一個軟件工程師的軟硬件協(xié)同開發(fā)應(yīng)對經(jīng)驗淺談

我從事嵌入式業(yè)務(wù)已有很多年時間了，但還是不清楚“協(xié)同開發(fā)”是否是指管理人員夢想實現(xiàn)超高效項目開發(fā)進(jìn)度的一種方式，還是說對于軟件開發(fā)人員而言是一種折磨。或許它只是意味著軟件開發(fā)與硬件平臺設(shè)計齊頭并進(jìn)吧。這除了意味著軟件人員的苦難之外，我真不清楚還意味著什么。

在嵌入式領(lǐng)域，經(jīng)常要為正在設(shè)計中的電路板或芯片同時編寫軟件。有時是為Mentor Graphics或Cadence Design Systems等EDA廠商仿真環(huán)境中復(fù)雜的ASIC設(shè)計而編寫軟件。有時則是為Xilinx或Altera等公司功能強(qiáng)大的FPGA設(shè)計而編寫軟件。FPGA器件帶有與標(biāo)準(zhǔn)和定制IP模塊相連的嵌入式微處理器內(nèi)核。還有的時候是為了可編程片上系統(tǒng)編寫軟件，這種可編程片上系統(tǒng)將可編程數(shù)字/模擬功能和微控制器完美集成在一起（如賽普拉斯的PSoC器件）。這些功能都非常強(qiáng)大，能實現(xiàn)難以置信的創(chuàng)新，但同時也會帶來痛苦，那就是硬件可能隨時發(fā)生變化，而軟件開發(fā)人員則難以招架。

我不是建議放慢創(chuàng)新步伐，而是說應(yīng)該給軟件工程師一個喘氣的機(jī)會。但事實上剛好相反。硬件工具需要更好地與軟件IDE集成在一起才能加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。而設(shè)計人員需要更多工具和方法讓應(yīng)用不受硬件變化的影響。我不是說向設(shè)計中添加或從中移除主要的通信模塊。如果您的真需要添加或移除主要通信模塊，那么您的軟件工程師真該找點別的事干了，因為這意味著硬件設(shè)計還根本沒就位呢。我這里說的變化都是設(shè)計周期較晚階段對于已定義的功能模塊進(jìn)行的微小改變，比方說寄存器地址變動、比特位被重新定義、緩沖區(qū)大小改變等。這些“小變化”也會影響到軟件，進(jìn)而可能造成產(chǎn)品缺陷，甚至在忘記硬件變化原因時還要對軟件進(jìn)行長時間返工。

軟件工程師，現(xiàn)在到了我們奮起反擊的時候了！以下給出了針對目標(biāo)不斷變化的情況如何靈活進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的三點建議。在開始新的項目之前，不要忘掉這些建議！

1 不要編寫HAL，要生成它！

我們需要的第一個變化就是讓硬件開發(fā)工具生成軟件接口，也就是通常所說的硬件適配層（HAL）。HAL應(yīng)包括能可靠地初始化可編程硬件的啟動代碼，并提供API接口以支持系統(tǒng)的軟件控制。HAL不僅簡化了固件開發(fā)，還能將實施從接口中抽象出來。這就意味著硬件的微小變化不會對固件造成影響。

HAL中其實沒什么新概念，許多經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員已經(jīng)明智指出，常量、函數(shù)和變量都應(yīng)采用一致的、直觀的命名規(guī)范。不過，對于FPGA、CPLD和PSoC等可編程器件而言，我們還要將此規(guī)范進(jìn)一步擴(kuò)展，也就是HAL要由硬件設(shè)計工具生成，否則軟件工程師怎么才能確保可靠的接口呢？

在固定或變化很少的環(huán)境中（比如說固定功能MCU或大規(guī)模ASIC項目），我們可將HAL視為一套獨立的API，可將其作為硬件設(shè)計變化的一部分進(jìn)行修改。不過，對于現(xiàn)代化的可編程器件而言，硬件一天會變化好幾次。手動HAL維護(hù)與當(dāng)前情況根本不相匹配，肯定會在實施階段出現(xiàn)錯誤，更別說要對軟件工程師帶來多大痛苦和折磨了！我認(rèn)為，HAL自動生成應(yīng)為任何可編程平臺的必備要求。

圖1：PSoC Creator工作區(qū)域抓屏，其中我們看到采用FanController模塊和一對比較器（Comp_Hi）和（Comp_Lo）的系統(tǒng)控制器設(shè)計所用的API文件（HAL）。

2 集成自己最喜歡的IDE

可編程器件為創(chuàng)新帶來了巨大機(jī)遇，但往往設(shè)計硬件所需的工具會對正常軟件開發(fā)實踐造成影響。工程師往往不得不使用簡單、功能欠佳的工具，而且不能與現(xiàn)有的流程很好地結(jié)合。

