Raspberry Pi 產(chǎn)品線于 2017 年 2 月通過 Raspberry Pi Zero W進(jìn)行了擴(kuò)展，這是一款 10 美元的具有無線連接功能的個(gè)人計(jì)算機(jī)。對(duì)于業(yè)余愛好者、制造商、修補(bǔ)匠、黑客，以及，是的，我們中為數(shù)不多的真正努力設(shè)計(jì)“真正的”電子產(chǎn)品的人來說，這是多么美好的時(shí)光啊！

盡管 Raspberry Pi 的“通用計(jì)算”區(qū)別和微控制器 （MCU） 的“嵌入式”分類存在細(xì)微差別，但兩者的共同目標(biāo)是為開發(fā)人員“控制復(fù)雜性”同時(shí)“吸引新手用戶”。每種類型的平臺(tái)都提供免費(fèi)軟件工具，包括集成開發(fā)環(huán)境 （IDE）、編譯器、鏈接器、模擬器、調(diào)試器以及或多或少的開放中間件和操作系統(tǒng) （OS）。兩者都嚴(yán)重依賴于相似的（如果不相同的話）基于 GNU 的工具鏈。在中間件級(jí)別，一旦抽象了較低（直至金屬）驅(qū)動(dòng)程序?qū)?，開源選項(xiàng)再次非常相似。

盡管他們的使命是通過降低復(fù)雜性來支持開發(fā)人員，但是文檔膨脹的問題在雙方都很明顯。一個(gè)完美的例子是基于 PIC 架構(gòu)的小型 8 位 MCU，PIC16F1619。PIC16F1619 MCU 用于控制小型電器，為此，它在 20 引腳封裝中僅包含 16 kB 閃存、12 個(gè)數(shù)字外設(shè)接口和大約同樣多的模擬支持模塊，但其數(shù)據(jù)表跨越 650 頁（在添加之前表征數(shù)據(jù)、圖表和圖形）。PIC16F1619 上提供的外設(shè)（例如信號(hào)測(cè)量定時(shí)器 （SMT））需要多達(dá) 50 頁，這幾乎是描述實(shí)際 PIC 內(nèi)核及其整個(gè)指令集所需的頁數(shù)的兩倍。

Raspberry Pi 方面的問題類似，只是按比例放大（高達(dá) 10 倍）。這里有幾個(gè)數(shù)據(jù)表需要考慮，每個(gè)數(shù)據(jù)表只記錄片上系統(tǒng) （SoC） 的一個(gè)組件，例如外圍設(shè)備、GPU 等。僅內(nèi)核就占據(jù)了 750 多頁。

不能指望沒有人會(huì)閱讀或簡(jiǎn)單地跟上如此大量的信息。特別是嵌入式開發(fā)人員總是承受著巨大的壓力，要在更短的時(shí)間內(nèi)交付應(yīng)用程序以實(shí)現(xiàn)最快的上市時(shí)間。

迷失在嵌入式軟件架構(gòu)的層層中

解決信息泛濫的一種常見解決方案是使用分層架構(gòu)和抽象硬件細(xì)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化外圍庫對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行分區(qū)。這些層可以表示為一個(gè)整齊的堆棧，“應(yīng)用程序”位于硬件抽象層 （HAL） 的頂部。如果需要，可以進(jìn)一步細(xì)化堆棧以識(shí)別 HAL 和其上的中間件層，以實(shí)現(xiàn)常見的服務(wù)/功能，例如網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)和圖形用戶界面 （GUI）（圖 1）。

【圖1 | 此處顯示的是嵌入式應(yīng)用程序的軟件堆棧的表示，可以通過分離驅(qū)動(dòng)程序和電路板支持層來進(jìn)一步細(xì)化。］

該軟件架構(gòu)模型源自“計(jì)算”世界，適用于大多數(shù)通用情況。不幸的是，它在嵌入式應(yīng)用程序中存在兩個(gè)基本缺點(diǎn)：

只要關(guān)注中間件層提供的標(biāo)準(zhǔn)功能，分層架構(gòu)就可以簡(jiǎn)化文檔膨脹問題。在應(yīng)用范圍的低端，中間件層非常薄，如果存在的話，結(jié)果主要是混淆。因此，開發(fā)人員必須依靠大型應(yīng)用程序編程接口 （API） 形式的 HAL 文檔，這是一個(gè)同樣龐大的材料體，可以跨越數(shù)千頁，而不會(huì)真正揭示設(shè)備的細(xì)節(jié)。當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，開發(fā)人員會(huì)陷入困境或被迫深入研究大量外來代碼。

HAL 層為標(biāo)準(zhǔn)中間件服務(wù)提供了巨大的支持，但由于其嚴(yán)格的性質(zhì)，通常最終會(huì)抹去特定設(shè)備的獨(dú)特差異化功能。否則，這些功能可以為特定應(yīng)用程序提供技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且可能是首先選擇特定設(shè)備的原因。

