為你的設計選擇正確的軟件架構

作者/Alf Mossevig Silicon Labs軟件開(kāi)發(fā)流程產(chǎn)品經(jīng)理

　　引言

　　我們都曾在職業(yè)生涯的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)思考過(guò)這個(gè)問(wèn)題：你已經(jīng)把一個(gè)想法仔細思考過(guò)一陣子，逐漸得出可行的結論，現在，你想要創(chuàng )建一個(gè)合適的項目，看是要更進(jìn)一步探索這個(gè)想法或是將其產(chǎn)品化。但是，應該從哪種軟件架構入手呢?Espruino?Arduino?microPython?Segger embOS?MicriumuC/OS-II?以及在uC/OS-II和uC/OS-III之間又有什么區別呢?究竟該采用初始成本較低的開(kāi)源架構，還是選擇需要支付前期費用的商業(yè)解決方案，來(lái)加速你的設計過(guò)程呢?

　　1軟件架構

　　軟件架構即為編寫(xiě)軟件的一種特定方式，例如，Arduino提供編寫(xiě)程序代碼的一種特定方式，允許軟件的片段可以跨越多個(gè)項目被重新使用。

　　軟件架構是由幾個(gè)不同的部分所組成，并由以下組件所定義：程序語(yǔ)言、應用程序編程接口(API)，以及某些工具集的連接。例如，像是在A(yíng)rduino和Espruino的案例中，軟件架構可以被緊密地連接到工具，而在Micrium和FreeRTOS的案例中則是被分離開(kāi)的。

　　2操作系統

　　因此，該如何選擇一個(gè)軟件架構呢?首先，我們需要對一些名詞解釋的更明確一點(diǎn)，我們已經(jīng)開(kāi)始提到操作系統(OS)這個(gè)名詞。你真正需要寫(xiě)的是可以執行你的特定要求的程序代碼，這些程序代碼將可以把你的產(chǎn)品與其他產(chǎn)品區分出來(lái)。但是，你仍然需要依靠軟件的其他部分，像是ADC的驅動(dòng)程序或SD卡的文件系統棧。這些軟件的部分通常被稱(chēng)為軟件構件。

　　圖1 軟件構件示意圖

　　英文解釋?zhuān)?/p>

　　User code 用戶(hù)代碼 external library 外部函數庫 standard building blocks 標準構件模塊

　　gecko technology Gecko科技 e.g. 例如，

　　在此用一個(gè)比較實(shí)質(zhì)的比喻方式，你可以想象你的軟件構件就像是磚塊(如圖1)，然后把操作系統視為水泥。在操作系統中定義了磚塊的形狀，以及它們將如何與其他的磚塊互動(dòng)。因此，當你添加更多構件到軟件之中時(shí)，他們將可以繼續完美地協(xié)同工作。這聽(tīng)起來(lái)相當不錯，但你真的需要一個(gè)操作系統嗎?增加操作系統也帶來(lái)了額外的負荷，它將會(huì )消耗數千字節的閃存，為事件的響應增加了延遲的時(shí)間，并且還需要花費些許的時(shí)間學(xué)習如何在操作系統環(huán)境中編寫(xiě)程序。

　　決定采用哪個(gè)軟件架構，將會(huì )決定你的想法是否可以按時(shí)間、按預算推動(dòng)，或是將你的投資放在風(fēng)險之中。一般的經(jīng)驗法則是，如果你的目標閃存容量是128 KB或更高，并且或是需要通訊功能，便需要一些棧(USB、以太網(wǎng)絡(luò )、SDIO、CAN、Wi-Fi、BLE)，長(cháng)期來(lái)看，你最好還是使用操作系統。

　　在操作系統中最重要的是調度程序(scheduler)。調度程序是用在為可能會(huì )爭奪相同資源的不同任務(wù)、分配資源和處理時(shí)間的組件。在一般情況下，調度程序有兩種作業(yè)的方式，而這正是“實(shí)時(shí)”在實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)的意義所在。實(shí)時(shí)意味著(zhù)在一個(gè)特定的時(shí)間內，會(huì )有一個(gè)特定的任務(wù)將會(huì )被執行。假設你得到一個(gè)你需要處理的射頻封包，無(wú)論你的設備目前正在做什么事，實(shí)時(shí)操作系統的核心會(huì )先離開(kāi)它目前所做的任務(wù)，先完成這一個(gè)高優(yōu)先等級的任務(wù)。這種類(lèi)型的行為在處理器的利用上并不是最有效率的方式，但例如在馬達控制應用中，它在通訊棧與應用中最需要重視的便是反應時(shí)間。

　　3商用與開(kāi)源解決方案的比較

　　如果你已經(jīng)想通了是否需要采用實(shí)時(shí)操作系統，并開(kāi)始組建軟件需求。例如，你可能知道，你需要一個(gè)USB棧和以太網(wǎng)絡(luò )棧，搭配外部MAC/PHY驅動(dòng)程序來(lái)一起將設備連接到互聯(lián)網(wǎng)。但是，你該從哪里開(kāi)始呢?你真的只需要為你首選的微控制器下載最新的FreeRTOS模板，并繼續下載開(kāi)源軟件并放到裝置中就可以了嗎?或者你只是需要去找有你所需軟件的商業(yè)供貨商，并獲得完整的軟件組合比較好呢?

