Raspberry Pi 產(chǎn)品線是一款具有無(wú)線連接功能的 10 美元個(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(lái)說(shuō),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,一旦較低(直至金屬)驅(qū)動(dòng)程序?qū)颖怀橄?,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(lái)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(yè)(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(yè),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(yè)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(yè)。
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(kù)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)。
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):
1. 分層架構(gòu)簡(jiǎn)化了文檔膨脹問題,只要關(guān)注中間件層提供的標(biāo)準(zhǔn)功能即可。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(yè),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(lái)代碼。
2. HAL 層為標(biāo)準(zhǔn)中間件服務(wù)提供了巨大的支持,但由于其剛性性質(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)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(kù)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(yè)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(yǔ)言)源文件組成的輸出,用戶可以完全檢查,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》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。
審核編輯:郭婷
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