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作者：信息發(fā)布員 來源：東莞市華圳電子科技有限公司 時(shí)間：2020/4/30 12:04:58
就像任何開發(fā)領(lǐng)域一樣，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)就像大海一樣：深海洋流相對(duì)上較穩(wěn)定，而看似平靜的海面下卻可能暗潮洶涌。冒著可能被淹沒的危險(xiǎn)，我想表達(dá)的是，當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)基礎(chǔ)，基本上就跟工程師當(dāng)年必須在硬聯(lián)機(jī)微電腦上撥動(dòng)套環(huán)開關(guān)才能跑程序代碼一樣。就像那些工程師一樣，我們至今仍得嘗試監(jiān)控外部事件，并做出適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)。那么，我們?nèi)绾卧诔掷m(xù)變化中求發(fā)展？
從表面上看，用于建構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件和方法日益精進(jìn)——或至少有所不同。為了衡量這些變化，《Embedded.com》分別在1999年、2009年和2019年進(jìn)行了調(diào)查，而今借著比較并分析這些調(diào)查結(jié)果，將有助于一窺過去20年來嵌入式開發(fā)如何演變的縮影。
實(shí)際上，每一項(xiàng)調(diào)查的問題本身都反映了其中的一部份變化。1999年的調(diào)查涉及很多部份，針對(duì)交叉編譯程序、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法以及電路中硬件仿真器出了許多問題，但針對(duì)操作系統(tǒng)(OS)方面的討論并不多。到了2009年的調(diào)查，排除了這些特定部份的問題，并加入了更多有關(guān)多處理器設(shè)計(jì)、OS以及特定的嵌入式Linux等更多信息，但諸如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能( AI)之類的主題還沒開始受到任何關(guān)注。而在2019年的調(diào)查中，包括IoT、AI以及安全性這些主題，才開始顯露更廣泛的興趣和積極運(yùn)用。
由于在2009年時(shí)針對(duì)調(diào)查方法進(jìn)行了大幅改變，因此很難比較這幾次調(diào)查的細(xì)節(jié)。在某些情況下，同樣的一般性問題被延伸為答案不只一個(gè)的多重選擇題。這對(duì)于任何解釋都增加了不確定性，這在以下的「設(shè)計(jì)功能」部份更多的討論。此外，調(diào)查結(jié)果中還缺少1999年的部份調(diào)查資料，因此有些部份只能看到2009年和2019年的數(shù)據(jù)。最后，值得注意的是，調(diào)查結(jié)果的誤差范圍通常在大約3%到6%以上，因此想要詳細(xì)加以比較可能極具風(fēng)險(xiǎn)。
過去十年來，嵌入式設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有什么改變？盡管工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域仍排名前五大重點(diǎn)應(yīng)用，但汽車和IoT應(yīng)用有關(guān)的設(shè)計(jì)開始占據(jù)主導(dǎo)地位(表1)。或許我們可以說在2009年被稱為數(shù)據(jù)通信(datacomm)的設(shè)計(jì)，可以包含在2019年的通訊中。
表1：前5大嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。 (%的受訪者)
過去二十年來，設(shè)計(jì)的本質(zhì)如何變化？1999年的調(diào)查列出了將Web技術(shù)整合于設(shè)計(jì)中的多個(gè)問題。在研究1999年的調(diào)查時(shí)，特別有趣的是一點(diǎn)是：有43%的受訪者表示并不打算這么做，但有14%的受訪者表示愿意。我其實(shí)并不確定該問題中「Web技術(shù)」究竟表示什么，但希望不會(huì)有人想把httpd服務(wù)器嵌入其系統(tǒng)中。
更廣泛地來看，表2顯示三項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)功能的演變。唯一真正的變化是連網(wǎng)設(shè)計(jì)大幅增加，從2000年初約占35%的設(shè)計(jì)，到2010年時(shí)已經(jīng)高達(dá)90%以上了。(我認(rèn)為該調(diào)查方法沒注意到連網(wǎng)和無線可能互換，但從加總的統(tǒng)計(jì)數(shù)字來看， 2009年和2019年所顯示的連網(wǎng)設(shè)計(jì)量大致相同。)
同樣地，嵌入式開發(fā)人員打造以電池供電的設(shè)計(jì)至少長(zhǎng)達(dá)十年之久了。有時(shí)候，業(yè)界會(huì)忘記電池供電的設(shè)計(jì)早在IoT和可穿戴裝置興起之前就已經(jīng)存在。
