MCU面臨哪些軟件挑戰(zhàn)？為什么拓展MCU的潛能需要新的思維方式

　　為什么拓展MCU的潛能需要新的思維方式

　　　恩智浦 Brendon Slade

　　微控制器（MCU）已經(jīng)歷了無數(shù)次技術(shù)進(jìn)步，從硬件加密到復(fù)雜的圖形功能，然而在此期間，軟件開發(fā)一直難以跟上這種步伐。這篇博文介紹了工程師在MCU平臺(tái)上進(jìn)行軟件開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)、恩智浦計(jì)劃如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，以及為什么選擇能力是未來MCU必不可少的要素。

　　硬件能力不斷更新，軟件開發(fā)停滯不前

　　與所有電子器件一樣，自1970年代首批MCU問世以來，微控制器已經(jīng)歷了巨大的變化。首款真正具有商業(yè)價(jià)值的微處理器（如無所不在的8051）基于8位技術(shù)，并整合了幾個(gè)計(jì)時(shí)器、UART端口、ADC，以及DAC（少數(shù)產(chǎn)品）。這些器件非常簡(jiǎn)單，易于掌握，指令集非常小，可以輕松地使用低層語言，如匯編語言。

　　快進(jìn)到2023年，MCU經(jīng)歷了巨大的變化，內(nèi)存更大、CPU更快，擁有多種外設(shè)，從高級(jí)電機(jī)控制到機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）加速器。然而，MCU最重要的一個(gè)變化是其內(nèi)部架構(gòu)的復(fù)雜性增加了，如果沒有驅(qū)動(dòng)程序提供對(duì)底層硬件的抽象，從零開始為現(xiàn)代MCU編寫代碼就非常具有挑戰(zhàn)性。

　　為了幫助工程師對(duì)現(xiàn)代MCU進(jìn)行編碼，我們提供廣泛的軟件解決方案和工具（包括驅(qū)動(dòng)程序和高級(jí)配置工具），用戶無需進(jìn)行寄存器級(jí)編程。雖然這些工具對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施至關(guān)重要，但用于MCU編碼的軟件基礎(chǔ)架構(gòu)并未達(dá)到與硬件相同的高度，導(dǎo)致軟件和硬件之間存在巨大的技術(shù)鴻溝。

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　　MCU面臨哪些軟件挑戰(zhàn)？

　　無論使用哪個(gè)平臺(tái)，MCU的軟件開發(fā)都面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括平臺(tái)鎖定、可移植性有限、碎片化、缺乏開源支持、開發(fā)人員自由受限和缺少標(biāo)準(zhǔn)化等。

　　首先，大多數(shù)MCU平臺(tái)通常會(huì)將工程師鎖定在固定平臺(tái)上，因?yàn)橐獙⒋a移植到其他平臺(tái)、其他架構(gòu)或供應(yīng)商會(huì)非常耗時(shí)，即使平臺(tái)使用了相同的處理器內(nèi)核（如Arm? Cortex-M?）。對(duì)于不使用MCU或其外設(shè)全部功能的簡(jiǎn)單項(xiàng)目而言，這可能是小問題，但對(duì)于因硬件需求變化而需要切換到其他制造商的項(xiàng)目來說，則可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。當(dāng)OEM擁有各種價(jià)格和功率需求不同的產(chǎn)品時(shí)，不可避免地要使用多種不同的MCU，因此維護(hù)多代碼基礎(chǔ)的成本可能非常高。

　　另一個(gè)可能影響工程師的軟件挑戰(zhàn)是IDE差別迥異。工程師通常使用不同制造商的眾多設(shè)備，因?yàn)槊總€(gè)設(shè)備只適用于特定的應(yīng)用。但對(duì)每一個(gè)平臺(tái)，工程師都需要了解IDE的工作原理、工具位于何處，以及如何讓項(xiàng)目運(yùn)行。因此，工程師要跟上每個(gè)開發(fā)環(huán)境的新變化可能需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。

　　此外，MCU供應(yīng)商很少支持一個(gè)以上免費(fèi)的IDE平臺(tái)，并且大部分都基于Eclipse，Eclipse被視為軟件開發(fā)行業(yè)的主力。Eclipse作為主流IDE，供應(yīng)商可高效定制，便于使用，但由于它采用基于Java的內(nèi)核，對(duì)CPU和內(nèi)存資源需求要求非常高。相比之下，微軟的Visual Studio Code（VS Code）非常輕量化和快速，因此許多工程師選擇使用VS Code開發(fā)環(huán)境。

　　IAR和Arm Keil是高級(jí)開發(fā)工具領(lǐng)域久負(fù)盛名的專家，他們提供的IDE具有自己的專業(yè)調(diào)試功能，以及高性能優(yōu)化編譯器和功能安全認(rèn)證。恩智浦與這兩家白金級(jí)合作伙伴密切合作，通過MCUXpresso SDK軟件包為他們的工具提供開箱即用的支持。甚至這些開發(fā)工具巨擘也承認(rèn)Visual Studio Code廣受青睞且具有較高的靈活性，因?yàn)樗С侄喾N編譯器，用戶可借助該工具采用混合方法進(jìn)行編輯和構(gòu)建，并結(jié)合開發(fā)工具領(lǐng)軍企業(yè)的專業(yè)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。

　　MCUXpresso for Visual Studio Code介紹

　　恩智浦認(rèn)識(shí)到Visual Studio Code對(duì)于現(xiàn)代開發(fā)人員非常重要，現(xiàn)已推出MCUXpresso for VS Code，該擴(kuò)展產(chǎn)品為MCUXpresso軟件驅(qū)動(dòng)程序和中間件提供全面支持，使開發(fā)人員能夠使用主流IDE進(jìn)行快速響應(yīng)的編碼。除了比較傳統(tǒng)的MCUXpresso SDK流程外，這款新產(chǎn)品為使用開源Zephyr RTOS的開發(fā)人員提供全面支持，與現(xiàn)有解決方案相比，提升了用戶體驗(yàn)。