大多數(shù)協(xié)同設(shè)計環(huán)境都是從硬件設(shè)計工具演變而來，這些工具多年來一直支持ASIC和FPGA或CPLD流程。隨著嵌入式CPU越來越普及，為工具產(chǎn)品組合添加軟件開發(fā)功能的需求變得非常明顯，這樣，一種工具就能支持軟硬件兩個領(lǐng)域，但對兩個領(lǐng)域各自而言又都不夠理想。在此情況下，工程師就會在兩個領(lǐng)域都會減少特性選擇，甚至喪失特性選擇。

解決方案不是讓工具廠商提供業(yè)界領(lǐng)先的調(diào)試器，將其捆綁到硬件設(shè)計工具中，就宣布成功，然后奇怪軟件工程師怎么還在不停地抱怨。為以硬件為中心的工具添加源代碼編輯器并調(diào)試特性，這并不能真正解決問題，因為工具仍沒有集成到用戶的流程中。源控制接口、軟件測試套件、自動化構(gòu)建等是目前開發(fā)人員每天都要接觸的工作，將硬件設(shè)計工具集成到他們的日常工作中才是真正的挑戰(zhàn)。

正確的做法根本不是集成調(diào)試器、編輯器或整個IDE，而是要讓軟件開發(fā)人員從項目一開始就能在自己真正喜歡并使用的傳統(tǒng)IDE開發(fā)環(huán)境中開展工作。硬件設(shè)計人員或許仍需要工具中的軟件特性來創(chuàng)建并運行小型測試程序，但真正的應(yīng)用開發(fā)應(yīng)當(dāng)始終在工程師首選的IDE中進(jìn)行。

如果想要滿足這一要求，一個辦法就是要能夠?qū)㈨椖繌囊粋€工具導(dǎo)出到另一個工具。舉例來說，賽普拉斯的PSoC Creator能夠?qū)SoC設(shè)計直接導(dǎo)入到Keil μVision工具中。在許多可編程系統(tǒng)中，“硬件”事實上是作為數(shù)據(jù)塊提供，能在啟動時被編程到器件中，以創(chuàng)建配置好的器件。對于軟件而言，它僅僅是數(shù)據(jù)，因此導(dǎo)出設(shè)計只需硬件工具為目標(biāo)產(chǎn)品生成項目文件，再用HAL源文件和初始化代碼植入即可。應(yīng)用隨后就能在硬件頂層上進(jìn)行構(gòu)建，而且不會干擾現(xiàn)代化環(huán)境中使用的自動化測試和源控制系統(tǒng)。

圖2：PSoC Creator的“IDE 導(dǎo)出”GUI。本對話框用來創(chuàng)建和更新用于應(yīng)用開發(fā)的Keil μVision項目。

當(dāng)然，對于動態(tài)的硬件平臺而言，一次性導(dǎo)出不是完整的解決方案，還必須提供無縫更新設(shè)計的特性，而且不會破壞應(yīng)用。對于支持庫的IDE來說，更新過程很簡單，因為設(shè)計可被拆分為應(yīng)用項目和配置庫，這就能將應(yīng)用完全隔離開來，而且能讓包含配置數(shù)據(jù)和HAL的硬件庫在設(shè)計變化時自動更新。

圖3：以上導(dǎo)出的系統(tǒng)控制器項目在Keil μVision中打開，可用于應(yīng)用開發(fā)。

3 超越軟件范疇的調(diào)試

設(shè)計人員所需的第三個特性就是改進(jìn)調(diào)試。在現(xiàn)代化器件中，“處理器”的定義不僅限于CPU的寄存器和指令集。處理器芯片集成了各種額外的片上功能，比如說常見的通信模塊和標(biāo)準(zhǔn)接口，此外還包括無所不在的定時器和計數(shù)器，以及為軟件提供數(shù)字接口的模擬功能，有時也包括定制邏輯和可切換的路由功能等。這種可定制性說到底正是我們最初選擇協(xié)同設(shè)計的原因所在。調(diào)試器如果只支持CPU，就會讓軟件開發(fā)人員非常失望。我們需要圍繞硬件認(rèn)真解決以下問題：硬件啟動了嗎？時鐘啟動并穩(wěn)定了嗎？外設(shè)在正常工作嗎？通信模塊是否生成中斷？能否發(fā)送和接收數(shù)據(jù)？能否在內(nèi)部總線上正常工作？

如果這聽起來就夠嚇人的話，我還沒說到從調(diào)試器改變硬件呢，這其實是讓人的角色在迫害者和受害者之間轉(zhuǎn)變。我需要符號化外設(shè)硬件的存取方式，這樣我就能監(jiān)控和控制影響應(yīng)用的狀態(tài)變化。

