使用圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境——LabView開(kāi)發(fā)嵌入式系統

傳統設計模式所應對的挑戰

嵌入式系統正在滲入現代社會(huì )的各個(gè)方面，廣泛地應用于航空航天、通信設備、消費電子、工業(yè)控制、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域，據統計，在美國平均每個(gè)中產(chǎn)階級家庭要使用40~50個(gè)嵌入式系統。巨大的市場(chǎng)需求推動(dòng)了嵌入式系統向更高的技術(shù)水平發(fā)展。設計師們一方面采用性能更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片取代傳統的8位、16位微處理器；另一方面嵌入式系統也由單處理器單操作系統的傳統結構向混合型Multi-core系統發(fā)展，通過(guò)采用多個(gè)處理器和OS提高系統并行度來(lái)提高系統運行效能，并且設計師們往往同時(shí)采用MPU、DSP和FPGA等多種可編程器件來(lái)增強處理能力，滿(mǎn)足應用功能的升級。

嵌入式系統復雜性的不斷增加給設計師們帶來(lái)了很大的挑戰，代碼長(cháng)度呈指數級增加，根據十年前的估計，嵌入式系統的平均代碼量為10萬(wàn)行，到2001年實(shí)際已經(jīng)超過(guò)了100萬(wàn)，而現在估計為500萬(wàn)。第三方獨立市場(chǎng)預測機構EMF在對900多名嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行調研后指出，超過(guò)50%的嵌入式設計比預期時(shí)間晚上市，而平均延遲高達4個(gè)月；在已發(fā)布的產(chǎn)品中，有近30%的設計未達到預期的功能和指標。由此可見(jiàn)，隨著(zhù)嵌入式系統復雜性的不斷增加，軟件工程的重要性毋庸置疑，而大部分的嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員都缺乏這方面的專(zhuān)業(yè)訓練。與此同時(shí)，隨著(zhù)嵌入式系統的廣泛應用，越來(lái)越多領(lǐng)域的專(zhuān)家比如機器人設計師、控制工程師、測試工程師需要使用嵌入式技術(shù)來(lái)構建他們的系統，他們既缺乏嵌入式系統的專(zhuān)業(yè)知識，也不一定經(jīng)過(guò)軟件工程的專(zhuān)業(yè)訓練。因此，無(wú)論是嵌入式系統本身的發(fā)展，還是開(kāi)發(fā)人員的專(zhuān)業(yè)限制，都需要一種新的設計模式和解決問(wèn)題的途徑來(lái)應對目前的挑戰。

嵌入式系統開(kāi)發(fā)工具的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)嵌入式系統的快速發(fā)展和復雜性的不斷增加，基于文本的編程方式所面臨的挑戰愈發(fā)嚴峻，這種編程模式在將來(lái)不可能徹底解決問(wèn)題。加州大學(xué)伯克利分校嵌入式研究專(zhuān)家Edward Lee博士指出，現有的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)手段如基于文本編程和面向對象的工具都難以用來(lái)構建嵌入式實(shí)時(shí)系統，因為面向對象很難直觀(guān)地表達時(shí)間和平行性(parallelism），而時(shí)間和平行性或并行(concurrency）在現在的嵌入式系統中是必不可少的。面向角色(actor-oriented）的圖形化方法是更適合嵌入式軟件設計的工具。

應對嵌入式系統所面臨的挑戰，工程師們已經(jīng)有了一些解決的方向，比如采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復雜性、簡(jiǎn)化應用程序設計、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。但是現有的嵌入式系統開(kāi)發(fā)工具非常多，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000種，流行體系結構有30多個(gè)系列，在其上運行的操作系統環(huán)境也非常多樣化，包括VxWorks、QNX、Linux、 Nuclears、WinCE等等。不僅各種操作系統有各自的開(kāi)發(fā)工具，在同一系統下開(kāi)發(fā)的不同階段也有不同的開(kāi)發(fā)工具。如在用戶(hù)的目標板開(kāi)發(fā)初期，需要硬件仿真器來(lái)調試硬件系統和基本的驅動(dòng)程序，在調試應用程序階段可以使用交互式的開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件調試，在測試階段需要一些專(zhuān)門(mén)的測試工具軟件進(jìn)行功能和性能的測試等等。最合理的解決方案是向基于平臺的工具轉移，它能夠更好地表達整個(gè)系統，減少與特定硬件以及操作系統的相關(guān)性，使更多的軟件設計和算法容易理解并被重復使用；而從基于文本的工具向圖形化工具的轉移則可以直觀(guān)地表達系統，圖形化系統設計(Graphical System Design）的理念就是源于這兩大趨勢。通過(guò)簡(jiǎn)化嵌入式編程的復雜性，降低了對工程師在嵌入式設計流程中各個(gè)步驟的要求；同時(shí)提供了從設計、原型到部署，從軟件調試、功能測試到生產(chǎn)檢測的統一環(huán)境，使得工程師們可以更快速地進(jìn)行重復設計。

