使用图形化的开发环境(06-100)

　　传统设计模式所应对的挑战

　　嵌入式系统正在渗入现代社会的各个方面，广泛地应用于航空航天、通信设备、消费电子、工业控制、汽车、船舶等领域，据统计，在美国平均每个中产阶级家庭要使用40~50个嵌入式系统。巨大的市场需求推动了嵌入式系统向更高的技术水平发展。设计师们一方面采用性能更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片取代传统的8位、16位微处理器；另一方面嵌入式系统也由单处理器单操作系统的传统结构向混合型Multi-core系统发展，通过采用多个处理器和OS提高系统并行度来提高系统运行效能，并且设计师们往往同时采用MPU、DSP和FPGA等多种可编程器件来增强处理能力，满足应用功能的升级。

　　嵌入式系统复杂性的不断增加给设计师们带来了很大的挑战，代码长度呈指数级增加，根据十年前的估计，嵌入式系统的平均代码量为10万行，到2001年实际已经超过了100万，而现在估计为500万。第三方独立市场预测机构EMF在对900多名嵌入式系统开发人员进行调研后指出，超过50%的嵌入式设计比预期时间晚上市，而平均延迟高达4个月；在已发布的产品中，有近30%的设计未达到预期的功能和指标。由此可见，随着嵌入式系统复杂性的不断增加，软件工程的重要性毋庸置疑，而大部分的嵌入式系统开发人员都缺乏这方面的专业训练。与此同时，随着嵌入式系统的广泛应用，越来越多领域的专家比如机器人设计师、控制工程师、测试工程师需要使用嵌入式技术来构建他们的系统，他们既缺乏嵌入式系统的专业知识，也不一定经过软件工程的专业训练。因此，无论是嵌入式系统本身的发展，还是开发人员的专业限制，都需要一种新的设计模式和解决问题的途径来应对目前的挑战。

　　嵌入式系统开发工具的发展趋势

　　随着嵌入式系统的快速发展和复杂性的不断增加，基于文本的编程方式所面临的挑战愈发严峻，这种编程模式在将来不可能彻底解决问题。加州大学伯克利分校嵌入式研究专家Edward Lee博士指出，现有的嵌入式系统的开发手段如基于文本编程和面向对象的工具都难以用来构建嵌入式实时系统，因为面向对象很难直观地表达时间和平行性(parallelism），而时间和平行性或并行(concurrency）在现在的嵌入式系统中是必不可少的。面向角色(actor-oriented）的图形化方法是更适合嵌入式软件设计的工具。

　　应对嵌入式系统所面临的挑战，工程师们已经有了一些解决的方向，比如采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性、简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。但是现有的嵌入式系统开发工具非常多，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种，流行体系结构有30多个系列，在其上运行的操作系统环境也非常多样化，包括VxWorks、QNX、Linux、 Nuclears、WinCE等等。不仅各种操作系统有各自的开发工具，在同一系统下开发的不同阶段也有不同的开发工具。如在用户的目标板开发初期，需要硬件仿真器来调试硬件系统和基本的驱动程序，在调试应用程序阶段可以使用交互式的开发环境进行软件调试，在测试阶段需要一些专门的测试工具软件进行功能和性能的测试等等。最合理的解决方案是向基于平台的工具转移，它能够更好地表达整个系统，减少与特定硬件以及操作系统的相关性，使更多的软件设计和算法容易理解并被重复使用；而从基于文本的工具向图形化工具的转移则可以直观地表达系统，图形化系统设计(Graphical System Design）的理念就是源于这两大趋势。通过简化嵌入式编程的复杂性，降低了对工程师在嵌入式设计流程中各个步骤的要求；同时提供了从设计、原型到部署，从软件调试、功能测试到生产检测的统一环境，使得工程师们可以更快速地进行重复设计。

　　在嵌入式系统中实现图形化已经成为大势所趋，现在市场上的工具都在向图形化的方向转变，但往往仅限于基于嵌入式操作系统的图形界面开发；而且由于它们是针对特定硬件或操作系统的工具，与硬件和操作系统平台有很大的相关性，这不足以彻底解决行业将要面临的挑战的。现在市场需要的是一种完全的图形化编程语言，提供足够的灵活性和功能，以满足更广泛应用的需求。因此，图形化系统设计的关键因素是图形化编程。

　　对于时间和平行性的支持

　　20年来，科学家和工程师一直在使用LabVIEW为他们的设计实验室、验证实验室和生产现场构建自动化数据采集和仪器控制解决方案，并在这些应用领域成为业界的事实标准。其核心在于，LabVIEW图形化编程语言使没有太多软件背景的技术专家能够快速搭建高级自动化测量和控制系统。和传统的文本编程相比，LabVIEW天生是一种并行结构的编程语言，而时间和并行性在现在的嵌入式系统中是必不可少的。比如，LabVIEW在已有的定时循环结构上新加了硬件定时功能，它是一种表示时间和并行的语义，可以设置操作系统优先级、延时、循环速率等等，如图1所示。如果我们将图1所示的两个并行任务的执行目标扩展到嵌入式对象，比如FPGA或微处理器，就可以发现通过编程环境的一致性和可升级性，LabVIEW能够容易地实现和管理嵌入式系统的并行性。回想在文章前面所提到的向多处理器转移的趋势，现在我们可以憧憬使用可扩展的直观图形化编程来开发应用，并将处理过程分配到不同的处理器上。