　　為了做出更明智的決定，我們經(jīng)常談?wù)撘o選定的解決方案一個(gè)總體擁有成本(TCO)的概念。所謂的總體擁有成本包含的不僅是你為軟件付出的貨幣價(jià)值，還包括花費在尋找解決方案、組裝不同的構件，并將不同的構件整合到你的項目，以及開(kāi)發(fā)、測試和生產(chǎn)的工作時(shí)間。

　　圖2 選擇解決方案的成本考慮

　　英文解釋?zhuān)篧hen selecting an MCU,there are many unseen costs to consider.

　　當選擇MCU時(shí)，需要考慮很多不可見(jiàn)的成本因素。

　　Research&evalution 調查和評估

　　Acquisition 采集 training 訓練 development 發(fā)展 integration&optimizaiton 整合與優(yōu)化

　　Verification&qualification 驗證和授權upgrades&updates 升級與更新Support&maintenance 支持和維護

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　　在一般情況下，我們看到的是商業(yè)解決方案的總體擁有成本(TCO)，將比自己組建開(kāi)放原始碼組件的解決方案要來(lái)的更低一些。但既然是商業(yè)解決方案便涉及到初始成本，這些廠(chǎng)商通常要求在使用解決方案的前期，取決于你所需要的組件，便必須先支付1萬(wàn)到10萬(wàn)美元之間的費用。在另一方面，下載FreeRTOS并開(kāi)始組裝自己的解決方案，在某些擁有密集資源的應用中，其所花費的金錢(qián)，相對會(huì )更便宜一些。決定你的項目的最佳解決方案，將高度依賴(lài)于它是否是最容易讓你賺到現金，或是能夠為總體擁有成本的工時(shí)來(lái)“買(mǎi)單”。

　　4 候選方案

　　所以，當你已經(jīng)看到這里，你的大腦中可能已經(jīng)開(kāi)始吶喊：“只要給我一個(gè)可以讓我開(kāi)始使用的架構就好了!”

　　可惜沒(méi)有那么快，肯定有一些方案的選項是比其他選項更好，微控制器的應用非常多樣性，肯定沒(méi)有那種一個(gè)尺寸便適合所有需求的解決方案。我們先來(lái)了解許多最流行的操作系統和軟件架構，并分別仔細地討論：

　　4.1操作系統

　　所有在這一個(gè)章節中提到的操作系統都具有實(shí)時(shí)能力(RTOS)。

　　4.2商用解決方案

　　? Micrium uC/OS-II與uC/OS-III：這是在微控制器業(yè)界最流行的兩個(gè)實(shí)時(shí)操作系統，特別是因為其創(chuàng )新的商業(yè)模式，因為Micrium公司允許你下載完整的軟件套件，并開(kāi)始發(fā)展，等你真正開(kāi)始產(chǎn)生營(yíng)收后，才需要開(kāi)始支付解決方案的費用。他們在安全至上的系統中擁有重要的地位，并且他們的大部分軟件構件都已經(jīng)通過(guò)認證。

　　? Segger embOS：嵌入式軟件市場(chǎng)的新進(jìn)入者，但這并不意味著(zhù)他們是新手。該軟件產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)發(fā)了超過(guò)20年的時(shí)間，并已經(jīng)使用在他們自己的硬件產(chǎn)品之中，因此對裝置的支持程度非常好，并配有一個(gè)優(yōu)秀的驅動(dòng)程序庫。

　　? Express Logic ThreadX：由行業(yè)的資深人士所創(chuàng )辦，該公司專(zhuān)注在所有關(guān)于性能的事物上，并擠壓出元器件中每一個(gè)時(shí)鐘周期的效能。它通常被看作是操作系統中的勞斯萊斯，并已經(jīng)有很多認證被使用在安全至上的系統之中。