在嵌入式系統中實(shí)現圖形化已經(jīng)成為大勢所趨，現在市場(chǎng)上的工具都在向圖形化的方向轉變，但往往僅限于基于嵌入式操作系統的圖形界面開(kāi)發(fā)；而且由于它們是針對特定硬件或操作系統的工具，與硬件和操作系統平臺有很大的相關(guān)性，這不足以徹底解決行業(yè)將要面臨的挑戰的?，F在市場(chǎng)需要的是一種完全的圖形化編程語(yǔ)言，提供足夠的靈活性和功能，以滿(mǎn)足更廣泛應用的需求。因此，圖形化系統設計的關(guān)鍵因素是圖形化編程。

對于時(shí)間和平行性的支持

20年來(lái)，科學(xué)家和工程師一直在使用LabVIEW為他們的設計實(shí)驗室、驗證實(shí)驗室和生產(chǎn)現場(chǎng)構建自動(dòng)化數據采集和儀器控制解決方案，并在這些應用領(lǐng)域成為業(yè)界的事實(shí)標準。其核心在于，LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言使沒(méi)有太多軟件背景的技術(shù)專(zhuān)家能夠快速搭建高級自動(dòng)化測量和控制系統。和傳統的文本編程相比，LabVIEW天生是一種并行結構的編程語(yǔ)言，而時(shí)間和并行性在現在的嵌入式系統中是必不可少的。比如，LabVIEW在已有的定時(shí)循環(huán)結構上新加了硬件定時(shí)功能，它是一種表示時(shí)間和并行的語(yǔ)義，可以設置操作系統優(yōu)先級、延時(shí)、循環(huán)速率等等，如圖1所示。如果我們將圖1所示的兩個(gè)并行任務(wù)的執行目標擴展到嵌入式對象，比如FPGA或微處理器，就可以發(fā)現通過(guò)編程環(huán)境的一致性和可升級性，LabVIEW能夠容易地實(shí)現和管理嵌入式系統的并行性?；叵朐谖恼虑懊嫠岬降南蚨嗵幚砥鬓D移的趨勢，現在我們可以憧憬使用可擴展的直觀(guān)圖形化編程來(lái)開(kāi)發(fā)應用，并將處理過(guò)程分配到不同的處理器上。

圖1 LabView對兩個(gè)并行任務(wù)的編程

支持多種算法設計

談到嵌入式系統設計，人們所指的其實(shí)包括兩部分工作：算法設計和固件設計。對于嵌入式系統設計來(lái)說(shuō)，另一個(gè)關(guān)鍵要求是軟件平臺必須能夠兼顧實(shí)時(shí)嵌入式設計中常見(jiàn)的多種算法設計，即計算模型。這些計算模型符合系統設計師們籌劃系統時(shí)的方式，從而降低從“系統要求”轉換到“軟件設計”的復雜性。近年來(lái)LabVIEW已經(jīng)包含了多種計算模型以更好地滿(mǎn)足不同專(zhuān)業(yè)背景的嵌入式系統開(kāi)發(fā)者的需求。LabVIEW現在可以通過(guò)連續時(shí)間仿真、狀態(tài)圖、圖形化數據流模型和基于文本的數學(xué)語(yǔ)言mathscript等多種方式來(lái)表達各種算法，同時(shí)它提供了很多交互式的工具用來(lái)幫助數字濾波器、控制模型、通信系統的設計以及數字信號處理算法的開(kāi)發(fā)，從而在這些頂層應用中進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計師的工作。

快速構建原型—溝通虛擬世界與物理世界的橋梁

如前所述，很多設計比預期時(shí)間晚上市，并且有一些在投入市場(chǎng)以后發(fā)現未達到預定的功能和指標，因此必須采取一定的措施來(lái)加快設計流程、提高設計質(zhì)量。一種解決方案就是更早地將真實(shí)世界的信號和硬件引入到設計流程之中，進(jìn)行更好的系統原型化，從而在早期就發(fā)現并修正潛在的問(wèn)題。

