàn)有器件總是缺少其他器件所具備的一項或多項重要功能，因而在設計時總是要權衡利弊而無法實現(xiàn)完美。絕大多數(shù)情況下，完美器件只是一個夢想。

關鍵詞：嵌入式開發(fā)；處理器；MCU；編譯器

對于處理器和單片機，選擇標準變得更加抽象和復雜。由于單片機可編程，正常的電氣參數(shù)選擇標準必須要考慮器件執(zhí)行某項具體任務時的速度和效率。從表面上看，單片機性能取決于處理器內(nèi)核，但事實上并非完全如此。處理器性能的確與處理器內(nèi)核息息相關，但同時它還取決于其他因素，包括集成度、支持處理器內(nèi)核的外設、采用的開發(fā)工具、要執(zhí)行的任務、工程師發(fā)揮特定單片機性能的技巧以及系統(tǒng)成本，等等。圖1中的幾個示例顯示了在不改變處理器內(nèi)核的前提下，采用編譯器技術所帶來的不同效果。

因此對于單片機而言，工程師心目中理想的器件不僅需要具有正確的電氣特性和集成外設，還要有一個處理器能在規(guī)定時間內(nèi)執(zhí)行應用程序中最復雜的計算。工程師熟悉的單一最佳開發(fā)工具平臺必須能支持這個器件，這樣工程師既能夠更快地熟悉器件，又能夠更快地學習如何充分利用開發(fā)工具。最后，這個器件應該符合工程師負責的所有應用的成本目標。遺憾的是，這種理想的器件是不切實際的。

持續(xù)變化的需求

一個典型項目會因多種因素變得復雜化，比如開發(fā)進度表、可用資源以及開發(fā)前項目的確定程度等。所有工程師都熟知“需求漂移”這個術語，也非常明白營銷部門其實并不清楚需求變化對剩余的設計工作會產(chǎn)生什么影響。

需要進行大量的工作來避免在項目開始后出現(xiàn)過多變化。問題通常都會歸咎于缺乏預見和規(guī)劃，因此會花更多時間制定更完善、更詳細的規(guī)范，來描述硬件和軟件需求。這就產(chǎn)生了全面的項目計劃，需要在項目進展過程中進行跟蹤。

計劃和追蹤對于項目的按時完成極為重要，但是在這個不斷變化的世界里、不太可能預測到所有實際可能出現(xiàn)的變化：競爭對手以更低的價格推出功能優(yōu)異的競爭產(chǎn)品：上年度產(chǎn)品遇到生產(chǎn)問題需要立即處理，從當前項目中撤走工程資源：經(jīng)濟危機席卷全球、優(yōu)先級已經(jīng)從“若有更好”的功能轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀緝?yōu)先。諸如此類的例子數(shù)不勝數(shù)，惟一不變的事實是需求在不斷變化。

適應變化

與其減少變化，不如來適應不斷發(fā)生的變化。這樣就形成了開發(fā)平臺向能支持更加靈活的可編程器件轉(zhuǎn)變的趨勢。硬件變化必須更新印刷電路板(PCB)或更換元器件，與之相反，軟件變化一般能夠更快、更容易地實現(xiàn)。而且，軟件在產(chǎn)品發(fā)布后還能進行功能升級或修正，并能通過事后對應用程序進行定制實現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化。

但是，要獲得靈活性就必然要付出代價。可編程解決方案通常比等效的功能固定硬件解決方案更加昂貴。為了更快地上市、解決生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題以及系統(tǒng)現(xiàn)場升級，通常值得付出額外的物料清單(BOM)成本。然而，與日俱增的開發(fā)環(huán)境復雜性常常被忽視了、或者至少是被低估了。例如，TechInsights最近一項研究表明，當前開發(fā)趨勢不僅要在單個設計中采用多個處理器，而且要在同一設計中采用多個不同的處理器。

這加重了嵌入式系統(tǒng)工程師的負擔，他們必須熟悉可編程器件的開發(fā)流程，還要精通多種單片機和處理器及其相關開發(fā)環(huán)境。

既能執(zhí)行所有任務又能得到單一開發(fā)環(huán)境支持的低成本單器件理想解決方案并不現(xiàn)實。更實際的做法是，至少標準化一些能夠滿足設計人員大多數(shù)需求的器件。由于通常關注的焦點都是單片機的處理器內(nèi)核，因此對單個處理器內(nèi)核進行標準化就成了最接近單器件理想的選擇。使用標準內(nèi)核可使應用在不同供應商的器件之間輕松轉(zhuǎn)換，這種想法進一步增強了內(nèi)核標準化的說服力。遺憾的是，選擇單片機所涉及的因素遠不止一個處理器內(nèi)核這么簡單，必須要對整個開發(fā)生態(tài)環(huán)境有更全面的認識。

