为你的设计选择正确的软件架构

作者/Alf Mossevig Silicon Labs软件开发流程产品经理

　　引言

　　我们都曾在职业生涯的某个时间点思考过这个问题：你已经把一个想法仔细思考过一阵子，逐渐得出可行的结论，现在，你想要创建一个合适的项目，看是要更进一步探索这个想法或是将其产品化。但是，应该从哪种软件架构入手呢?Espruino?Arduino?microPython?Segger embOS?MicriumuC/OS-II?以及在uC/OS-II和uC/OS-III之间又有什么区别呢?究竟该采用初始成本较低的开源架构，还是选择需要支付前期费用的商业解决方案，来加速你的设计过程呢?

　　1软件架构

　　软件架构即为编写软件的一种特定方式，例如，Arduino提供编写程序代码的一种特定方式，允许软件的片段可以跨越多个项目被重新使用。

　　软件架构是由几个不同的部分所组成，并由以下组件所定义：程序语言、应用程序编程接口(API)，以及某些工具集的连接。例如，像是在Arduino和Espruino的案例中，软件架构可以被紧密地连接到工具，而在Micrium和FreeRTOS的案例中则是被分离开的。

　　2操作系统

　　因此，该如何选择一个软件架构呢?首先，我们需要对一些名词解释的更明确一点，我们已经开始提到操作系统(OS)这个名词。你真正需要写的是可以执行你的特定要求的程序代码，这些程序代码将可以把你的产品与其他产品区分出来。但是，你仍然需要依靠软件的其他部分，像是ADC的驱动程序或SD卡的文件系统栈。这些软件的部分通常被称为软件构件。

　　图1 软件构件示意图

　　英文解释：

　　User code 用户代码 external library 外部函数库 standard building blocks 标准构件模块

　　gecko technology Gecko科技 e.g. 例如，

　　在此用一个比较实质的比喻方式，你可以想象你的软件构件就像是砖块(如图1)，然后把操作系统视为水泥。在操作系统中定义了砖块的形状，以及它们将如何与其他的砖块互动。因此，当你添加更多构件到软件之中时，他们将可以继续完美地协同工作。这听起来相当不错，但你真的需要一个操作系统吗?增加操作系统也带来了额外的负荷，它将会消耗数千字节的闪存，为事件的响应增加了延迟的时间，并且还需要花费些许的时间学习如何在操作系统环境中编写程序。

　　决定采用哪个软件架构，将会决定你的想法是否可以按时间、按预算推动，或是将你的投资放在风险之中。一般的经验法则是，如果你的目标闪存容量是128 KB或更高，并且或是需要通讯功能，便需要一些栈(USB、以太网络、SDIO、CAN、Wi-Fi、BLE)，长期来看，你最好还是使用操作系统。

　　在操作系统中最重要的是调度程序(scheduler)。调度程序是用在为可能会争夺相同资源的不同任务、分配资源和处理时间的组件。在一般情况下，调度程序有两种作业的方式，而这正是“实时”在实时操作系统(RTOS)的意义所在。实时意味着在一个特定的时间内，会有一个特定的任务将会被执行。假设你得到一个你需要处理的射频封包，无论你的设备目前正在做什么事，实时操作系统的核心会先离开它目前所做的任务，先完成这一个高优先等级的任务。这种类型的行为在处理器的利用上并不是最有效率的方式，但例如在马达控制应用中，它在通讯栈与应用中最需要重视的便是反应时间。

　　3商用与开源解决方案的比较

　　如果你已经想通了是否需要采用实时操作系统，并开始组建软件需求。例如，你可能知道，你需要一个USB栈和以太网络栈，搭配外部MAC/PHY驱动程序来一起将设备连接到互联网。但是，你该从哪里开始呢?你真的只需要为你首选的微控制器下载最新的FreeRTOS模板，并继续下载开源软件并放到装置中就可以了吗?或者你只是需要去找有你所需软件的商业供货商，并获得完整的软件组合比较好呢?

　　为了做出更明智的决定，我们经常谈论要给选定的解决方案一个总体拥有成本(TCO)的概念。所谓的总体拥有成本包含的不仅是你为软件付出的货币价值，还包括花费在寻找解决方案、组装不同的构件，并将不同的构件整合到你的项目，以及开发、测试和生产的工作时间。

　　图2 选择解决方案的成本考虑

　　英文解释：When selecting an MCU,there are many unseen costs to consider.

　　当选择MCU时，需要考虑很多不可见的成本因素。

　　Research&evalution 调查和评估

　　Acquisition 采集 training 训练 development 发展 integration&optimizaiton 整合与优化

　　Verification&qualification 验证和授权upgrades&updates 升级与更新Support&maintenance 支持和维护

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　　在一般情况下，我们看到的是商业解决方案的总体拥有成本(TCO)，将比自己组建开放原始码组件的解决方案要来的更低一些。但既然是商业解决方案便涉及到初始成本，这些厂商通常要求在使用解决方案的前期，取决于你所需要的组件，便必须先支付1万到10万美元之间的费用。在另一方面，下载FreeRTOS并开始组装自己的解决方案，在某些拥有密集资源的应用中，其所花费的金钱，相对会更便宜一些。决定你的项目的最佳解决方案，将高度依赖于它是否是最容易让你赚到现金，或是能够为总体拥有成本的工时来“买单”。

　　4 候选方案

　　所以，当你已经看到这里，你的大脑中可能已经开始吶喊：“只要给我一个可以让我开始使用的架构就好了!”