但是在任何設計和開(kāi)發(fā)流程中，基于軟件設計和仿真工具的虛擬世界與電子或機械測量的物理世界之間有一個(gè)很大的鴻溝，而LabVIEW平臺最明顯的價(jià)值就是在虛擬和物理世界的鴻溝上建一座橋梁。物理測量是與設計和仿真完全不同的挑戰，要求與廣泛的測量和控制硬件緊密集成，并以?xún)?yōu)化的性能處理大量的通道數或超高速吞吐量。LabVIEW平臺經(jīng)過(guò)不斷演進(jìn)，在物理測量領(lǐng)域具有很高的性能和靈活性。更重要的是，LabVIEW平臺是開(kāi)放的，設計人員可以將測量數據與仿真結果相映射，甚至互換仿真和物理數據，以用于設計中的行為建?；蛘咭苑抡婕铗寗?dòng)物理測試，從而更有效快速地進(jìn)行系統原型構建。

嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員如果要定制硬件用于最終的發(fā)布，很難同時(shí)并行地開(kāi)發(fā)軟件和硬件。而如果直到系統集成測試的時(shí)候才引入I/O用真實(shí)世界的信號檢驗設計，一旦發(fā)現存在問(wèn)題，那就意味著(zhù)很難在預期時(shí)間完成設計任務(wù)了。大多數設計師當前用評估板來(lái)進(jìn)行系統的原型化，但是，原型板往往只具備少量的模擬和數字I/O通道，也很少支持視覺(jué)、運動(dòng)或同步的功能。此外，設計師經(jīng)常因為需要傳感器或特殊I/O的支持而花費大量時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)定制的原型板，而這些僅僅是為了設計概念的驗證。使用靈活的、商業(yè)化的原型平臺可以大大簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，消除其中硬件驗證和板級設計的大量工作。對于大多數系統，原型化平臺必須包括最終發(fā)布系統的同樣部件，比如用于執行算法的實(shí)時(shí)處理器、用于高速處理的可編程邏輯器件，或者將實(shí)時(shí)處理器接口到其他部件。因此，如果這個(gè)商業(yè)化的系統不能滿(mǎn)足所有的要求，那么這個(gè)平臺必須是可擴展的，并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成，完成從設計、原型到部署的全過(guò)程。例如使用LabVIEW和NI 可重復配置I/O(RIO）設備或NI CompactRIO平臺，可以快速而便捷地創(chuàng )建嵌入式系統的原型。

例如Boston Engineering公司要開(kāi)發(fā)一種牽力控制機用于數碼照片打印系統。其中，彩色墨盒通過(guò)驅動(dòng)馬達饋送到打印頭，由卷帶電機和推進(jìn)電機來(lái)控制牽力。切割機底盤(pán)的振動(dòng)、每次打印的照片數目和每個(gè)電機的速度變化都會(huì )影響到底層的牽力?？刂葡到y通過(guò)兩個(gè)電機的位置來(lái)保證卷帶和推進(jìn)的牽力處于設定范圍之內，否則就會(huì )有色差。設計的牽力控制硬件需要兩個(gè)脈寬調制輸出來(lái)控制電機，兩個(gè)編碼器將轉速反饋給電機，兩個(gè)模擬輸入通道連接霍爾傳感器用來(lái)測量位置，兩根數字線(xiàn)用于信令。傳統的原型板無(wú)法滿(mǎn)足這些要求，需要使用可以自定義I/O的原型平臺，因此他們使用CompactRIO平臺來(lái)進(jìn)行原型化工作。他們在嵌入式控制器中運行管理程序，在FPGA中運行電機控制算法，這種資源配置使得原型化構建和最終系統發(fā)布在編程模式上是非常相似的。為了在FPGA中運行控制算法，他們將ZPK(zero-pole-gain）模型轉化為L(cháng)abVIEW數字濾波器設計工具包中提供的一種濾波器，由于這個(gè)工具包支持LabVIEW FPGA代碼的自動(dòng)生成和優(yōu)化，所以原先的ZPK模型就可以直接轉化成能夠在FPGA上運行的代碼。另外，他們還使用這個(gè)工具包對原先的浮點(diǎn)算法進(jìn)行了定點(diǎn)轉換，以節約FPGA 資源，并對量化后的模型進(jìn)行測試、驗證、修正從而得到預期的結果。通過(guò)這種原型化方式，他們節約了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

