電子系統(tǒng)設(shè)計的模塊化

電子硬件設(shè)計發(fā)生了一場悄無聲息的革命。隨著硅集成的繼續(xù)（由摩爾定律的經(jīng)濟學(xué)提供），工程師逐漸從主要在組件和電路級別開發(fā)轉(zhuǎn)向更多地使用電路板、模塊和子系統(tǒng)。

好處是電子設(shè)計效率的顯著提高。這種轉(zhuǎn)變現(xiàn)在正在軟件中復(fù)制，開發(fā)人員希望更多地使用可重用模塊，而不是主要依賴他們自己編寫的代碼行。

轉(zhuǎn)向模塊化設(shè)計有很多優(yōu)勢。一個是更大的能力分享規(guī)模經(jīng)濟，這些經(jīng)濟來自于使用吸引許多客戶的平臺。工業(yè)用戶在模塊化硬件方面有著悠久的歷史。Versa Module Eurocard （VME） 和 CompactPCI 標準為在小批量市場中工作的集成商和原始設(shè)備制造商 （OEM） 提供了使用高性能計算的能力。他們可以對計算機的功能進行更廣泛的定制，而無需在高端印刷電路板（PCB）設(shè)計上投入時間和精力。從那時起，摩爾定律在功能方面取得了令人難以置信的收益，同時還降低了單個零件的成本。Raspberry Pi單板計算機就是一個關(guān)鍵的例子。

經(jīng)濟高效的現(xiàn)成硬件

通過利用智能手機片上系統(tǒng)（SoC）平臺帶來的規(guī)模經(jīng)濟，Raspberry Pi背后的財團已經(jīng)能夠提供比最初為教育用途創(chuàng)建的設(shè)計更有效的產(chǎn)品。硅供應(yīng)商產(chǎn)生的非經(jīng)常性工程（NRE）成本很容易被主要目標市場吸收，為Raspberry Pi的目標用戶提供了更大的價值。這種成本優(yōu)勢被傳遞給了工業(yè)部門。集成商和原始設(shè)備制造商利用了樹莓派平臺的模塊化，使用 HAT 擴展總線添加自己的自定義接口模塊。

Pi 模塊的使用使工程團隊不必采購類似的組件并將其設(shè)計到定制 PCB 上。與創(chuàng)建前端 HAT 模塊相比，這些通常需要更耗時的信號完整性和功能檢查。很多時候， 這些定制模塊可以使用相對簡單的兩層或四層 PCB.

現(xiàn)成軟件模塊的出現(xiàn)

模塊化軟件的類似趨勢已經(jīng)出現(xiàn)。工程師現(xiàn)在可以完全專注于可以增加價值的應(yīng)用程序元素。這一趨勢不僅受到規(guī)模經(jīng)濟和一些供應(yīng)商有效攤銷NRE的能力的推動，還受到網(wǎng)絡(luò)集成和服務(wù)驅(qū)動型商業(yè)模式的更大趨勢的推動。嵌入式系統(tǒng)在今天通常不完整，除非它構(gòu)成更大的系統(tǒng)系統(tǒng)的一部分，例如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。在此環(huán)境中，設(shè)備可用于幫助提供一項或多項服務(wù) - 其中許多服務(wù)將在用于支持它們的硬件的生命周期內(nèi)更改。物聯(lián)網(wǎng)和云的這種結(jié)合正在產(chǎn)生利用這些功能的新商業(yè)模式，例如軟件即服務(wù)（SaaS）和按使用付費。靈活性已成為這種商業(yè)環(huán)境中的一個關(guān)鍵標準：推動實施者尋求更多的模塊化結(jié)構(gòu)。

模塊化始于操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)支持對構(gòu)建靈活的模塊化環(huán)境至關(guān)重要的抽象。通常，操作系統(tǒng)提供一組服務(wù)，范圍從簡單的輸入/輸出到完整的網(wǎng)絡(luò)堆棧，所有這些都通過一組記錄的應(yīng)用程序編程接口 （API） 進行訪問。只要服務(wù)繼續(xù)支持 API，交付它們的代碼就可以更改，而不會影響使用這些 API 的應(yīng)用程序。對于隨許多微控制器開發(fā)工具一起提供的簡單實時調(diào)度程序FreeRTOS［1］也是如此，因為它適用于商業(yè)和更復(fù)雜的RTOS實現(xiàn)，例如Wind River的VxWorks［2］。VxWorks為嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)定了行業(yè)標準，為一些最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備提供支持。

