嵌入式軟件架構(gòu)設(shè)計意圖通常伴隨著基于個人經(jīng)驗的假設(shè)。軟件開發(fā)人員可能會從資源受限的基于微控制器的系統(tǒng)的角度來看待架構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)人員可能會從應(yīng)用處理器的角度考慮架構(gòu)。如何設(shè)計架構(gòu)將取決于系統(tǒng)的嵌入式軟件分類。

我們可以通過多種不同的方式對嵌入式軟件進(jìn)行分類。我發(fā)現(xiàn)有五種簡單的嵌入式軟件分類可以幫助我調(diào)整視角以最好地理解手頭的系統(tǒng)。

讓我們探索 5 個簡單的嵌入式軟件分類，您需要了解這些分類才能成功地交流和設(shè)計您的系統(tǒng)。

01.嵌入式軟件分類 – BAREMETAL

裸機(jī)嵌入式系統(tǒng)利用不依賴于操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。通常，裸機(jī)架構(gòu)將是事件驅(qū)動的，嚴(yán)重依賴狀態(tài)機(jī)，和/或使用非常簡單的協(xié)作任務(wù)調(diào)度。開發(fā)人員需要非常了解底層處理器，因為沒有操作系統(tǒng)可以抽象出底層細(xì)節(jié)。

您通常會在資源受限的設(shè)備（例如 8 位、16 位和一些 32 位微控制器）上找到裸機(jī)軟件設(shè)計。但是，資源可用性不是裸機(jī)系統(tǒng)的限制條件。您可以設(shè)計一個裸機(jī)架構(gòu)并為任何嵌入式處理器實現(xiàn)它。不幸的是，處理器越復(fù)雜，實現(xiàn)就越復(fù)雜。

對于功能有限、使用資源受限的微控制器、具有嚴(yán)格的實時要求以及對可擴(kuò)展性的最低要求的產(chǎn)品，建議使用裸機(jī)架構(gòu)和實現(xiàn)。

02.嵌入式軟件分類 – 實時操作系統(tǒng) (RTOS)

使用實時操作系統(tǒng)的嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)在過去幾年中急劇增加。基于 RTOS 的嵌入式系統(tǒng)通常具有比裸機(jī)架構(gòu)更復(fù)雜的時序要求。RTOS 抽象出一些低級細(xì)節(jié)，例如任務(wù)調(diào)度，同時還為開發(fā)人員提供任務(wù)同步（信號量和標(biāo)志）、數(shù)據(jù)保護(hù)（互斥量）和通信（隊列）的工具。

您通常會在 32 位微控制器和小型應(yīng)用處理器上找到 RTOS 軟件設(shè)計。雖然您可能會在 16 位處理器上找到它們，但 RTOS 通常需要至少 24 KB 的閃存和 32 KB 的 RAM 才能有效使用。這些要求對 RTOS 的有效使用設(shè)置了下限。

RTOS 會給設(shè)計增加額外的復(fù)雜性，主要是在使用搶占式任務(wù)調(diào)度時。如果設(shè)計者不小心，就有可能導(dǎo)致線程饑餓、創(chuàng)建優(yōu)先級倒置甚至死鎖。但是，RTOS 可以為您提供快速擴(kuò)展系統(tǒng)、提高可維護(hù)性以及收集比裸機(jī)系統(tǒng)更復(fù)雜的系統(tǒng)性能的能力。

對于具有復(fù)雜時序要求、使用現(xiàn)代微控制器、受益于多任務(wù)處理以及需要擴(kuò)展或重用應(yīng)用程序部分的產(chǎn)品，建議使用基于 RTOS 的架構(gòu)和實現(xiàn)。

03.嵌入式軟件分類 – “通用”操作系統(tǒng)

當(dāng)使用足夠復(fù)雜的處理器（如應(yīng)用程序處理器）時，嵌入式軟件架構(gòu)可以利用整個操作系統(tǒng)。例如，嵌入式 Linux 可以被認(rèn)為是一個完整的操作系統(tǒng)。我不將 RTOS 歸入此類別，因為 RTOS 與嵌入式 Linux 不同，它是一種專用的、資源受限的操作系統(tǒng)，。設(shè)計人員可以像開發(fā)桌面或移動應(yīng)用程序那樣完全訪問庫和操作系統(tǒng)資源。

您通常會在 Raspberry Pi 等 32 位應(yīng)用程序處理器上找到這種操作系統(tǒng)軟件設(shè)計。然而，這些處理器非常復(fù)雜，需要一個操作系統(tǒng)來管理它們的所有資源。現(xiàn)在，這并不意味著您不能使用裸機(jī)或使用 RTOS；它只是意味著復(fù)雜性和開發(fā)時間急劇增加。

