別讓MCU、內(nèi)核或編程語(yǔ)言干擾設(shè)計(jì)

別讓MCU、內(nèi)核或編程語(yǔ)言干擾設(shè)計(jì)

　很多時(shí)候有人試圖讓你信服：他們的“東西”或最新的產(chǎn)品將成為或取代你的下一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這是真的，每天我們都在采用零星的技巧來(lái)改進(jìn)嵌入式設(shè)計(jì)，有些改進(jìn)確實(shí)是挑戰(zhàn)，但是，如果不從可靠的、獨(dú)特的設(shè)計(jì)開(kāi)始，沒(méi)有“新的技術(shù)”，產(chǎn)品不會(huì)成功。擺在我們面前的問(wèn)題是，設(shè)計(jì)需要時(shí)間，時(shí)間是一種易消逝的資源，并且，所有這些新事物、新設(shè)備、新工具很重要，但并不是最重要的事情。需要防漏洞實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嗎?需要更快的CPU內(nèi)核嗎?微控制器中需要更密集集成的外圍設(shè)備嗎?把這些問(wèn)題找出來(lái)，找到答案并為之利用，但要知道“IT”不是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。關(guān)鍵是設(shè)計(jì)成仿佛你想要的一切已經(jīng)存在，完全取決于您的意愿，使您的產(chǎn)品、系統(tǒng)按照您的需求、期望、要求精密“包裝”，定義接口。按照您想要的方式，用layers和wrappers構(gòu)建設(shè)計(jì)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，采用最新的最好的事情，會(huì)使產(chǎn)品更高端，更快速，更便宜，更強(qiáng)大或者說(shuō)隨處滿足需求，可以在以后出現(xiàn)在您的后期設(shè)計(jì)時(shí)，甚至出現(xiàn)在生產(chǎn)線上。

　　該觀點(diǎn)還在不斷繼續(xù)：

　　● 此類或那類嵌入式設(shè)計(jì)采用哪種CPU內(nèi)核最好?

　　● 開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)采用什么語(yǔ)言最好?哪個(gè)編譯器?

　　● 對(duì)于簡(jiǎn)單的主循環(huán)和中斷實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)該購(gòu)買，自己編寫(xiě)還是避開(kāi)“操作系統(tǒng)”?

　　作為經(jīng)驗(yàn)豐富的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員，既有大型系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)(波音777飛行控制)又有小型單人項(xiàng)目(筆記本電腦熱風(fēng)扇控制)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)避開(kāi)單臺(tái)機(jī)器或語(yǔ)言的具體利弊，將更多的時(shí)間花在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和構(gòu)建上，并且獨(dú)立于語(yǔ)言和CPU內(nèi)核。這方面部分來(lái)自于對(duì)類似系統(tǒng)的工作，只是“再用于“下一個(gè)項(xiàng)目(雖然要求完全不同，并且切換到了微控制器)。我也參與過(guò)由幾個(gè)獨(dú)立的設(shè)備組成的系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)備都有自己的程序和微控制器，各部分經(jīng)常在不同的子項(xiàng)目之間來(lái)回使用：某個(gè)子項(xiàng)目中的編碼器可能是另一個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試器，或當(dāng)完成自己的子項(xiàng)目的編碼后，會(huì)投入另一個(gè)子項(xiàng)目，以幫助完成項(xiàng)目。缺乏基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法會(huì)覺(jué)得這些情況很困難，難以按照計(jì)劃完成。通過(guò)獨(dú)立的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可避免機(jī)器依賴性，讓設(shè)計(jì)復(fù)用和基于團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)不僅成為可能，而且加大了成功機(jī)會(huì)(如以后的增加要求)。

　　最近的一個(gè)項(xiàng)目是我更加疑慮，幾乎每次都是，必須使設(shè)計(jì)適應(yīng)(有時(shí)根本就是)所選的語(yǔ)言和機(jī)器。我們已經(jīng)以某個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)開(kāi)始，只是按一般方式考慮了集成微控制器及其外圍設(shè)備，我們只關(guān)注我們需要什么并不關(guān)心它是如何實(shí)現(xiàn)的，至少我們是這么認(rèn)為的。我們選擇了一些非常專業(yè)外設(shè)的新器件，并且開(kāi)始編碼時(shí)，發(fā)現(xiàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)了解如何構(gòu)建硬件，以及如何根據(jù)需求最好地利用。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)好的方式來(lái)利用設(shè)備的某特征時(shí)，設(shè)備的此特點(diǎn)通過(guò)代碼嵌入了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。我們已不再堅(jiān)持我們的系統(tǒng)，不得不讓機(jī)器和具體操作改變了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。于是只好停下來(lái)檢查問(wèn)題和實(shí)施方案，通過(guò)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)分離出依賴機(jī)器的“修復(fù)”，然后將“修復(fù)”融入系統(tǒng)四周的“包裝”中。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)某個(gè)應(yīng)用時(shí)(甚至單一微控制器)，以調(diào)溫器為例，有一個(gè)創(chuàng)建好了的系統(tǒng)級(jí)視圖，描述了硬件和實(shí)施某種方式的應(yīng)用程序。該視圖用于多種用途，例如，可作為與高層管理人員或另一個(gè)小組進(jìn)行交流的工具(不希望知道所有細(xì)節(jié))，如自動(dòng)化測(cè)試人員。如果僅將其視為“視圖”而不是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且實(shí)施不是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)自上而下，而是將其用作起點(diǎn)，則問(wèn)題就出現(xiàn)了?？紤]圖1所示的溫控系統(tǒng)。