代碼生成器：讓機(jī)器做它最擅長(zhǎng)的事情！

由于堆疊的軟件架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致性能損失和獨(dú)特功能的扁平化，現(xiàn)代 MCU 開發(fā)人員在使用標(biāo)準(zhǔn)化 HAL 時(shí)獲得的收益會(huì)減少。然而，強(qiáng)調(diào)快速開發(fā)的嵌入式控制市場(chǎng)的新一代代碼生成器為解決這個(gè)難題提供了一條出路。

代碼配置器/生成器做機(jī)器最擅長(zhǎng)的事情，顯著縮短或消除重復(fù)和容易出錯(cuò)的搜索數(shù)據(jù)表以配置硬件外圍設(shè)備和構(gòu)建 HAL 的過程。用戶還可以從單個(gè)代碼配置器界面了解特定的硬件外圍功能，從而完全減少對(duì)數(shù)據(jù)表的需求。因此，HAL 成為嵌入式開發(fā)項(xiàng)目的靈活組成部分，可以在工程師優(yōu)化應(yīng)用程序性能時(shí)快速且頻繁地重新生成。

代碼配置器工具的顯著特點(diǎn)包括：

與流行的 IDE 完全集成，允許工具（和用戶）隨時(shí)了解項(xiàng)目上下文（涉及的型號(hào)/部件號(hào)、使用中的中間件庫等）

支持獨(dú)特而復(fù)雜的外圍設(shè)備，例如前面提到的 SMT。例如，SMT 可以在一個(gè)頁面/對(duì)話框中直觀地呈現(xiàn)給用戶，其中包括一些直觀的滾動(dòng)列表和復(fù)選框（圖 2）。

一個(gè)模板引擎，將用戶配置轉(zhuǎn)換為一小組完全定制的函數(shù)，減少必須傳遞給每個(gè)函數(shù)的參數(shù)數(shù)量，并保證大多數(shù)硬件抽象在編譯時(shí)靜態(tài)執(zhí)行。生成的 API 是最小的，需要學(xué)習(xí)的功能很少，并利用一致和直觀的命名約定。這提高了性能和代碼密度（代碼示例 1）。

由非常短的（C 語言）源文件組成的輸出，可以由用戶完全檢查，提供學(xué)習(xí)和手動(dòng)優(yōu)化的機(jī)會(huì)?，F(xiàn)代代碼配置器以靈活的方式將生成的代碼與用戶代碼混合在一起，從而保持完整性并允許充分利用高級(jí)硬件功能。

【圖2 | 此處顯示的是 Microchip Technology， Inc. 的 MPLAB 代碼配置器 （MCC） 中的信號(hào)測(cè)量定時(shí)器 （SMT） 選項(xiàng)的屏幕截圖。］

［代碼示例 1 | SMT 外圍源文件 （smt1.c） 的此示例部分顯示了 MCC 生成的代碼的節(jié)儉性。］

一旦外圍配置完成，開發(fā)人員可以立即專注于應(yīng)用程序。使用代碼生成器，嵌入經(jīng)典的“Hello， World！” 示例（總是轉(zhuǎn)換為閃爍的 LED）變成了兩行代碼練習(xí)。

［代碼示例 2 | 創(chuàng)建“Hello， World！”只需要兩行代碼。使用 MCC 的應(yīng)用程序。］

在《In 10 Lines of Code》［5］ 一書中可以找到其他 20 個(gè)有效使用快速開發(fā)工具的實(shí)際示例。

對(duì)抗復(fù)雜性

當(dāng)我在 Pi Zero W 上觀看 Eben Upton 的視頻公告時(shí)，我不禁想起了我的早年時(shí)光。那時(shí)是80年代中期。我買不起 BBC 電腦或豪華的 Amiga，但我確實(shí)把所有的錢都花在了 Sinclair ZX Spectrum 上。Eben 讓計(jì)算“人人都買得起”的努力真的引起了我的共鳴。

畢竟，將一臺(tái)功能強(qiáng)大的 PC 擠進(jìn)一個(gè) 6 厘米 x 3 厘米的微型印刷電路板 （PCB） 中，所達(dá)到的創(chuàng)紀(jì)錄的低價(jià)點(diǎn)仍然讓我感到驚訝。我經(jīng)常想知道，是否正是 Spectrum 的節(jié)儉和諸多限制教會(huì)我更深入地研究電子產(chǎn)品并讓我愛上了那個(gè)奇怪的機(jī)器世界——今天我們稱之為嵌入式的軟件和硬件之間的邊界。

隨著小型 MCU 成長(zhǎng)為小型片上系統(tǒng) （SoC），或者 PC 縮小為 Raspberry Pi，復(fù)雜性不一定是技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。現(xiàn)代代碼配置器可以幫助我們?cè)鰪?qiáng)我們的軟件開發(fā)過程，并最終恢復(fù)我們對(duì)快速增長(zhǎng)的可用功能的控制。

是呢環(huán)保局：郭婷