　　4.3開(kāi)源解決方案

　　? FreeRTOS：FreeRTOS跟Micrium uC/OS一樣，都是在同行業(yè)中最常被采用的實(shí)時(shí)操作系統之一。它有一個(gè)龐大的社群，有很多人都在為軟件做出貢獻，像是TCP/IP棧，但做為開(kāi)源軟件，便意味著(zhù)沒(méi)有公司會(huì )負責整合，因此需要更多的工作來(lái)創(chuàng )建一個(gè)整合的解決方案。

　　? 也有一些公司在FreeRTOS的生態(tài)系統中，專(zhuān)門(mén)從事將差異化的軟件構件提供給那些需要整合協(xié)助的客戶(hù)，例如，Wittenstein高完整性系統公司提供稱(chēng)為SAFERTOS安全認證的FreeRTOS替換核心，以及HCC嵌入式公司提供可以與任何實(shí)時(shí)操作系統工作的USB、以太網(wǎng)絡(luò )和文件系統。

　　? mbed OS：mbed OS解決一些你通常會(huì )在開(kāi)源軟件所遇到的痛點(diǎn)，因為ARM這一家公司會(huì )負責整合的工作。然而，它仍然是處于萌芽階段，所以如果你想要有些貢獻就可以去這里。

　　? RIOT OS：RIOT OS被冠以“物聯(lián)網(wǎng)中最友好的操作系統”，它是以通訊概念為基礎所建立起來(lái)的操作系統。這使得它即使在面對困難的通訊問(wèn)題時(shí)，仍然精簡(jiǎn)且高效率。然而它仍然還在積極發(fā)展的階段當中，所以你得計劃多花幾個(gè)小時(shí)來(lái)進(jìn)行除錯。

　　4.4架構

　　有一些操作系統的功能就像是將磚塊黏合在一起的水泥一樣，會(huì )與發(fā)展框架緊密地結合在一起，因此一般不能使用軟件本身做為項目的一部分，你必須圍繞著(zhù)它來(lái)進(jìn)行整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。這些框架往往是使用比C++更高階的語(yǔ)言所編寫(xiě)，通?？梢栽趯?shí)時(shí)操作系統上運行。

　　? mbed：mbed也出現在這里，這時(shí)則做為快速成型的項目。它是用C++編寫(xiě)，并對大多數微控制器和電路板有絕佳的支持，擁有一個(gè)龐大的元件程序庫，和一個(gè)采用網(wǎng)頁(yè)架構的漂亮集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。目前，在它準備全面部署之前，它仍然需要一點(diǎn)成熟的時(shí)間，但它很適合硬件原型的開(kāi)發(fā)。

　　? Espruino：Espruino是在微控制器上運行的實(shí)時(shí)JavaScript解釋器。它允許你能夠動(dòng)態(tài)地更改程序代碼，甚至不需要讀寫(xiě)微控制器便可以撰寫(xiě)程序代碼。在它開(kāi)始量產(chǎn)之前，仍然需要一些時(shí)間來(lái)發(fā)展，但它很適合用于硬件原型，并呈現出成為一個(gè)不可忽視軟件架構的巨大潛力。

　　? microPython：microPython所能做的事與Espruino大致相同，差別僅在于其使用Python來(lái)代替JavaScript。它發(fā)展的概念，便是讓你從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一開(kāi)始到量產(chǎn)，都能夠支持預先編譯的程序代碼，并使用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)時(shí)序至上的程序代碼。目前仍在開(kāi)發(fā)當中。

　　? microEJ：microEJ是一個(gè)采用Java架構的框架，讓你輕松地為你的設備打造好看的圖形化應用程序。它已經(jīng)在許多智能手表和一些物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備中使用。

　　5 結語(yǔ)

　　如果你想要著(zhù)手進(jìn)行設備的開(kāi)發(fā)，而無(wú)需安裝單一的程序，像是mbed和microPython這類(lèi)的框架，便是入門(mén)的好方法。但是，如果你要建立更大的部署，采用一個(gè)純粹的實(shí)時(shí)操作系統將會(huì )是更好的選擇。如果使用工作時(shí)間而不是金錢(qián)來(lái)當作軟件的投資，對你的公司來(lái)說(shuō)會(huì )更為輕松的話(huà)，像是FreeRTOS或RIOT這類(lèi)非商業(yè)解決方案便有其優(yōu)勢。如果你的公司能負擔得起前期投資，像是Segger、Express Logic和Micrium的商業(yè)解決方案，將大大降低軟件開(kāi)發(fā)風(fēng)險和縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間。在商業(yè)解決方案中，特別像是Micrium的穩定性和認證的程序代碼基礎，廣泛普及的部署，良好的元器件支持，開(kāi)放的原始碼，以及適合大多數經(jīng)濟效益的商業(yè)模式，更使其在商業(yè)解決方案中顯得特別突出。