嵌入式系統開(kāi)發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗分享

隨著(zhù)嵌入式系統不斷普及，我們可以從積累的開(kāi)發(fā)知識中獲得巨大優(yōu)勢，構建更出色的系統。

工程師一刻也沒(méi)忘記交付能同時(shí)滿(mǎn)足質(zhì)量、時(shí)間安排和預算目標的項目的需求。一個(gè)事半功倍的方法 就是借鑒嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員社區多年來(lái)累計的經(jīng)驗教訓。下面我們就來(lái)了解一些為嵌入式開(kāi)發(fā)帶來(lái)了最佳實(shí)踐的重要經(jīng)驗。大家隨用隨取哈。

系統地思考

系統工程是一個(gè)廣泛的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，覆蓋從航空母艦及衛星到實(shí)現其性能的嵌入式系統的所有開(kāi)發(fā)工作。我們可以運用系統工程方法管理從概念到使用周期結束處置的嵌入式系統工程生命周期。系統工程方案的第一階段不是確立系統需求，而是制定系統工程管理規劃。這一規劃不僅將為系統定義工程生命周期以及開(kāi)發(fā)團隊將要開(kāi)展的設計評審，而且還將定義這些評審的預期輸入輸出。該規劃可根據工程事件的次序和每個(gè)階段的先決條件，為項目管理、工程和客戶(hù)群體做出明確的定義。簡(jiǎn)而言之，它可展示預期和可交付項。

在清楚理解工程生命周期的情況下，系統思考的下一步是確立正在開(kāi)發(fā)嵌入式系統的需求。良好的需求集應覆蓋三個(gè)方面：

功能需求定義嵌入式系統如何開(kāi)展工作。

非功能需求定義法規遵從與可靠性等方面的問(wèn)題。

環(huán)境需求定義工作溫度和沖擊與振動(dòng)以及電氣環(huán)境（例如 EMI 和 EMC）等方面的需求。

在較大規模的開(kāi)發(fā)工作中，這些需求將從較高層次的規范向下延伸并且可跟蹤，比如系統或子系統規范（圖 1）。如果沒(méi)有較高層次的規范，我們必須在開(kāi)發(fā)過(guò)程中接觸利益相關(guān)方，確立一套明確的利益相關(guān)方需求，然后將其用于確立嵌入式系統需求。

圖 1：在開(kāi)發(fā)工作中，需求從較高層次的規范向下延伸并且可跟蹤

生成一個(gè)良好的需求集，需要我們充分思考每一個(gè)需求，才能確保其符合這些標準：

它是必要的。沒(méi)有需求，我們的項目就不會(huì )取得成功。

它是可驗證的。我們必須確保該需求能通過(guò)檢驗、測試、分析或演示實(shí)現。

它是可實(shí)現的。在給定的約束條件下，該需求在技術(shù)層面上是可以實(shí)現的。

它是可追蹤的。該需求能夠從較低層次的需求進(jìn)行追蹤，而且可追蹤較高層次的需求。

它是唯一的。這項標準可防止需求之間的界限不清。

它是簡(jiǎn)單清晰的。每條需求指定一項功能。

為體現意圖，在定義需求時(shí)還常常使用特定語(yǔ)言。一般我們對強制性要求使用“必須”，對非強制性要求使用“應該”。非強制性要求可讓我們表達必要的系統屬性。

在我們確立了我們的需求底線(xiàn)后，最佳實(shí)踐就是創(chuàng )建一個(gè)合規矩陣，說(shuō)明符合每項需求。我們還可以通過(guò)為每項需求分配一種驗證方法開(kāi)始確立我們的驗證策略。這些方法一般是測試、分析、檢驗、演示和交叉讀取。根據合規及驗證矩陣創(chuàng )建需求能讓我們：

清晰地了解系統行為。

向內部測試團隊和外部客戶(hù)都演示驗證方法。這不僅可在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期階段發(fā)現任何困難的測試方法，而且還可幫助我們確定所需的資源。

