避免MCU或編程語(yǔ)言干擾設計

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)品設計。這是真的，每天我們都在采用零星的技巧來(lái)改進(jìn)嵌入式設計，有些改進(jìn)確實(shí)是挑戰，但是，如果不從可靠的、獨特的設計開(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，設計需要時(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)操作系統嗎?需要更快的CPU內核嗎?微控制器中需要更密集集成的外圍設備嗎?把這些問(wèn)題找出來(lái)，找到答案并為之利用，但要知道“IT”不是設計的關(guān)鍵。關(guān)鍵是設計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構建設計，你會(huì )發(fā)現，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，更強大或者說(shuō)隨處滿(mǎn)足需求，可以在以后出現在您的后期設計時(shí)，甚至出現在生產(chǎn)線(xiàn)上。

　　該觀(guān)點(diǎn)還在不斷繼續：

　　● 此類(lèi)或那類(lèi)嵌入式設計采用哪種CPU內核最好?

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

　　● 對于簡(jiǎn)單的主循環(huán)和中斷實(shí)時(shí)操作系統，應該購買(mǎi)，自己編寫(xiě)還是避開(kāi)“操作系統”?

　　作為經(jīng)驗豐富的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)人員，既有大型系統的經(jīng)驗(波音777飛行控制)又有小型單人項目(筆記本電腦熱風(fēng)扇控制)經(jīng)驗，應避開(kāi)單臺機器或語(yǔ)言的具體利弊，將更多的時(shí)間花在應用程序設計和構建上，并且獨立于語(yǔ)言和CPU內核。這方面部分來(lái)自于對類(lèi)似系統的工作，只是“再用于“下一個(gè)項目(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)獨立的設備組成的系統，每個(gè)設備都有自己的程序和微控制器，各部分經(jīng)常在不同的子項目之間來(lái)回使用：某個(gè)子項目中的編碼器可能是另一個(gè)項目的測試器，或當完成自己的子項目的編碼后，會(huì )投入另一個(gè)子項目，以幫助完成項目。缺乏基于系統的設計方法會(huì )覺(jué)得這些情況很困難，難以按照計劃完成。通過(guò)獨立的系統設計可避免機器依賴(lài)性，讓設計復用和基于團隊的設計不僅成為可能，而且加大了成功機會(huì )(如以后的增加要求)。

　　最近的一個(gè)項目是我更加疑慮，幾乎每次都是，必須使設計適應(有時(shí)根本就是)所選的語(yǔ)言和機器。我們已經(jīng)以某個(gè)系統架構和設計開(kāi)始，只是按一般方式考慮了集成微控制器及其外圍設備，我們只關(guān)注我們需要什么并不關(guān)心它是如何實(shí)現的，至少我們是這么認為的。我們選擇了一些非常專(zhuān)業(yè)外設的新器件，并且開(kāi)始編碼時(shí)，發(fā)現需要花費大量的時(shí)間來(lái)了解如何構建硬件，以及如何根據需求最好地利用。當我們發(fā)現好的方式來(lái)利用設備的某特征時(shí)，設備的此特點(diǎn)通過(guò)代碼嵌入了系統級設計。我們已不再堅持我們的系統，不得不讓機器和具體操作改變了系統設計。于是只好停下來(lái)檢查問(wèn)題和實(shí)施方案，通過(guò)系統重新設計分離出依賴(lài)機器的“修復”，然后將“修復”融入系統四周的“包裝”中。

　　當設計某個(gè)應用時(shí)(甚至單一微控制器)，以調溫器為例，有一個(gè)創(chuàng )建好了的系統級視圖，描述了硬件和實(shí)施某種方式的應用程序。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(不希望知道所有細節)，如自動(dòng)化測試人員。如果僅將其視為“視圖”而不是系統設計，并且實(shí)施不是從系統設計自上而下，而是將其用作起點(diǎn)，則問(wèn)題就出現了?？紤]圖1所示的溫控系統。

　　顯示系統相對簡(jiǎn)單，卻反映了許多嵌入式產(chǎn)品設計。在“溫度傳感”部分包含溫度輸入，其輸出進(jìn)入主系統“控制邏輯”部分。“控制邏輯”的其它輸入是標記“用戶(hù)輸入”的部分，代表人機接口，大概設置了恒溫器的溫度調節。“控制邏輯”部分根據這些輸入確定了如何命令供暖、通風(fēng)和空調(HVAC)系統，以保持恒溫器設定的溫度，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”，將當前系統狀態(tài)傳遞到用戶(hù)。當前系統狀態(tài)的一部分是恒溫設置，另一部分是最新的溫度讀數，最后部分是正在執行的命令，以迫使溫度返回恒溫設置(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)直接和相對簡(jiǎn)單的應用，非常簡(jiǎn)單以至于不需要考慮系統，而是很自然地跳到實(shí)施(我相信大多數讀者甚至可以說(shuō)出最喜歡的微控制器供應商的型號)?？梢允怯糜诖渭壥袌?chǎng)的高端PC游戲圖形系統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。重點(diǎn)是，無(wú)論設計顯得多么簡(jiǎn)單，都有很好的理由先設計系統，然后實(shí)現它。將其盡量設計成適合通常應用。

　　開(kāi)始時(shí)，需要考慮理想的系統設計，然后生成layers，在理想的系統和實(shí)際實(shí)施之間構建wrappers(有時(shí)是雜亂的)。“控制邏輯”部分作為框圖的核心是有充分理由的-因為它是系統的內核。周?chē)拿總€(gè)部分都服務(wù)于“控制邏輯”部分，要根據需要提供“服務(wù)”。

　　應自“溫度傳感器”部分開(kāi)始。其理由是獲得當前/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”成預期格式的攝氏度。這可能意味著(zhù)需要考慮獲得新讀數的最佳時(shí)間，如果溫度讀數中有太多的噪音(無(wú)論何種原因)，應添加過(guò)濾算法，并且如果溫度硬件出現故障，應采用決策邏輯。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”應為理想的溫度，所有的噪音，實(shí)際隱藏的細節都應很容易的由wrapper代替。

　　如果設計需要從系統中三個(gè)不同的點(diǎn)測量三個(gè)溫度值(對于計算機箱內的計算機很普遍)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)溫度轉換到3個(gè)溫度首先意味著(zhù)“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(lèi)型的輸入)，然后控制邏輯也因為多個(gè)輸出而更新。這可能意味著(zhù)三個(gè)不同的“GetTemperature_n”服務(wù)或需要更新服務(wù)以確定是識別哪個(gè)溫度的參量。