完整的開發(fā)平臺

根據(jù)有限的需求來標準化特定處理器內(nèi)核是一種不錯的策略，但幾乎所有單片機供應商或處理器內(nèi)核開發(fā)商都提供一系列的處理器架構。事實證明，沒有一個獨立架構能滿足所有要求，特別是在考慮成本的情況下。事實上，根據(jù)對工程師的調(diào)查，開發(fā)工具在選擇標準中排名最高。芯片性能在選擇標準中排名第二。盡管處理器內(nèi)核是一個重要因素，但卻不是惟一的因素，有時甚至不是主要因素。成本因素在重要性上排位第三，它與器件性能不可兼顧，引發(fā)了傳統(tǒng)的成本與性能取舍之爭，這是任何單一器件或處理器內(nèi)核都無法調(diào)和的矛盾。

除軟件環(huán)境、性能及成本這些顯而易見的選擇標準外，外設、操作系統(tǒng)支持、可用代碼資源、硬件工具及功耗等其他一些標準緊隨其次，重要性不分先后。

問題的關鍵不是選擇某種單一器件或特定處理器內(nèi)核，而是在僅熟悉一個或少數(shù)幾個開發(fā)環(huán)境的條件限制下進行選擇，從而縮短學習周期。擁有能夠發(fā)揮某種器件優(yōu)勢的工程技巧和能力是獲得優(yōu)化設計的主導因素、因此在某個特定開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中成為專家，將會獲得更佳的結果。

因此，標準化的重點應關注完整的生態(tài)系統(tǒng)，而不僅是處理器架構。進一步來說，開發(fā)人員應考慮這個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)所支持的產(chǎn)品范圍，以及能否在不影響整個生態(tài)系統(tǒng)的情況下更換元器件，比如編譯器、器件或處理器內(nèi)核、外設、軟件庫等等。

無論是為應用中的主流32位單片機編寫軟件，還是為執(zhí)行系統(tǒng)基本電源管理的小型8位外設單片機編寫軟件，開發(fā)環(huán)境都應保持相同。如果當前16位單片機需要升級為性能更高的32位單片機，器件外設的差異不能太大。

選擇器件需要考慮的另一個因素是，出現(xiàn)新產(chǎn)品后能否重復使用現(xiàn)有代碼。約有90％的工程師會重復使用以前的代碼，其中大部分代碼均為內(nèi)部開發(fā)。大多數(shù)工程師使用c或C++，進行嵌入式開發(fā)，這使固件從8位升為32位或者從32位降至16位單片機的過程總是異常困難，如果最初開發(fā)代碼時并未考慮器件間的轉(zhuǎn)換，問題就更加突出。因此、包括庫、硬件工具和器件系列在內(nèi)的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)應該盡量實現(xiàn)這種無縫轉(zhuǎn)換。

其他選擇標準包括是否提供與整個器件系列保持大體一致的優(yōu)質(zhì)文檔。是否提供單人解決同一系列所有器件問題的支持，并始終通過此人向設計團隊傳遞客戶需求的變化，也是一個需要考慮的因素。

總結

變化是永恒的。應對變化的最好策略是迎接變化并做好規(guī)劃。標準化有助于降低和適應需求變化帶來的影響。不過，單片機平臺上的標準化不應該只限于處理器內(nèi)核。換句話說，標準化的不應該只是處理器內(nèi)核，而是整個開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。選擇標準還應包括以下因素：

·軟件開發(fā)環(huán)境；

·開發(fā)生態(tài)環(huán)境中兼容器件的范圍，包括性能和成本構成；

·不同產(chǎn)品外設之間的兼容性；

·在生態(tài)系統(tǒng)中支持器件的硬件開發(fā)工具；

·文檔一致性；

·所提供的支持以及與支持聯(lián)絡人建立良好的關系；

·最重要的是，能否在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移以適應變化并重復使用現(xiàn)有代碼和IP。