　　顯示系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，卻反映了許多嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在“溫度傳感”部分包含溫度輸入，其輸出進(jìn)入主系統(tǒng)“控制邏輯”部分?！翱刂七壿嫛钡钠渌斎胧菢?biāo)記“用戶輸入”的部分，代表人機(jī)接口，大概設(shè)置了恒溫器的溫度調(diào)節(jié)?！翱刂七壿嫛辈糠指鶕?jù)這些輸入確定了如何命令供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)，以保持恒溫器設(shè)定的溫度，將這些命令發(fā)送到“熱與冷命令”部分。最后一個(gè)部分是“顯示輸出”，將當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)傳遞到用戶。當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的一部分是恒溫設(shè)置，另一部分是最新的溫度讀數(shù)，最后部分是正在執(zhí)行的命令，以迫使溫度返回恒溫設(shè)置(即加熱、冷卻和/或打開(kāi)或關(guān)閉風(fēng)扇)。

　正如前面所述，這是一個(gè)直接和相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用，非常簡(jiǎn)單以至于不需要考慮系統(tǒng)，而是很自然地跳到實(shí)施(我相信大多數(shù)讀者甚至可以說(shuō)出最喜歡的微控制器供應(yīng)商的型號(hào))?？梢允怯糜诖渭?jí)市場(chǎng)的高端PC游戲圖形系統(tǒng)的墻恒溫器或溫度管理裝置。用于墻恒溫器的微控制器的具體實(shí)施基本不需用于圖形系統(tǒng)。重點(diǎn)是，無(wú)論設(shè)計(jì)顯得多么簡(jiǎn)單，都有很好的理由先設(shè)計(jì)系統(tǒng)，然后實(shí)現(xiàn)它。將其盡量設(shè)計(jì)成適合通常應(yīng)用。

　　開(kāi)始時(shí)，需要考慮理想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后生成layers，在理想的系統(tǒng)和實(shí)際實(shí)施之間構(gòu)建wrappers(有時(shí)是雜亂的)?！翱刂七壿嫛辈糠肿鳛榭驁D的核心是有充分理由的-因?yàn)樗窍到y(tǒng)的內(nèi)核。周圍的每個(gè)部分都服務(wù)于“控制邏輯”部分，要根據(jù)需要提供“服務(wù)”。

　　應(yīng)自“溫度傳感器”部分開(kāi)始。其理由是獲得當(dāng)前/瞬時(shí)溫度，并以一致的格式提供出來(lái)。從“控制邏輯”的角度來(lái)看，其作用是“獲取溫度”，并以格式化的值(xxx.xx攝氏度)返回當(dāng)前溫度值。溫度傳感器部分的硬件wrappers將包括實(shí)施中任何需要用來(lái)將原溫度傳感輸入“翻譯”成預(yù)期格式的攝氏度。這可能意味著需要考慮獲得新讀數(shù)的最佳時(shí)間，如果溫度讀數(shù)中有太多的噪音(無(wú)論何種原因)，應(yīng)添加過(guò)濾算法，并且如果溫度硬件出現(xiàn)故障，應(yīng)采用決策邏輯。重點(diǎn)是，“溫度傳感器”部分的輸出是什么，而且傳遞到“控制邏輯”應(yīng)為理想的溫度，所有的噪音，實(shí)際隱藏的細(xì)節(jié)都應(yīng)很容易的由wrapper代替。

　　如果設(shè)計(jì)需要從系統(tǒng)中三個(gè)不同的點(diǎn)測(cè)量三個(gè)溫度值(對(duì)于計(jì)算機(jī)箱內(nèi)的計(jì)算機(jī)很普遍)怎么辦?處理這三個(gè)溫度是控制邏輯問(wèn)題(例如，何時(shí)多路輸出也將受到控制)?如果是這樣，從1個(gè)溫度轉(zhuǎn)換到3個(gè)溫度首先意味著“溫度傳感器”部分要更新，以提供3個(gè)溫度和為每個(gè)溫度實(shí)施創(chuàng)建的wrappers(允許多種類型的輸入)，然后控制邏輯也因?yàn)槎鄠€(gè)輸出而更新。這可能意味著三個(gè)不同的“GetTemperature_n”服務(wù)或需要更新服務(wù)以確定是識(shí)別哪個(gè)溫度的參量。