確定技術(shù)性能指標。這些指標來(lái)自合規矩陣，由存在無(wú)法合規的風(fēng)險的各種需求構成。

分配工程預算

每個(gè)工程項目都涵蓋一定數量的預算，我們應將其分配給在架構中識別的解決方案。預算分配不僅可確保項目實(shí)現整體需求，而且還可確保每個(gè)模塊的設計牽頭人理解模塊的分配，以創(chuàng )建適當的解決方案。我們分配預算的典型領(lǐng)域有功能的總質(zhì)量、功能的總功耗、用平均故障間隔時(shí)間或成功概率定義的可靠性以及設計中信號類(lèi)型間的正當串擾（一般是一套適用于大量功能的通用規則集）。確立工程預算最重要的方面之一是確保我們有足夠的應急分配。但我們必須戰勝應急再加應急的想法，因為這會(huì )成為影響時(shí)間安排和成本的嚴重技術(shù)問(wèn)題。

為在我們架構中使用的每項技術(shù)分配一個(gè)技術(shù)就緒指數，再結合合規矩陣，可幫助我們確定技術(shù)風(fēng)險的所在位置。

管理技術(shù)風(fēng)險

從合規矩陣及工程預算的生成看，我們應該能夠識別在技術(shù)上有難度的需求。每一個(gè)這類(lèi)有風(fēng)險的需求都應該有明確的規避計劃，其將說(shuō)明我們將如何實(shí)現這一需求。展示這一點(diǎn)的最佳途徑之一是使用技術(shù)就緒指數 （TRL）。TRL 有 9 級，從所觀(guān)察到的基本原理 （TRL1） 到完整功能與實(shí)地部署 （TRL9） 描述設計成熟度級數。把 TRL 分配給我們架構中使用的每一項技術(shù)，再結合合規矩陣，可幫助我們確定技術(shù)風(fēng)險的所在位置。我們隨后可啟動(dòng)一個(gè) TRL 開(kāi)發(fā)規劃，確保在項目不斷推進(jìn)時(shí)，低 TRL 領(lǐng)域會(huì )提升到所需的 TRL 水平。該規劃涉及的內容可確保我們在項目推進(jìn)時(shí)實(shí)現和測試正確的功能，或是在項目推進(jìn)的過(guò)程中執行功能或環(huán)境／動(dòng)態(tài)測試。

圖 2：在本電源架構示例中，模塊的輸出軌需要二級穩壓。

該架構不應僅限于硬件（電氣）解決方案，還應包含 FPGA/SoC 及相關(guān)軟件的架構。

創(chuàng )建架構

理解嵌入式系統要求的行為后，我們就需要為解決方案創(chuàng )建一個(gè)架構。該架構將由分組成功能塊的需求構成。例如，如果嵌入式系統必須處理模擬輸入或輸出，架構就將包含模擬 I/O 模塊。其它模塊可能會(huì )更加明顯，比如電源調節、時(shí)鐘和復位生成。

該架構不應僅限于硬件（電氣）解決方案，還應包含 FPGA/SoC 及相關(guān)軟件的架構。當然，模塊化設計的關(guān)鍵是針對模塊及功能行為的良好接口文檔編制。

該架構的一個(gè)關(guān)鍵方面是展現如何在高層次上創(chuàng )建系統，這樣工程團隊就能輕松理解其實(shí)現方式。該步驟也是在系統運行生命周期中為系統提供支持的關(guān)鍵。

在確定我們的架構時(shí)，我們需要考慮模塊化方法，這樣不僅能在當前項目上進(jìn)行復用，而且還能在未來(lái)的項目上進(jìn)行復用。模塊化要求我們從第一天起就考慮可能的復用，并要求我們把每個(gè)模塊存檔為一個(gè)獨立的單元。就內部 FPGA/SoC 模塊而言，像 ARM？ AMBA？ 高級可擴展接口 （AXI） 這樣的通用接口標準有助于實(shí)現復用。

模塊化設計的一個(gè)重大優(yōu)勢就是能夠針對某些需求使用商用現成的模塊。商用現成（COTS）模塊讓我們能夠以更快的速度開(kāi)發(fā)系統，因為借助 COTS，我們能夠把我們的工作重點(diǎn)放在項目從我們的專(zhuān)業(yè)能力產(chǎn)生的增值中獲益最大的部分上。

系統電源架構是一個(gè)需要縝密思考的的設計方面。許多嵌入式系統會(huì )要求隔離 AC/DC 或 DC/DC 轉換器來(lái)確保嵌入式系統的故障不會(huì )擴散。圖 2 顯示的是電源架構的示例。來(lái)自該模塊的輸出軌需要二級調整來(lái)為處理內核和轉換裝置提供電壓。我們必須仔細防范這些階段發(fā)生嚴重的開(kāi)關(guān)損耗和效率下降。因為效率降低意味著(zhù)系統熱耗散增大，如果不正確解決就會(huì )影響單元的可靠性。

