抑制嵌入式系统设计的复杂性

简介

Raspberry Pi系列不久前通过全新的Raspberry Pi Zero W1（2017年2月）扩充了产品线，这是一台支持无线连接的个人计算机，售价仅10美元。对于业余爱好者、制造商、工匠和黑客而言，它的意义非同寻常。是的，我们之中很少有人真正尝试做好我们的工作，即设计真正的（电子）产品！当我最近观看Eben Upton的视频公告时，我忍不住想起早年的经历。那是80年代中期，我买不起BBC电脑，也负担不起奢侈的Amiga。但我花光所有的钱购买了Sinclair ZX Spectrum。因此，Eben努力实现“让所有人都买得起”的目标确实让我产生了共鸣。

一台功能强大的个人计算机塞进一块小巧的印刷电路板（PCB）上，确切地说是6 x 3 cm的印刷电路板，达到这种小尺寸的新记录着实让我惊叹。经过进一步思考，我经常想弄清楚是否正是Spectrum的简约及其诸多限制促使我深入研究计算机并最终沉醉于这一奇妙领域——软件和硬件之间的边界，我们今天称之为嵌入式。

小型片上系统

Raspberry Pi Zero设计基于片上系统（SoC）（BCM2835），其中包括一个1 GHz ARM®内核和一个图形处理单元（GPU）、一个视频接口、多个串行接口（USB、UART、SPI和I2C）以及一个外部存储器接口，用于管理运行Linux®操作系统（OS）所需的大容量RAM（512 MB DDR2）和大容量存储卡（SD卡）。对于单芯片器件来说，这些都是令人印象深刻的功能，特别是与我年轻时看到的早期个人计算机相比。我们可能会争辩，与目前在各种嵌入式控制应用中常用的最新简单型单片机相比，这并非不成比例。虽然时钟速度和处理能力都要低得多（从10 MHz到100 MHz不等），但今天所有小型单片机本身都是真正的小型片上系统奇迹。正如您对单片机期望的那样，所有RAM和闪存都位于芯片上。存在串行接口（USB、UART、SPI和I2C），但也集成了所有电源调节和电压监控电路。片上通常有五个或更多不同的（精密）振荡器，以便获得更大的灵活性并控制功耗。此外，还有几个具有大输入/输出多路开关的模拟外设（ADC、DAC、运算放大器和模拟比较器......），取代了Raspberry Pi幻想视频中的功能，一直以来反映出偏爱嵌入式超过计算的设计选择中的显著不同。

事实上，当Raspberry Pi用户需要与现实世界连接时，对于使常用LED闪烁等最平和I/O应用以外的应用而言，由更小的单片机（实际上通常为8位单片机）通过“帽子”（小型子板）提供必要的I/O接口和所需电压转换并不意外。

我不想在两个截然不同的世界之间将这种不公平的对比一直拖下去，但我必须指出，在支持开发人员方面，两者有一个共同关注的问题：“控制复杂性”，最终“吸引新用户”。毋庸置疑，它们的解决方案类似，但终究有所不同。

这两个平台都是由提供免费软件工具开始，包括集成开发环境（IDE）、编译器、链接器、模拟器、调试器（在专业版中提供，只需少量费用）、或多或少的开放式中间件和（RT-）OS以及一小部分硬件（板）选项。

两个阵营（嵌入式计算和通用计算）之间的差异比您想象的要小。两者最终都依赖于类似的（如果不相同）工具链，这些工具链大部分都基于GNU。在中间件级别，一旦您正确抽取下级（下至金属）驱动程序层，开源选项会再次变得极其相似。操作系统级别的差异最大，因为许多单片机将很愿意运行RTOS，但无法承受完整Linux内核的负担。这反映了真正的行业差异。实时是操作系统“工作说明”的一部分。