　　如果三個(gè)溫度僅僅用于加權(quán)以得到一個(gè)“更真實(shí)”的系統(tǒng)溫度，控制邏輯不需要改變，只需將含wrappers的溫度傳感塊以統(tǒng)一格式輸入這三個(gè)溫度，然后通過(guò)一個(gè)wrappers來(lái)對(duì)這三個(gè)溫度進(jìn)行加權(quán)，生成控制邏輯所需的單一溫度。這種方法易于包含來(lái)自不同的溫度輸入(例如，圖形處理器的二極管結(jié)測(cè)量和連接到PCB的模擬熱敏電阻)，因?yàn)閣rappers將系統(tǒng)邏輯與硬件隔離開(kāi)。

　　讓我們以兩個(gè)不同的實(shí)現(xiàn)例子驗(yàn)證這個(gè)論點(diǎn)：一個(gè)用于墻恒溫器，另一個(gè)是顯卡上的溫度控制子系統(tǒng)。首先對(duì)于墻恒溫器，如圖2所示，假定使用基于8051的賽普拉斯PSoC3設(shè)備。“溫度傳感器”部分的硬件由連接到ADC(16位Δ-Σ轉(zhuǎn)換器)的熱敏電阻組成。“用戶輸入”部分的硬件由5個(gè)常開(kāi)按鍵開(kāi)關(guān)組成，一邊連接到電路接地端，另一邊連接到含內(nèi)部上拉電阻的5輸入數(shù)字端口。“熱和冷命令”模塊的硬件部分包括三個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管，由配置為開(kāi)漏低輸出的3輸出端口驅(qū)動(dòng)。最后，“顯示輸出”塊的硬件實(shí)現(xiàn)是串行字符液晶顯示器，能夠根據(jù)需要顯示字母數(shù)字字符串。

　　對(duì)于第2個(gè)應(yīng)用，即顯示卡，將用戶輸入從離散開(kāi)關(guān)變?yōu)?a href="http://ttokpm.com/tags/i2c/" target="_blank">I2C基于寄存器的從接口(由主CPU而不是人類直接控制)，并將串行LCD顯示變?yōu)镾PI-從控制顯示器(使用一系列的寄存器和指令，可能是安裝在主計(jì)算機(jī)外殼前面板上的遠(yuǎn)程變頻顯示，未安裝到顯卡上)。溫度輸入和HVAC命令保持不變。圖3顯示了早期實(shí)施的變化，假定使用基于8051的賽普拉斯PSoC3設(shè)備。

　　用戶輸入的兩種實(shí)現(xiàn)均可服務(wù)于“GetThermostatSetting”、“IsHeaterEnabled”、“IsCoolerEnabled”和“IsFanOn”。對(duì)于第一個(gè)墻恒溫器應(yīng)用，“用戶輸入”將數(shù)字端口包裝到所列的服務(wù)中，當(dāng)設(shè)備被調(diào)用時(shí)，提供端口的實(shí)時(shí)讀數(shù)(一種可能的實(shí)施)。對(duì)于另一個(gè)應(yīng)用，基于I2C從機(jī)的實(shí)現(xiàn)，相同的服務(wù)將來(lái)自I2C主機(jī)寫(xiě)入的寄存器的最新值返回到“控制邏輯”部分，也許經(jīng)常返回也許僅在上電時(shí)返回。并且這些實(shí)現(xiàn)還有很多其它特點(diǎn)，包括用作切換鍵的墻上按鈕開(kāi)關(guān)而不是瞬間讀數(shù)，甚至在“用戶輸入”部分的wrappers深層進(jìn)行邊沿觸發(fā)異步處理。

　　綜合上述的關(guān)鍵是：系統(tǒng)設(shè)計(jì)隱藏了硬件細(xì)節(jié);硬件和實(shí)施細(xì)節(jié)被系統(tǒng)設(shè)計(jì)包裝并隱藏。通過(guò)外端設(shè)計(jì)(即代碼)的實(shí)施細(xì)節(jié)，可以保護(hù)這些應(yīng)用實(shí)現(xiàn)時(shí)避免分裂，可以做到個(gè)性化的設(shè)計(jì)，權(quán)衡利弊，保證項(xiàng)目成功交付，并仍然能夠提供可復(fù)用性和組設(shè)計(jì)。不要讓賣方牽引注意力——先設(shè)計(jì)系統(tǒng)，然后加強(qiáng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不被抄襲。