我們必須仔細了解使用的線(xiàn)性調整器的行為以及在電源線(xiàn)上進(jìn)行進(jìn)一步濾波的要求。這一要求的原因是 FPGA 和處理器等器件的開(kāi)關(guān)頻率遠遠高于線(xiàn)性調整器的控制環(huán)路所能應對的水平。隨著(zhù)噪聲頻率提高，線(xiàn)性調整器的噪聲抑制能力下降，導致需要采用額外的濾波和去藕技術(shù)。如果不了解這一關(guān)系，會(huì )造成混合信號設備出現問(wèn)題。

另一個(gè)重要的考慮因素是時(shí)鐘和復位架構，尤其是在有多個(gè)需要同步的開(kāi)發(fā)板的情況下。在架構層面我們必須考慮時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )：我們是否在跨多個(gè)開(kāi)發(fā)板扇出單個(gè)振蕩器，或是使用多個(gè)頻率相同的振蕩器？為確保時(shí)鐘分配的穩健可靠性，我們必須考慮：

振蕩器啟動(dòng)時(shí)間。我們必須確保在整個(gè)時(shí)間周期內激活復位（如果需要）。

振蕩器歪斜。如果我們要在跨多個(gè)開(kāi)發(fā)板扇出振蕩器，時(shí)序是否至關(guān)重要？如果是，我們需要考慮線(xiàn)路卡上的歪斜（連接器引起的）和緩沖器自身引起的歪斜。

振蕩器抖動(dòng)。如果我們在開(kāi)發(fā)混合信號設計，我們需要確保使用低抖動(dòng)時(shí)鐘源，因為抖動(dòng)的增大會(huì )降低混合信號轉換器的信噪比。在我們使用千兆位級串行鏈路時(shí)情況也是一樣，因為我們需要使用低抖動(dòng)時(shí)鐘源在鏈路上取得良好的誤碼率。

我們也必須注意復位架構，確保只在需要的地方使用復位。例如基于 SRAM 的 FPGA 一般不需要復位。

如果我們在使用復位的異步激活，我們需要確保移除它不會(huì )導致亞穩態(tài)問(wèn)題。

清晰定義接口

內外部接口的正式文檔在機械、物理和電氣層面為各個(gè)接口提供清晰的定義，以及協(xié)議和控制流。這些正式文檔也往往被稱(chēng)為接口控制文檔 （ICD）。當然最好是盡量使用標準通信接口。

接口定義最重要的一個(gè)方面是外部接口的“連接化”。這個(gè)過(guò)程考慮了所需連接器的引腳分配，連接器引腳的額定功率以及所要求的插拔次數，以及任何對屏蔽的要求。

在我們?yōu)槲覀兊南到y考慮連接器類(lèi)型的時(shí)候，我們應確保不會(huì )因為在子系統中使用相同類(lèi)型連接器而造成不利的交叉連接。通過(guò)使用不同類(lèi)型連接器或采用不同的連接器鍵位（如果支持），我們就能夠避免交叉連接的可能性。

連接化是我們開(kāi)始使用之前確定的預算要求的首個(gè)方面之一。特別是我們可以使用串擾預算來(lái)指引我們定義引腳分配。圖 3 所示的例子說(shuō)明了這一流程的重要性。重新安排引腳分配，將接地基準電壓 （GND） 引腳布局在信號 1 和信號 2 之間，可以降低互感以及由此引發(fā)的串擾。

圖 3：連接化是接口定義最重要的特征之一。

接口控制文檔 （ICD） 必須對系統接地進(jìn)行定義，尤其是在項目要求外部 EMC 的時(shí)候。在這種情況下，我們必須小心避免讓有噪聲的信號地產(chǎn)生輻射。

工程師和項目經(jīng)理掌握著(zhù)一系列策略，以確保他們交付的嵌入式系統能夠滿(mǎn)足質(zhì)量、成本和調度要求。不過(guò)當項目遇到困難時(shí)，我們可以確信在項目不發(fā)生重大變化的情況下其此前的性能是其未來(lái)性能的良好提示。