膨胀

查看文档时会发现，两者的复杂度在膨胀。我最喜欢的一个例子是基于流行8位PIC®架构的小巧而简单的单片机。PIC16F1619经常用于控制小家电，为此，它将小容量闪存（16 KB）封装在20引脚微型封装中，具有十几个数字外设接口和几乎同样多的模拟支持模块。其数据手册长达650页，之后还增加了特性数据、表和图2。

此小型SoC上提供的一些外设（例如信号测量定时器）需要长达50页的篇幅才能适当记录。这几乎是描述实际PIC内核及其整个指令集所需页数的两倍。

在Raspberry Pi方面，如果只是按比例放大（10倍），则问题类似，因为有多个数据手册需要考虑，每个数据手册只记录片上系统硬件组件的一部分（SoC外设、GPU和内核），内核单独占用超过750页的篇幅。

嵌入式软件架构

很明显，没有人能够阅读或跟上如此庞大的信息量。特别是嵌入式开发人员，他们总是承担着极大的压力，需要在更短的时间内完成应用，以实现最快的产品上市速度。常见的解决方案是使用分层架构对应用进行分区，并使用标准化外设库来抽取硬件详细信息。这些层可以整齐地形成协议栈，其中“应用”位于硬件抽象层（HAL）的顶部。实际上，可以进一步细化此图片来完全识别HAL，HAL上方的中间件层将负责实现诸如网络、文件系统和图形UI（如果存在/需要）一类的通用服务/功能。

图1：嵌入式应用的软件协议栈

注：通常通过从HAL分离驱动程序层和电路板支持层来进一步细化协议栈，但是在以下考虑中，我们不需要详细到这种程度。

此软件架构直接来源于“计算”领域，可以很好地对大多数通用案例进行建模。遗憾的是，由于它适用于嵌入式应用，因此有两个基本缺点：

·只要重点放在顶层中间件层提供的标准功能上，分层架构就可以简化文档篇幅过长的问题。在应用范围的底端，当中间件层（如果存在）非常薄时，结果大多比较模糊。开发人员必须依赖以大型应用编程接口（API）形式存在的HAL文档，这份材料的篇幅同样较长（可达数千页），但始终未真正研究器件的任何细节。出现问题时，他/她将身陷窘境或被迫深入研究陌生领域和大量代码。

·HAL层为支持标准中间件服务提供了巨大帮助，但由于其性质极其严格，因此最终会清除特定器件的任何独特差异化功能。否则，这些独特功能可以为特定应用提供技术优势，并且可能成为选择特定器件型号的原因。

·在应用范围的顶端，中间件层非常厚，例如Raspberry Pi，仅Linux OS内核就添加了数百万行代码来应对问题3。虽然可以说这是开源代码，但对于希望自己永远不必深入了解到如此程度的普通开发人员而言，它几乎无法带来安慰。

让计算机尽其所能！

最终，Raspberry Pi开发人员将能够依靠“计算”性能带来的巨大收益和小电路板提供的大量资源。标准Linux操作系统的便利性远不止弥补API的复杂性和广泛性。

我最关心的是全新小型SoC的开发人员：现代单片机用户。对于他们而言，使用标准化HAL的好处减少了，因为性能存在损失，而且堆叠软件架构使独特的功能变得单一。

用于快速开发的新一代软件工具代表了摆脱这一难题的巧妙方式。这是最近出现在嵌入式控制市场中的一种新型代码生成器或配置器。尽管最初时持有明显（但通常合理）的怀疑态度，但事实证明，这些工具不仅有效，对于任何严格的嵌入式开发人员也必不可少。

我们发现的显著特征包括：

-完全集成在常见的IDE中，这有助于其了解项目上下文：型号（器件编号）选择和中间件库感知。

-支持独特和复杂的外设。例如，先前示例中提到的信号测量定时器（SMT）可以在单个页面/对话框中直观地呈现给用户，其中仅包含少数滚动列表、复选框和一些直观选项。有关来自Microchip的PIC单片机的旗舰快速开发工具MPLAB®代码配置器（MCC）4的屏幕截图，请参见图2。

