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为你的设计选择正确的软件架构

作者:Alf Mossevig时间:2017-03-06来源:电子产品世界

澳门银河网站 www.fzgouma.com 作者/Alf Mossevig Silicon Labs软件开发流程产品经理

本文引用地址:http://www.fzgouma.com/article/201703/344833.htm

  引言

  我们都曾在职业生涯的某个时间点思考过这个问题:你已经把一个想法仔细思考过一阵子,逐渐得出可行的结论,现在,你想要创建一个合适的项目,看是要更进一步探索这个想法或是将其产品化。但是,应该从哪种入手呢?Espruino?Arduino?microPython?Segger embOS?Micrium-II?以及在-II和-III之间又有什么区别呢?究竟该采用初始成本较低的开源架构,还是选择需要支付前期费用的商业解决方案,来加速你的设计过程呢?

  1

  即为编写软件的一种特定方式,例如,Arduino提供编写程序代码的一种特定方式,允许软件的片段可以跨越多个项目被重新使用。

  软件架构是由几个不同的部分所组成,并由以下组件所定义:程序语言、应用程序编程接口(API),以及某些工具集的连接。例如,像是在Arduino和Espruino的案例中,软件架构可以被紧密地连接到工具,而在Micrium和FreeRTOS的案例中则是被分离开的。

  2操作系统

  因此,该如何选择一个软件架构呢?首先,我们需要对一些名词解释的更明确一点,我们已经开始提到操作系统(OS)这个名词。你真正需要写的是可以执行你的特定要求的程序代码,这些程序代码将可以把你的产品与其他产品区分出来。但是,你仍然需要依靠软件的其他部分,像是ADC的驱动程序或SD卡的文件系统栈。这些软件的部分通常被称为软件构件。

  图1 软件构件示意图

  英文解释:

  User code 用户代码 external library 外部函数库 standard building blocks 标准构件模块

  gecko technology Gecko科技 e.g. 例如,

  在此用一个比较实质的比喻方式,你可以想象你的软件构件就像是砖块(如图1),然后把操作系统视为水泥。在操作系统中定义了砖块的形状,以及它们将如何与其他的砖块互动。因此,当你添加更多构件到软件之中时,他们将可以继续完美地协同工作。这听起来相当不错,但你真的需要一个操作系统吗?增加操作系统也带来了额外的负荷,它将会消耗数千字节的闪存,为事件的响应增加了延迟的时间,并且还需要花费些许的时间学习如何在操作系统环境中编写程序。

  决定采用哪个软件架构,将会决定你的想法是否可以按时间、按预算推动,或是将你的投资放在风险之中。一般的经验法则是,如果你的目标闪存容量是128 KB或更高,并且或是需要通讯功能,便需要一些栈(USB、以太网络、SDIO、CAN、Wi-Fi、BLE),长期来看,你最好还是使用操作系统。

  在操作系统中最重要的是调度程序(scheduler)。调度程序是用在为可能会争夺相同资源的不同任务、分配资源和处理时间的组件。在一般情况下,调度程序有两种作业的方式,而这正是“实时”在实时操作系统(RTOS)的意义所在。实时意味着在一个特定的时间内,会有一个特定的任务将会被执行。假设你得到一个你需要处理的射频封包,无论你的设备目前正在做什么事,实时操作系统的核心会先离开它目前所做的任务,先完成这一个高优先等级的任务。这种类型的行为在处理器的利用上并不是最有效率的方式,但例如在马达控制应用中,它在通讯栈与应用中最需要重视的便是反应时间。

  3商用与开源解决方案的比较

  如果你已经想通了是否需要采用实时操作系统,并开始组建软件需求。例如,你可能知道,你需要一个USB栈和以太网络栈,搭配外部MAC/PHY驱动程序来一起将设备连接到互联网。但是,你该从哪里开始呢?你真的只需要为你首选的微控制器下载最新的FreeRTOS模板,并继续下载开源软件并放到装置中就可以了吗?或者你只是需要去找有你所需软件的商业供货商,并获得完整的软件组合比较好呢?

  为了做出更明智的决定,我们经常谈论要给选定的解决方案一个总体拥有成本(TCO)的概念。所谓的总体拥有成本包含的不仅是你为软件付出的货币价值,还包括花费在寻找解决方案、组装不同的构件,并将不同的构件整合到你的项目,以及开发、测试和生产的工作时间。

  图2 选择解决方案的成本考虑

  英文解释:When selecting an MCU,there are many unseen costs to consider.

  当选择MCU时,需要考虑很多不可见的成本因素。

  Research&evalution 调查和评估

  Acquisition 采集 training 训练 development 发展 integration&optimizaiton 整合与优化

  Verification&qualification 验证和授权upgrades&updates 升级与更新Support&maintenance 支持和维护

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  在一般情况下,我们看到的是商业解决方案的总体拥有成本(TCO),将比自己组建开放原始码组件的解决方案要来的更低一些。但既然是商业解决方案便涉及到初始成本,这些厂商通常要求在使用解决方案的前期,取决于你所需要的组件,便必须先支付1万到10万美元之间的费用。在另一方面,下载FreeRTOS并开始组装自己的解决方案,在某些拥有密集资源的应用中,其所花费的金钱,相对会更便宜一些。决定你的项目的最佳解决方案,将高度依赖于它是否是最容易让你赚到现金,或是能够为总体拥有成本的工时来“买单”。

  4 候选方案

  所以,当你已经看到这里,你的大脑中可能已经开始吶喊:“只要给我一个可以让我开始使用的架构就好了!”

