物聯(lián)網(wǎng)嵌入式軟件設計的挑戰(zhàn)及應對之道

　　再也沒有比現(xiàn)在更容易創(chuàng)辦一家硬件公司了。被許多人稱為嵌入式運算未來的「物聯(lián)網(wǎng)」（IoT），如今被視為一種更可負擔的軟、硬件融合平臺。然而，于此同時，軟件的復雜性又使得物聯(lián)網(wǎng)設計過程成為「適者生存」（survival of the fittest）的經典案例。

　　物聯(lián)網(wǎng)設計無法「一勞永逸」，因為多樣化的傳感器和連接解決方案要求新的設計理念。另外，物聯(lián)網(wǎng)項目一般被認為具有高性能、低成本和低功耗等特點，而這些特性都和嵌入式軟件作業(yè)的某個方面密切相關。

　　例如，以高性能和低成本的特點而言，這意味著重復利用前項項目的可能性非常有限，軟件工程團隊也不可能因此而按比例擴增。由于無法隨意擴大軟件團隊和提高項目的成本預算，物聯(lián)網(wǎng)產品開發(fā)人員只能寄望于新一代的工具鏈，協(xié)助他們實現(xiàn)更高的軟件生產力。

　　圖1：在異質的物聯(lián)網(wǎng)設計中，全方位的軟件工具鏈至關重要 （來源：Atmel）

　　打造物聯(lián)網(wǎng)設計必須善于權衡折衷，一方面也因為其中存在許多可變動組件，設計工程師承擔不起先打造次系統(tǒng)后再觀察是否有效作業(yè)的后果。而如果從頭開始設計不僅增加項目成本，也會對于異質的物聯(lián)網(wǎng)設計世界帶來更嚴格的上市時間限制。

　　因此，物聯(lián)網(wǎng)設計解決方案——從傳感器的數(shù)據(jù)擷取到云端的數(shù)據(jù)分析——都要求必須提早在工程師為物聯(lián)網(wǎng)產品進行芯片設計之前先進行設計驗證。因此，無疑地，在處理伴隨以無縫方式連接大量裝置的挑戰(zhàn)而來的復雜過程中，端到端的軟硬件平臺和連接解決方案套件至關重要。

　　本文將討論物聯(lián)網(wǎng)設計領域中的主要軟件挑戰(zhàn)，并介紹正確的工具鏈選擇如何有助于因應這些嵌入式設計挑戰(zhàn)。文中主要關注于物聯(lián)網(wǎng)軟件生態(tài)系統(tǒng)中的三大關鍵領域，以及引導思考如何以高效和高性價比的方式執(zhí)行軟件作業(yè)。

　　軟件復雜性

　　在嵌入式設計項目中，「硬件-軟件」任務的比重分配一般是40:60。然而，針對物聯(lián)網(wǎng)設計項目，更偏重于軟件生態(tài)系統(tǒng)。

　　為了實現(xiàn)更高性能以及增強聯(lián)機能力、繪圖顯示和云端運算等方面的功能，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員正從8位和16位微控制器（MCU）轉向32位組件。

　　這要求新的軟件運用平臺，以便高效率地執(zhí)行通訊和云端運算協(xié)議堆棧。然后執(zhí)行諸如實時采樣傳感器數(shù)據(jù)、組件配置、安全密鑰、應用程序以及數(shù)據(jù)分析等任務。

　　另外，物聯(lián)網(wǎng)設計中有許多軟件涉及TCP/IP等通訊協(xié)議堆棧以及SSL、TLS等安全工具庫；這些軟件的編寫必須符合特定的標準。這一類軟件組成在很久以前即已編寫，并經過時間的進展變得日益完善，因此，對于時間緊迫的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員來說，如果還要重新編寫而不善加利用這些現(xiàn)有軟件，實在沒什么道理。

　　事實上，從頭開始開發(fā)這類軟件可能面臨的風險是發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)實中曾經出現(xiàn)過并已解決的問題。

　　圖2：面對物聯(lián)網(wǎng)設計的復雜性，建立完整的軟件生態(tài)系統(tǒng)至關重要 （來源：Atmel）

　　提示與技巧：

　　· 因應物聯(lián)網(wǎng)應用建置更多功能帶來的軟件復雜性，集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是第一道防線。

　　· 當物聯(lián)網(wǎng)設計者為其應用增加服務時，與其相關的軟件部份和驅動程序會自動增加至物聯(lián)網(wǎng)設計中。舉例來說，如果一位嵌入式開發(fā)人員在其設計中增加了一個USB組件，Atmel Software Framework （ASF）會自動將底層的USB驅動程序加入設計中。

　　· 透過使用諸如Atmel START這樣的在線軟件配置和部署引擎，能夠進一步加快嵌入式軟件的創(chuàng)建。Atmel START是一種基于網(wǎng)絡的工具，讓開發(fā)人員能以圖形化的方式選擇和配置軟件組件，并將其整合于所需的硬件和中間件等資源中。這種工具完全獨立于操作系統(tǒng)，在使用前也不需要在使用者的PC上進行安裝。此外，它所產生的項目可以成為任何嵌入式IDE的目標，因此具有無與倫比的靈活性。