嵌入式開發需要的不僅僅是處理器

Fanie Duvenhage

摘要：嵌入式系統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完美。絕大多數情況下，完美器件只是一個夢想。

關鍵詞：嵌入式開發；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，正常的電氣參數選擇標準必須要考慮器件執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核，但事實上并非完全如此。處理器性能的確與處理器內核息息相關，但同時它還取決于其他因素，包括集成度、支持處理器內核的外設、采用的開發工具、要執行的任務、工程師發揮特定單片機性能的技巧以及系統成本，等等。圖1中的幾個示例顯示了在不改變處理器內核的前提下，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定時間內執行應用程序中最復雜的計算。工程師熟悉的單一最佳開發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，比如開發進度表、可用資源以及開發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過多變化。問題通常都會歸咎于缺乏預見和規劃，因此會花更多時間制定更完善、更詳細的規范，來描述硬件和軟件需求。這就產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的變化：競爭對手以更低的價格推出功能優異的競爭產品：上年度產品遇到生產問題需要立即處理，從當前項目中撤走工程資源：經濟危機席卷全球、優先級已經從“若有更好”的功能轉變為成本優先。諸如此類的例子數不勝數，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，不如來適應不斷發生的變化。這樣就形成了開發平臺向能支持更加靈活的可編程器件轉變的趨勢。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。而且，軟件在產品發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產品的多樣化。

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、解決生產過程中發現的問題以及系統現場升級，通常值得付出額外的物料清單(BOM)成本。然而，與日俱增的開發環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工程師的負擔，他們必須熟悉可編程器件的開發流程，還要精通多種單片機和處理器及其相關開發環境。

既能執行所有任務又能得到單一開發環境支持的低成本單器件理想解決方案并不現實。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需求的器件。由于通常關注的焦點都是單片機的處理器內核，因此對單個處理器內核進行標準化就成了最接近單器件理想的選擇。使用標準內核可使應用在不同供應商的器件之間輕松轉換，這種想法進一步增強了內核標準化的說服力。遺憾的是，選擇單片機所涉及的因素遠不止一個處理器內核這么簡單，必須要對整個開發生態環境有更全面的認識。

完整的開發平臺

根據有限的需求來標準化特定處理器內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核開發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，根據對工程師的調查，開發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，引發了傳統的成本與性能取舍之爭，這是任何單一器件或處理器內核都無法調和的矛盾。

除軟件環境、性能及成本這些顯而易見的選擇標準外，外設、操作系統支持、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核，而是在僅熟悉一個或少數幾個開發環境的條件限制下進行選擇，從而縮短學習周期。擁有能夠發揮某種器件優勢的工程技巧和能力是獲得優化設計的主導因素、因此在某個特定開發生態系統中成為專家，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系統，而不僅是處理器架構。進一步來說，開發人員應考慮這個生態系統內所支持的產品范圍，以及能否在不影響整個生態系統的情況下更換元器件，比如編譯器、器件或處理器內核、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，還是為執行系統基本電源管理的小型8位外設單片機編寫軟件，開發環境都應保持相同。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，出現新產品后能否重復使用現有代碼。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部開發。大多數工程師使用c或C++，進行嵌入式開發，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，如果最初開發代碼時并未考慮器件間的轉換，問題就更加突出。因此、包括庫、硬件工具和器件系列在內的開發生態系統應該盡量實現這種無縫轉換。

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質文檔。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核。換句話說，標準化的不應該只是處理器內核，而是整個開發生態系統。選擇標準還應包括以下因素：

·軟件開發環境；

·開發生態環境中兼容器件的范圍，包括性能和成本構成；

·不同產品外設之間的兼容性；

·在生態系統中支持器件的硬件開發工具；

·文檔一致性；

·所提供的支持以及與支持聯絡人建立良好的關系；

·最重要的是，能否在生態系統內部轉移以適應變化并重復使用現有代碼和IP。