  可惜没有那么快,肯定有一些方案的选项是比其他选项更好,微控制器的应用非常多样性,肯定没有那种一个尺寸便适合所有需求的解决方案。我们先来了解许多最流行的操作系统和软件架构,并分别仔细地讨论:

  4.1操作系统

  所有在这一个章节中提到的操作系统都具有实时能力(RTOS)。

  4.2商用解决方案

  ? Micrium uC/OS-II与uC/OS-III:这是在微控制器业界最流行的两个实时操作系统,特别是因为其创新的商业模式,因为Micrium公司允许你下载完整的软件套件,并开始发展,等你真正开始产生营收后,才需要开始支付解决方案的费用。他们在安全至上的系统中拥有重要的地位,并且他们的大部分软件构件都已经通过认证。

  ? Segger embOS:嵌入式软件市场的新进入者,但这并不意味着他们是新手。该软件产品已经开发了超过20年的时间,并已经使用在他们自己的硬件产品之中,因此对装置的支持程度非常好,并配有一个优秀的驱动程序库。

  ? Express Logic ThreadX:由行业的资深人士所创办,该公司专注在所有关于性能的事物上,并挤压出元器件中每一个时钟周期的效能。它通常被看作是操作系统中的劳斯莱斯,并已经有很多认证被使用在安全至上的系统之中。

  4.3开源解决方案

  ? FreeRTOS:FreeRTOS跟Micrium uC/OS一样,都是在同行业中最常被采用的实时操作系统之一。它有一个庞大的社群,有很多人都在为软件做出贡献,像是TCP/IP栈,但做为开源软件,便意味着没有公司会负责整合,因此需要更多的工作来创建一个整合的解决方案。

  ? 也有一些公司在FreeRTOS的生态系统中,专门从事将差异化的软件构件提供给那些需要整合协助的客户,例如,Wittenstein高完整性系统公司提供称为SAFERTOS安全认证的FreeRTOS替换核心,以及HCC嵌入式公司提供可以与任何实时操作系统工作的USB、以太网络和文件系统。

  ? mbed OS:mbed OS解决一些你通常会在开源软件所遇到的痛点,因为ARM这一家公司会负责整合的工作。然而,它仍然是处于萌芽阶段,所以如果你想要有些贡献就可以去这里。

  ? RIOT OS:RIOT OS被冠以“物联网中最友好的操作系统”,它是以通讯概念为基础所建立起来的操作系统。这使得它即使在面对困难的通讯问题时,仍然精简且高效率。然而它仍然还在积极发展的阶段当中,所以你得计划多花几个小时来进行除错。

  4.4架构

  有一些操作系统的功能就像是将砖块黏合在一起的水泥一样,会与发展框架紧密地结合在一起,因此一般不能使用软件本身做为项目的一部分,你必须围绕着它来进行整个开发流程。这些框架往往是使用比C++更高阶的语言所编写,通常可以在实时操作系统上运行。

  ? mbed:mbed也出现在这里,这时则做为快速成型的项目。它是用C++编写,并对大多数微控制器和电路板有绝佳的支持,拥有一个庞大的元件程序库,和一个采用网页架构的漂亮集成开发环境(IDE)。目前,在它准备全面部署之前,它仍然需要一点成熟的时间,但它很适合硬件原型的开发。

  ? Espruino:Espruino是在微控制器上运行的实时JavaScript解释器。它允许你能够动态地更改程序代码,甚至不需要读写微控制器便可以撰写程序代码。在它开始量产之前,仍然需要一些时间来发展,但它很适合用于硬件原型,并呈现出成为一个不可忽视软件架构的巨大潜力。

  ? microPython:microPython所能做的事与Espruino大致相同,差别仅在于其使用Python来代替JavaScript。它发展的概念,便是让你从产品开发的一开始到量产,都能够支持预先编译的程序代码,并使用C语言来编写时序至上的程序代码。目前仍在开发当中。

  ? microEJ:microEJ是一个采用Java架构的框架,让你轻松地为你的设备打造好看的图形化应用程序。它已经在许多智能手表和一些物联网(IoT)设备中使用。

  5 结语

  如果你想要着手进行设备的开发,而无需安装单一的程序,像是mbed和microPython这类的框架,便是入门的好方法。但是,如果你要建立更大的部署,采用一个纯粹的实时操作系统将会是更好的选择。如果使用工作时间而不是金钱来当作软件的投资,对你的公司来说会更为轻松的话,像是FreeRTOS或RIOT这类非商业解决方案便有其优势。如果你的公司能负担得起前期投资,像是Segger、Express Logic和Micrium的商业解决方案,将大大降低软件开发风险和缩短产品上市的时间。在商业解决方案中,特别像是Micrium的稳定性和认证的程序代码基础,广泛普及的部署,良好的元器件支持,开放的原始码,以及适合大多数经济效益的商业模式,更使其在商业解决方案中显得特别突出。



关键词: 软件架构 uC/OS

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