表2：關(guān)鍵設(shè)計(jì)功能。 (%的受訪者)
值得注意的是，C/C++并不一定是嵌入式開發(fā)的主要語言(圖1)。由于每項(xiàng)調(diào)查中可能潛藏其他的響應(yīng)，加上更高性能的處理器崛起，很可能減少了對(duì)于組合程序代碼的一些需要。但事實(shí)是，只有約37%的項(xiàng)目能按時(shí)按期完成——盡管2009年表示希望加速開發(fā)流程，但這個(gè)數(shù)字到了2019年也沒有多大的改變(參考圖6)。
圖1：主要的開發(fā)語言。(%的受訪者)
2009年底，開放原始碼OS開始取代商用OS的使用。到了2019年，這一趨勢(shì)仍持續(xù)進(jìn)展。有趣的是，取代商用OS并不僅僅是因?yàn)殚_源OS的興起。客制/內(nèi)部專有OS的使用率也持續(xù)增加(圖2)。
圖2：操作系統(tǒng)(OS)類型。(%的受訪者)
過去十年來，32位的處理器架構(gòu)雖然仍舊在使用中，但64位架構(gòu)卻有了顯著的進(jìn)展(圖3)。可能有人會(huì)認(rèn)為這就是演進(jìn)的主要趨勢(shì)，因?yàn)殚_發(fā)人員不斷地尋求更寬的位寬度(從8位到16位、32位再到64位)，以期實(shí)現(xiàn)更好的處理器性能以及更高效的內(nèi)存周期(包括指令快取)。
圖3：處理器架構(gòu)。(%的受訪者)
2010年最明顯的趨勢(shì)可能就是設(shè)計(jì)從多處理器芯片精簡(jiǎn)為多核心組件——從采用相同處理器的多芯片演變成同質(zhì)多核心組件，或者是從采用不同處理器的多芯片進(jìn)展至異質(zhì)的多核心組件(圖4)。
圖4：單處理器芯片 vs 多核心處理器。(%的受訪者)
二十年來，決定處理器選擇的主要因素并沒什么改變(圖5)。軟件開發(fā)工具的可用性仍然是工程師的首選。并不是所有人都情愿在面板上切換機(jī)器程序代碼。但有意思的是，從2000年開始以來，熟悉處理器架構(gòu)不再是最重要的了，成本和IO/周邊裝置功能的重要性也(相對(duì)地)在持續(xù)下滑中。
圖5：影響處理器選擇的因素。(%的受訪者)
最后，對(duì)于即將到來的技術(shù)挑戰(zhàn)之看法有何轉(zhuǎn)變？如果我們比較2009年和2019年調(diào)查中列出的前五大挑戰(zhàn)，那么，整合、程序代碼復(fù)雜度以及軟件工具仍然是最主要的顧慮。令人玩味的是，過去十年來，人們對(duì)于上述在開發(fā)過程的顧慮逐漸消失，取而代之的是開始擔(dān)心低功耗和安全性。
因此，對(duì)于安全的顧慮以及為了減輕威脅而采取的各種措施，構(gòu)成了2019年的調(diào)查重點(diǎn)。在2009年，只有3%的受訪者認(rèn)為安全問題很重要。但如同先前提到的，2009年和2019年在按時(shí)完成項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)相似度較低，顯示2019年對(duì)于開發(fā)過程中的顧慮轉(zhuǎn)變，主要是和更關(guān)鍵的問題出現(xiàn)有關(guān)。
圖6：最主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。(%的受訪者)
那么，對(duì)于接下來的2020年代，這些結(jié)果又意味著什么？
我們可以從這些調(diào)查結(jié)果中推斷，軟件開發(fā)工具以及管理程序代碼大小等問題仍然很重要，而像性能和外圍裝置等處理器特性的重要性則相對(duì)降低些。另一方面，在2020年代，只有少數(shù)的新技術(shù)(例如不用編寫程序代碼的開發(fā)工具、量子運(yùn)算以及支持現(xiàn)場(chǎng)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的AI核心等)出現(xiàn)，似乎也為設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)帶來了重大轉(zhuǎn)變。是這樣嗎？
嵌入式系統(tǒng)仍然需要工具來編寫(或產(chǎn)生)程序代碼，而且，對(duì)于更復(fù)雜的異質(zhì)多處理器硬件設(shè)計(jì)而言，也確實(shí)需要這么做。這些設(shè)計(jì)仍然必須連接實(shí)體世界，但是，接口的性質(zhì)可能更進(jìn)一步發(fā)展，而不僅僅來自硬線接口、傳感器或協(xié)作對(duì)等裝置等。未來將會(huì)持續(xù)要求更多的功能性，從而需要更先進(jìn)的硬件提供更高性能以及進(jìn)一步強(qiáng)化的功能，才能執(zhí)行更復(fù)雜的應(yīng)用。
在即將來臨的下一個(gè)十年，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍將需要更有效地連接至數(shù)據(jù)來源，以最低延遲執(zhí)行更復(fù)雜的程序代碼，以及克服更復(fù)雜的安全威脅，同時(shí)還得保持在超低功耗。未來，我們很可能采用全然不同的途徑，但目標(biāo)將保持不變