Linux 和其他操作系統(tǒng)可以通過將任務(wù)彼此隔離來使內(nèi)存管理走得更遠。簡單 RTOS 結(jié)構(gòu)的一個可能問題是它們在完全未分區(qū)的內(nèi)存空間中運行。一個任務(wù)中的錯誤或惡意行為可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)和代碼在另一個任務(wù)中被意外覆蓋，從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或其他不良結(jié)果。Linux 使用由硬件內(nèi)存管理單元調(diào)解的虛擬尋址來防止任務(wù)訪問彼此的內(nèi)存空間。它們只能通過操作系統(tǒng) API 或基于這些 API 構(gòu)建的應(yīng)用程序間協(xié)議進行交互。

虛擬內(nèi)存尋址不是任務(wù)隔離的絕對要求。一些微控制器架構(gòu)，包括Arm Cortex-M和Cortex-R系列的幾個成員，可以在平面內(nèi)存空間中實施內(nèi)存保護。Arm 還在其許多處理器中提供了 Trustzone 安全軟件模式，這使得將敏感軟件與用戶級任務(wù)隔離開來成為可能。有了這種保護，就可以更輕松地將自定義代碼與為處理常見任務(wù)而開發(fā)的越來越多的現(xiàn)成軟件模塊相結(jié)合。

開源和專有功能的集成

今天，工程師可以通過Github，Sourceforge和其他服務(wù)訪問一系列免費的開源軟件模塊和協(xié)議棧。還提供為安全關(guān)鍵應(yīng)用提供更強大支持、附加功能或認證的商用堆棧。芯片制造商組合在一起的參考設(shè)計通常會結(jié)合一系列開源和專有功能，使客戶更容易構(gòu)建原型，直至完整的產(chǎn)品實施。在某些情況下，參考設(shè)計實現(xiàn)了最終用戶可以根據(jù)自己的需求進行調(diào)整的完整應(yīng)用程序。

一些系統(tǒng)設(shè)計人員正在利用軟件日益模塊化的優(yōu)勢來構(gòu)建調(diào)整參數(shù)和自動生成代碼的開發(fā)環(huán)境。這些工具通常使用開發(fā)人員在圖形用戶界面上組裝的軟件的基于塊的表示形式。一個例子是Microchip的MPLAB代碼配置器，用于PIC8、PIC16和PIC32微控制器系列。

高級應(yīng)用程序，如機器學(xué)習(xí)和圖像處理，是用戶可以從專家的高NRE投資中受益的領(lǐng)域的例子，并且如果用戶必須從頭開始構(gòu)建，這種軟件將需要多年的開發(fā)時間。Caffe，PyTorch和Google的Tensorflow使構(gòu)建，訓(xùn)練和調(diào)整復(fù)雜的人工智能（AI）模型成為可能，這些模型可以輕松集成到嵌入式處理管道中。對于圖像處理，OpenCV是一個廣泛使用的庫，可以很容易地集成到實時應(yīng)用程序中。隨著機器學(xué)習(xí)的興起，當今越來越普遍的使用模型是OpenCV在傳遞給使用Caffe或Tensorflow構(gòu)建的AI模型之前預(yù)處理圖像數(shù)據(jù)，自定義代碼主要用于為模型檢測到的事件提供實時響應(yīng)。

將一切整合在一起

開發(fā)人員現(xiàn)在可以訪問面向云的軟件模塊和工具，這些模塊和工具可輕松與常見的網(wǎng)絡(luò)堆棧和 RTOS 實施集成。這使得不同復(fù)雜程度的嵌入式系統(tǒng)能夠集成到物聯(lián)網(wǎng)中。例如，安富利的IoT Connect? Platform［5］為AI等復(fù)雜任務(wù)提供基于云的處理。由于系統(tǒng)由云和嵌入式設(shè)備軟件服務(wù)定義，因此Amazon Web Services和Microsoft Azure等云提供商現(xiàn)在提供一系列將兩者結(jié)合在一起的產(chǎn)品：所有這些都利用了他們采用的軟件組件的模塊化。

模塊化正在改變嵌入式軟件工程師所需的技能組合。責任的平衡正在從代碼開發(fā)轉(zhuǎn)向基于預(yù)先存在的模塊構(gòu)建靈活架構(gòu)的能力，這些模塊允許在部署新服務(wù)時輕松自定義編碼和運行時配置。通過利用這種模塊化，原始設(shè)備制造商和系統(tǒng)集成商可以輕松跟上客戶需求的步伐，這是傳統(tǒng)方式無法想象的。

審核編輯：郭婷