　　MCUXpresso for Visual Studio Code功能框圖

　　MCUXpresso硬件抽象層

　　為了方便工程師在不同MCU平臺(tái)之間移植代碼，恩智浦即將推出新的硬件抽象層（HAL），為開發(fā)人員提供一組適用于i.MX RT、LPC5500和MCX MCU的API。隨著新HAL的推出，恩智浦MCU代碼可以完全移植到廣泛的產(chǎn)品組合中，用戶可在眾多功率/性能之間進(jìn)行選擇，不存在代碼移植障礙。

　　盡管HAL的推出本身并不新鮮，但它基于與其他平臺(tái)已使用的開源代碼API定義，體現(xiàn)了恩智浦致力于為用戶提供選擇能力的承諾。通過這種方法，工程師不僅能夠在不同的恩智浦器件中自由遷移，甚至還可以將他們的代碼傳輸給其他芯片供應(yīng)商。這種靈活性為設(shè)計(jì)人員提供了極大的自由，他們能夠編寫不鎖定在某個(gè)硬件平臺(tái)的MCU代碼，從而使固件設(shè)計(jì)更貼近不受設(shè)備局限的未來。

　　恩智浦和Open-CMSIS-Pack

　　在MCU解決方案中使用中間件變得日益重要。由于MCU設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求的復(fù)雜性不斷增加，工程師開始轉(zhuǎn)向能夠提供高級(jí)功能的軟件庫，例如圖形處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、USB設(shè)備枚舉、音頻功能，甚至ML/AI。在這些情況下，試圖將其它公司提供的第三方中間件納入項(xiàng)目會(huì)非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槟硞€(gè)供應(yīng)商的軟件在形式和風(fēng)格方面可能與其它供應(yīng)商的軟件不同。因此，可能需要手動(dòng)執(zhí)行幾個(gè)步驟，將外部軟件重新構(gòu)建到所需的文件夾并集成編譯命令，并且在供應(yīng)商每次交付新庫時(shí)都會(huì)出現(xiàn)這些問題。

　　為了幫助工程師將中間件納入其項(xiàng)目中，MCUXpresso生態(tài)系統(tǒng)中的所有IDE現(xiàn)在都支持Open-CMSIS-Pack。這些完整的軟件產(chǎn)品使用特定的標(biāo)準(zhǔn)和形式進(jìn)行封裝，使IDE能夠自動(dòng)識(shí)別內(nèi)容、將所需的文件添加到項(xiàng)目中、配置Build工具，并提供API訪問。由于依賴性已整合到Open-CMSIS-Pack中，工程師不必花費(fèi)數(shù)小時(shí)從不同的位置下載單獨(dú)的文件，也不需要檢查下載的版本是否兼容。

　　為什么選擇能力會(huì)決定MCU設(shè)計(jì)的未來

　　計(jì)算機(jī)行業(yè)朝著統(tǒng)一和開放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，同樣，MCU生態(tài)系統(tǒng)也可以效仿，從而打造新環(huán)境，讓固件工程師編寫代碼時(shí)不受硬件的限制。這并不意味著硬件將變得不重要；相反，硬件將繼續(xù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。變化在于，創(chuàng)建固件的用戶不必再擔(dān)心代碼可移植性、哪些設(shè)備在執(zhí)行他們的軟件以及軟件如何與硬件對(duì)接等問題。

　　MCU采用統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也將推動(dòng)開源軟件的迅速普及。如果MCU軟件具有較高的可移植性，用戶可輕松共享MCU代碼，因?yàn)樗m用于更多的平臺(tái)。這有助于加速開源項(xiàng)目，因?yàn)榕c不同芯片供應(yīng)商合作的工程師都可以使用自己的原生平臺(tái)共同開發(fā)互惠互利的軟件解決方案。

　　在MCU之間引入HAL開放標(biāo)準(zhǔn)也有助于鼓勵(lì)新制造商采用這些標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)備將與大多數(shù)（如果不是全部）現(xiàn)有軟件解決方案兼容。因此，新的MCU可以快速普及，從而提高工程師使用先進(jìn)解決方案的速度，而無需重新在軟件資源方面投入大量資金。

　　這種選擇能力最終將緩解MCU行業(yè)的碎片化問題，這難道不是當(dāng)今開發(fā)人員所希望的嗎？

　　作者

　　Brendon Slade

　　恩智浦通用MCU生態(tài)合作體系總監(jiān)

　　Brendon Slade是通用MCU生態(tài)合作體系團(tuán)隊(duì)總監(jiān)。他在DSP和微控制器行業(yè)擁有超過25年的經(jīng)驗(yàn)，曾在工業(yè)、移動(dòng)、汽車、語音通信和音頻處理市場(chǎng)方面擔(dān)任設(shè)計(jì)、應(yīng)用和技術(shù)營銷職務(wù)。他的團(tuán)隊(duì)專注于支持恩智浦基于Arm? Cortex?-M的MCU，與合作伙伴和恩智浦的內(nèi)部軟件團(tuán)隊(duì)合作，定義并交付互補(bǔ)的開發(fā)工具和軟件解決方案。他畢業(yè)于英國普利茅斯大學(xué)（University of Plymouth），現(xiàn)居加利福尼亞州桑尼維爾，擁有調(diào)試技術(shù)專利。