發(fā)布到任何32位處理器

LabVIEW包括一個(gè)廣泛的工具集，該工具集構成了一個(gè)用于設計、控制和測試的圖形化開(kāi)發(fā)平臺。新的NI LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊是LabVIEW圖形化編程環(huán)境的一款全新附加模塊，是一個(gè)開(kāi)放的框架，它可以集成任意的第三方工具鏈，將生成的C代碼與LabVIEW運行庫函數和板卡支持程序包，編譯成為針對某一目標并能在之上運行的二進(jìn)制代碼。通過(guò)LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊和工具鏈，可以發(fā)布到運行任何操作系統的任何的32位處理器。該模塊包含了近千個(gè)內建的庫函數，涵蓋了高等算法、文件I/O、邏輯和信號處理各個(gè)方面。原先無(wú)法利用到嵌入式編程的工程師們都可以進(jìn)入32位微處理器的領(lǐng)域之中，通過(guò)LabVIEW中附加的狀態(tài)圖、控制圖表、信號處理庫函數等這一完整的工具來(lái)設計他們的應用，解決各種問(wèn)題。此外，通過(guò)LabVIEW嵌入式方式 ，工程師和科學(xué)家可以使用一種叫做內聯(lián)C節點(diǎn)(Inline C Node）的新特性，整合現有的嵌入式代碼，來(lái)保持LabVIEW的開(kāi)放架構。另外，在LabVIEW嵌入式項目環(huán)境中，還可以直接添加用C或者匯編開(kāi)發(fā)的源代碼，或者庫文件，幫助開(kāi)發(fā)人員充分利用以前的工作成果。

圖2 內聯(lián)C節點(diǎn)

LabVIEW嵌入式環(huán)境的調試功能非常強大。除了用于快速調試的圖形化用戶(hù)接口顯示件、探針、斷點(diǎn)和函數單點(diǎn)調試之外，LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊為代碼調試提供了另外兩種無(wú)縫的接口。在嵌入式目標平臺上，工程師可以使用“儀器調試”通過(guò)TCP/IP、RS232或CAN進(jìn)行調試。使用內建的片上調試接口，工程師可在不影響程序性能基礎上通過(guò)工業(yè)標準協(xié)議如JTAG、BDI和Nexus等進(jìn)行調試。

減少與特定硬件以及操作系統的相關(guān)性

基于平臺的工具，需要能夠表達整個(gè)系統，而減少與特定硬件以及操作系統的相關(guān)性。在傳統的開(kāi)發(fā)模式中，嵌入式目標本身要求程序員在編寫(xiě)代碼之前對目標有深入的了解。程序需要知道板卡上各種關(guān)于內存映射和寄存器的信息，才能在板卡上執行他們的代碼。另外，大部分代碼是專(zhuān)為某一特定目標編寫(xiě)的。這樣，在一塊板卡上使用不同的微處理器或是不同的外圍設備，可能就需要重新編寫(xiě)大部分已有的代碼，或是完全從頭開(kāi)始。這意味著(zhù)最終產(chǎn)品的擴展性方面是有缺陷的。使用LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊，工程師和科學(xué)家們不需要了解最終的目標就可以進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)，因為軟件生成的是LabVIEW應用的ANSI C代碼，而不是針對某個(gè)特定目標的二進(jìn)制代碼。如圖3所示，灰色區域的部分對于開(kāi)發(fā)員來(lái)說(shuō)是透明的，他們在開(kāi)發(fā)過(guò)程中不需要了解目標硬件上內存映射和寄存器的情況。同時(shí)，LabVIEW嵌入式方式是一個(gè)開(kāi)放的框架，它可以整合任意的第三方工具鏈，將生成的C代碼、LabVIEW運行庫函數和板卡支持程序包(BSP）編譯成為針對某一目標并能在這個(gè)目標上運行的二進(jìn)制代碼。BSP是一種作為C代碼與板上外圍硬件接口的底層代碼。因此，如果板卡需要升級，工程師可以簡(jiǎn)單地將不同的BSP鏈接到LabVIEW中，在現有的圖形化代碼上作一小部分改動(dòng)就可以完成。

圖3 LabView嵌入式模塊的開(kāi)發(fā)流程

與目標無(wú)關(guān)的代碼開(kāi)發(fā)意味著(zhù)工程師和科學(xué)家不再需要等待硬件確定之后再開(kāi)始設計算法。這樣并行的工作和效率的提升，使開(kāi)發(fā)周期和產(chǎn)品上市時(shí)間大大縮短。最后，所生成的LabVIEW代碼不是針對某個(gè)特定平臺的，所以您很容易升級到新的硬件。

結語(yǔ)

LabVIEW為嵌入式系統開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)跨越多種、多代產(chǎn)品的連貫性的平臺，使設計人員能夠多年重復并改進(jìn)其設計，而不必替換其整個(gè)工具集或者重新學(xué)習不同的設計方法，從而使設計的速度和質(zhì)量得到提高。同時(shí)，其圖形化的編程模式使得更多的工程師和科學(xué)家可以使用他們的專(zhuān)業(yè)知識開(kāi)發(fā)嵌入式應用，而不需要再依賴(lài)嵌入式方面的專(zhuān)家。使用統一的環(huán)境進(jìn)行設計、原型到部署，LabVIEW為嵌入式系統開(kāi)發(fā)提供了前所未有的革新方式。