　　可惜没有那么快，肯定有一些方案的选项是比其他选项更好，微控制器的应用非常多样性，肯定没有那种一个尺寸便适合所有需求的解决方案。我们先来了解许多最流行的操作系统和软件架构，并分别仔细地讨论：

　　4.1操作系统

　　所有在这一个章节中提到的操作系统都具有实时能力(RTOS)。

　　4.2商用解决方案

　　• Micrium uC/OS-II与uC/OS-III：这是在微控制器业界最流行的两个实时操作系统，特别是因为其创新的商业模式，因为Micrium公司允许你下载完整的软件套件，并开始发展，等你真正开始产生营收后，才需要开始支付解决方案的费用。他们在安全至上的系统中拥有重要的地位，并且他们的大部分软件构件都已经通过认证。

　　• Segger embOS：嵌入式软件市场的新进入者，但这并不意味着他们是新手。该软件产品已经开发了超过20年的时间，并已经使用在他们自己的硬件产品之中，因此对装置的支持程度非常好，并配有一个优秀的驱动程序库。

　　• Express Logic ThreadX：由行业的资深人士所创办，该公司专注在所有关于性能的事物上，并挤压出元器件中每一个时钟周期的效能。它通常被看作是操作系统中的劳斯莱斯，并已经有很多认证被使用在安全至上的系统之中。

　　4.3开源解决方案

　　• FreeRTOS：FreeRTOS跟Micrium uC/OS一样，都是在同行业中最常被采用的实时操作系统之一。它有一个庞大的社群，有很多人都在为软件做出贡献，像是TCP/IP栈，但做为开源软件，便意味着没有公司会负责整合，因此需要更多的工作来创建一个整合的解决方案。

　　• 也有一些公司在FreeRTOS的生态系统中，专门从事将差异化的软件构件提供给那些需要整合协助的客户，例如，Wittenstein高完整性系统公司提供称为SAFERTOS安全认证的FreeRTOS替换核心，以及HCC嵌入式公司提供可以与任何实时操作系统工作的USB、以太网络和文件系统。

　　• mbed OS：mbed OS解决一些你通常会在开源软件所遇到的痛点，因为ARM这一家公司会负责整合的工作。然而，它仍然是处于萌芽阶段，所以如果你想要有些贡献就可以去这里。

　　• RIOT OS：RIOT OS被冠以“物联网中最友好的操作系统”，它是以通讯概念为基础所建立起来的操作系统。这使得它即使在面对困难的通讯问题时，仍然精简且高效率。然而它仍然还在积极发展的阶段当中，所以你得计划多花几个小时来进行除错。

　　4.4架构

　　有一些操作系统的功能就像是将砖块黏合在一起的水泥一样，会与发展框架紧密地结合在一起，因此一般不能使用软件本身做为项目的一部分，你必须围绕着它来进行整个开发流程。这些框架往往是使用比C++更高阶的语言所编写，通常可以在实时操作系统上运行。

　　• mbed：mbed也出现在这里，这时则做为快速成型的项目。它是用C++编写，并对大多数微控制器和电路板有绝佳的支持，拥有一个庞大的元件程序库，和一个采用网页架构的漂亮集成开发环境(IDE)。目前，在它准备全面部署之前，它仍然需要一点成熟的时间，但它很适合硬件原型的开发。

　　• Espruino：Espruino是在微控制器上运行的实时JavaScript解释器。它允许你能够动态地更改程序代码，甚至不需要读写微控制器便可以撰写程序代码。在它开始量产之前，仍然需要一些时间来发展，但它很适合用于硬件原型，并呈现出成为一个不可忽视软件架构的巨大潜力。

　　• microPython：microPython所能做的事与Espruino大致相同，差别仅在于其使用Python来代替JavaScript。它发展的概念，便是让你从产品开发的一开始到量产，都能够支持预先编译的程序代码，并使用C语言来编写时序至上的程序代码。目前仍在开发当中。

　　• microEJ：microEJ是一个采用Java架构的框架，让你轻松地为你的设备打造好看的图形化应用程序。它已经在许多智能手表和一些物联网(IoT)设备中使用。

　　5 结语

　　如果你想要着手进行设备的开发，而无需安装单一的程序，像是mbed和microPython这类的框架，便是入门的好方法。但是，如果你要建立更大的部署，采用一个纯粹的实时操作系统将会是更好的选择。如果使用工作时间而不是金钱来当作软件的投资，对你的公司来说会更为轻松的话，像是FreeRTOS或RIOT这类非商业解决方案便有其优势。如果你的公司能负担得起前期投资，像是Segger、Express Logic和Micrium的商业解决方案，将大大降低软件开发风险和缩短产品上市的时间。在商业解决方案中，特别像是Micrium的稳定性和认证的程序代码基础，广泛普及的部署，良好的元器件支持，开放的原始码，以及适合大多数经济效益的商业模式，更使其在商业解决方案中显得特别突出。