完整的操作系統(tǒng)可以消除開發(fā)人員的內(nèi)存限制負(fù)擔(dān)。此外，您通常可以讓非嵌入式軟件人員參與進(jìn)來。對于基于操作系統(tǒng)構(gòu)建的應(yīng)用程序，軟件開發(fā)涉及的專業(yè)化知識要少得多。

對于沒有嚴(yán)格實時要求、使用現(xiàn)代微處理器、受益于高級抽象以及需要擴(kuò)展或重用應(yīng)用程序部分的產(chǎn)品，建議使用完整的操作系統(tǒng)架構(gòu)和實現(xiàn)。

04.嵌入式軟件分類 – 容器/微服務(wù)

微服務(wù)和容器是云、移動和桌面計算中常見的設(shè)計類型。然而，他們正在迅速找到進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)的途徑。我將這兩者混為一談，因為它們使用的架構(gòu)設(shè)計策略相似，盡管底層技術(shù)不同。

微服務(wù)

微服務(wù)將應(yīng)用程序構(gòu)建為一組松散耦合的服務(wù)，可獨立部署且易于維護(hù)（如果做得好）。微服務(wù)將應(yīng)用程序構(gòu)建為為業(yè)務(wù)領(lǐng)域開發(fā)的小型自治服務(wù)的集合。微服務(wù)提供具有特定功能的松散耦合服務(wù)。

資源相對受限的嵌入式系統(tǒng)（例如微控制器）可以運(yùn)行微服務(wù)。但是，它們通常至少需要與運(yùn)行 RTOS 所需的內(nèi)存量相同的內(nèi)存量。微服務(wù)包括服務(wù)本身、入站和出站消息隊列以及日志和狀態(tài)信息。

需要編排器和運(yùn)行時環(huán)境會增加微服務(wù)設(shè)計的復(fù)雜性，必須謹(jǐn)慎使用您使用的資源并仔細(xì)監(jiān)控系統(tǒng)的實時響應(yīng)。然而，微服務(wù)可以提供非常可擴(kuò)展的系統(tǒng)，易于現(xiàn)場維護(hù)和更新。

我建議在需要現(xiàn)場更新、可擴(kuò)展性和現(xiàn)代敏捷流程并受益于分布式模型的應(yīng)用程序中使用微服務(wù)。

容器

容器是一種可以承載微服務(wù)的實現(xiàn)范式。每個容器都是一個獨立的沙箱，可以運(yùn)行一個或多個微服務(wù)。容器通常可獨立部署且易于維護(hù)。一系列容器為更廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同樣，容器和微服務(wù)密切相關(guān)；容器為微服務(wù)運(yùn)行提供了額外的隔離層。

至少需要一個現(xiàn)代微控制器來利用容器。每個技術(shù)供應(yīng)商都略有不同，但有些供應(yīng)商聲稱能夠使用與 RTOS 一樣少的內(nèi)存。然而，我調(diào)查過的大多數(shù)目標(biāo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序預(yù)計大約有 256 KB 的閃存。

容器是一種現(xiàn)代架構(gòu)實現(xiàn)，可以為嵌入式應(yīng)用程序增加靈活性、可擴(kuò)展性和可移植性。多年來，它們已成功用于軟件的其他領(lǐng)域。迄今為止最大的限制是尺寸和性能。

我建議在需要現(xiàn)場更新、可擴(kuò)展性、額外安全性和現(xiàn)代敏捷流程的應(yīng)用程序中使用容器。

圖 1 – 容器架構(gòu)堆

05.嵌入式軟件分類 – 混合系統(tǒng)

混合系統(tǒng)同時利用多個分類。例如，您可能有一個使用嵌入式 Linux 的應(yīng)用程序處理器。但是，該處理器可能有一個內(nèi)置的微控制器，它使用裸機(jī)方法來管理實時響應(yīng)。

混合系統(tǒng)允許開發(fā)人員利用多種設(shè)計方法從多種系統(tǒng)類型中獲益。如果不仔細(xì)管理其設(shè)計的各個部分之間的交互，這種靈活性通常會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

對于具有復(fù)雜處理和實時要求的產(chǎn)品，建議使用混合架構(gòu)和實現(xiàn)，這些產(chǎn)品使用多核處理器，受益于高級抽象并需要擴(kuò)展或重用應(yīng)用程序部分。

06.結(jié)論

嵌入式軟件系統(tǒng)可以分為多種類型。如何設(shè)計和構(gòu)建嵌入式軟件將取決于您選擇的分類。每個分類都將規(guī)定您用來構(gòu)建和實施系統(tǒng)的設(shè)計模式和工具。當(dāng)設(shè)計或討論系統(tǒng)時，請先指定系統(tǒng)類型，然后再繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計。

審核編輯：湯梓紅