實(shí)踐經(jīng)驗分享嵌入式系統開(kāi)發(fā)

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。