當(dāng)然，符號信息必須從硬件工具中生成，就好像上述HAL一樣。通過簡單添加這一點，調(diào)試過程就變得更加簡單，功能也更加強(qiáng)大了。之所以說更簡單，是因為我們不再需要一直查詢文檔去尋找并確認(rèn)調(diào)試器中要注意哪些關(guān)鍵寄存器的地址了。而之所以說更強(qiáng)大，是因為現(xiàn)在它能支持更為復(fù)雜的調(diào)試。除了快速獲得外設(shè)模塊狀態(tài)快照之外，有時我們還能從調(diào)試器控制功能塊，無需編寫代碼以編程方式重建情境就能了解情境工作的具體情況。

交換此信息的典型方法就是讓IDE使用由硬件工具生成的XML文件。ARM CMSIS-SVD（軟件接口標(biāo)準(zhǔn)——系統(tǒng)視圖描述）標(biāo)準(zhǔn)就是一個很好的例子。它是基于XML的硬件描述，旨在讓調(diào)試器支持高度集成的微控制器。CMSIS是一種面向ARM Cortex微控制器的HAL的標(biāo)準(zhǔn)定義，得到了眾多廠商的廣泛采用。SVD擴(kuò)展主要針對硬件描述，如寄存器、存儲器、外設(shè)等，讓從事可編程系統(tǒng)開發(fā)的人員真正地大獲裨益。

圖4：這是一小段XML，介紹了賽普拉斯PSoC Creator調(diào)試器有關(guān)CAN實施中一個寄存器的情況。CAN_CSR_ERR_SR寄存器的地址、大小和描述均已定義，在寄存器中有5個字段，定義了名稱、大小和存取權(quán)限。

共享硬件定義的一個重要因素就是能夠定義外設(shè)寄存器，進(jìn)而言之，則能提供面向寄存器中字段的存取權(quán)限，從而確保調(diào)試器認(rèn)真對待讀/寫可修改的位。硬件給我們提供clear-on-read位和zero-to-toggle位以及各種其它晶體管能夠感應(yīng)但是軟件很難應(yīng)付的狀態(tài)處理接口。只有對硬件進(jìn)行良好的機(jī)器生成定義，我們才能保證用戶在外設(shè)模塊上調(diào)試寄存器或個別位時不至于浪費時間，或?qū)е乱馔饨Y(jié)果。

有了可編程硬件的高級視圖，我們不僅能檢查狀態(tài)寄存器和錯誤狀態(tài)，還能實現(xiàn)更多功能。舉例來說，如果硬件支持寄存器控制的開關(guān)，能實現(xiàn)外設(shè)I/O到器件引腳的靈活路由，那么軟件開發(fā)人員就能從調(diào)試器操控器件的內(nèi)部布線！有些人聽到這里可能感覺有些嚇人，不過如果SVD信息正確生成，那么我們就能限制允許的變化，確?！鞍踩摹本庉嫞热缯f數(shù)字信號上的多路復(fù)用器通道選擇或兩個物理引腳之間的模擬輸入切換。

硬件工具為軟件開發(fā)人員生成調(diào)試信息，有望顯著縮短應(yīng)用開發(fā)時間。不僅如此，重要的是，我們還有機(jī)會在早期檢測出硬件設(shè)計錯誤，因為軟件開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)混亂和代碼重寫的不正常情況下更有可能發(fā)現(xiàn)意料之外的行為。

面向可編程器件的完整產(chǎn)品

現(xiàn)在，“完整產(chǎn)品”的概念已得到充分地理解和廣泛地接受，也成了成功的重要因素。只有最佳的工具或最出色的芯片已經(jīng)不夠了。我們今天使用的可編程解決方案形式多樣：可能是全定制的ASIC，其在高度專業(yè)化的解決方案中集成了ARM內(nèi)核和多個IP模塊；也可能是更加通用的平臺，其集成了可編程芯片和設(shè)計工具，諸如Altera和賽靈思推出的FPGA解決方案，或賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的PSoC器件等。雖然這些環(huán)境千差萬別，但都面臨著同樣的問題——不能將硬件修改有效地遷移到軟件領(lǐng)域，從而影響應(yīng)用開發(fā)。

我認(rèn)為，這個問題的根源在于項目中使用的硬件設(shè)計工具和IDE采用了狹隘的方法。像我這樣的軟件狂人（開玩笑）總喜歡把所有問題都?xì)w咎于硬件工具和工程師，但事實上硬件工具和軟件工具集都太過偏向于他們特定的領(lǐng)域了。很難見到二者添加了我以上提到的特性，因為這些特性跟其各自的客戶好像沒什么關(guān)系。我相信這種局面正在發(fā)生變化，PSoC Creator等產(chǎn)品支持在可編程硬件上進(jìn)行器件配置同時還集成第三方IDE（如ARM的Keil μVision IDE）的工具會不斷發(fā)展。在工程師首選的IDE中實現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)，同時讓工具獲得獨有的強(qiáng)大信息并控制硬件平臺，這顯然是更高效進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、加速產(chǎn)品上市進(jìn)程的必由之路。與此同時，減少對工程師的折磨也不失為一件大好事！