图2——MPLAB代码配置器：信号测量定时器选项

-利用模板引擎，将配置选项转换为一小部分完全自定义的函数。这意味着只需通过少量待学习的函数以及一致且直观的命名约定便可生成最小API。函数定制保证大多数硬件抽象是在编译时（实际上在编译前）静态执行的。这有助于减少传递到每个函数所需的参数列表，从而提高性能和代码密度。有关MPLAB代码配置器的典型简约用例，请参见列表1。

-输出由非常短的（C语言）源文件组成，这些源文件可由用户全面检查（可将其作为一次学习机会），但也会经过专家进一步手动优化。现代化的代码生成器将其代码与用户代码灵活地混合，既可保持完整性，也允许充分利用宝贵的高级硬件功能。

void SMT1_Initialize(void) {

   // CPOL rising edge; EN enabled; SPOL high/rising edge enabled; SMT1PS 1:1 Prescaler; …

   SMT1CON0 = 0x80;

   // SMT1MODE Counter; SMT1GO disabled; SMT1REPEAT Single Acquisition mode;

   SMT1CON1 = 0x08;

   // SMT1CPRUP SMT1PR1 update complete; SMT1TS not incrementing; RST SMT1TMR1 update complete …

   SMT1STAT = 0x00;

   SMT1CLK = 0x00;                      // SMT1CSEL FOSC;

   SMT1WIN = 0x00;                      // SMT1WSEL SMTWINx;

   SMT1SIG = 0x00;                      // SMT1SSEL SMTxSIG;

   SMT1PRU = 0x00;                 // SMT1PR16 0x0;

   SMT1PRH = 0x00;                      // SMT1PR8 0x0;

   SMT1PRL = 0x00;                      // SMT1PR0 0x0;

}

void SMT1_DataAcquisitionEnable(void) {  

   SMT1CON1bits.SMT1GO = 1;           // Start the SMT module by writing to SMTxGO bit

}

void SMT1_SetPeriod(uint32_t periodVal) {

   // Write to the SMT1 Period registers

   SMT1PRU = (periodVal >> 16);

   SMT1PRH = (periodVal >> 8);

   SMT1PRL = periodVal;

}

列表1——由MCC生成、用于配置SMT外设的源文件（smt1.c）部分

从根本上说，代码配置器/生成器可将“计算机”执行的操作做到最好。构建HAL是硬件外设配置重复且容易出错的阶段，通常会导致在数据手册中花费大量时间进行乏味的搜索，现在，这一阶段现已然消失或显著缩短，只留下一些更加趣味横生、启发思维的探索与创造时间。

事实上，用户可以从同一个用户界面了解特定的硬件外设功能，从根本上消除（或至少极大减少）对数据手册的需求。

硬件抽象层成为项目的灵活部分，实际上可以根据需要频繁、快速地重新生成，从而优化应用性能。

十（二进制）行代码

处理完（外设）配置后，可将注意力立即集中到应用上，这是设计中更智能的部分（在应用层上），这一部分位于“主循环”之内，而不是之前。

最后要说的是，凭借代码生成器，即使在嵌入式领域中，经典的“Hello World”示例（总是转换为使LED闪烁）也会成为令人耳目一新的两行代码练习！

   LED_Toggle();

   __delay_ms(500);

列表2——为创建第一个嵌入式“Hello World”而需要输入的短短两行代码 您将能够在我最近出版的书中找到（20个）更多关于同样有效利用快速开发工具的实例：“In 10 Lines of Code”5。

对抗复杂性

在小型单片机发展成为小型SoC或者个人计算机缩小为Raspberry Pi的过程中，不仅会浪费时间和造成认知负担，还会在我们操作无法完全理解/掌握的系统时引入漏洞。

复杂性不是技术进步的必然结果。现代化的代码配置器/生成器可以通过扩展我们的软件开发流程、实现自动化并最终恢复我们对快速增长的可用功能/选项数量的掌握来帮助我们。