大咖談硬件的軟件化解決方案

在過去兩個世紀(jì)，硬件編程已取得了巨大進(jìn)步，19世紀(jì)早期發(fā)明的提花織機系統(tǒng)可以被看作是第一個工業(yè)規(guī)模的硬件編程案例。工程師們通過使用一連串的打孔卡片系統(tǒng)來設(shè)置他們想要編織的圖案（參見圖1）。這一發(fā)明使發(fā)明家JosephMarieJacquard成為紡織業(yè)的知名人物，并展示了硬件編程取得很大進(jìn)展。如今，他的名字已成為他在織布機上制作出的織物類型的代稱。

圖1.提花織機使用一系列打孔卡片來簡化制造具有復(fù)雜圖案的紡織品，如錦緞、綾和馬特拉塞提花織物

近200年見證了向更可編程硬件發(fā)展的趨勢。機械自動化首先轉(zhuǎn)型為可編程，隨后轉(zhuǎn)向機械電子和電子邏輯，最后由微控制器、微處理器和軟件實現(xiàn)了嵌入式控制。今天，各種機器和設(shè)備的可編程性取決于不同的應(yīng)用和行業(yè)，涵蓋從完全不可編程的固定功能設(shè)備到完全可編程和可升級的設(shè)備，如智能手機等。

傳統(tǒng)的可編程硬件設(shè)計方式很大程度上沿襲了工程設(shè)計方式，在某種程度上，嵌入式設(shè)備是在模擬過去使用機械或機電方式完成的工作。公用儀表就是一個很好的例子：起初，電表簡單取代了機械儀表，使用LCD顯示器代替印著號碼的轉(zhuǎn)輪以優(yōu)化成本和提高可靠性，之后又增加了更多功能，如自動抄表加了進(jìn)來以減少了運營成本而沒有改變儀表的用途或使用場景。

將嵌入式軟件或?qū)崟r軟件應(yīng)用到這些設(shè)備需要專業(yè)技能，而這些知識在大學(xué)的課程中是很少學(xué)到的，一般在工作上才能學(xué)到。嵌入式軟件開發(fā)和硬件開發(fā)一樣需要大量的專業(yè)知識，原因有二。首先，修復(fù)嵌入式軟件錯誤成本非常高，因為設(shè)備很難升級。其次，許多嵌入式設(shè)備必須符合嚴(yán)格的安全規(guī)范，這需要額外的專業(yè)知識和時間資源，以確保符合IEC61508、IEC62304、UL60730-1H、CSAE60730-1H、IEC60730-1H、UL60335-1R、IEC60335-1R、UL1998等規(guī)范。

然而，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的趨勢推動下，嵌入式軟件開發(fā)模式正在發(fā)生一場無聲的變革，并且每天都在不斷發(fā)展壯大。隨著設(shè)備間的互聯(lián)日益緊密，這些設(shè)備突然就全面開放了。好的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須允許開發(fā)人員必須能夠通過定義良好的API進(jìn)行訪問，如NEST、Fitbit和Withings（諾基亞）數(shù)字健康等應(yīng)用。相反，任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以訪問云端近乎無限的資源。隨著語音識別、人工智能和個人助理功能（如亞馬遜Alexa）越來越普及，這些給傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備帶來了新的應(yīng)用空間。

因此，新一代開發(fā)人員（互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者社區(qū)）開始研究這些新設(shè)備。他們從開發(fā)板入手，使用他們所擅長的工具開發(fā)——ObjectOriented編程、API、腳本和框架（如Java、JavaScript、Python、Lua、JSON和RESTAPI）。為了驗證嵌入式開發(fā)的易用性，Arduino平臺（基于Wiring和C++）對對象語言概念（如方法和屬性）進(jìn)行普及。RaspberryPi讓每個人都可以使用Linux和Python。它們教用戶如何使用包含預(yù)定框架的集成工具，讓編寫簡單的應(yīng)用程序輕松得像“在公園里散步”。

這個全新的開發(fā)者社區(qū)正在重塑嵌入式的世界，使得硬件趨于“軟件化”。他們迫使嵌入式工程師像軟件開發(fā)人員一樣研究其他對IT系統(tǒng)和Web應(yīng)用程序有效的技術(shù)。例如，瑞薩電子的合作伙伴之一MediumOne，這家初創(chuàng)IoT公司能夠利用云端的Python腳本對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行編程，這簡直令人難以置信。

重復(fù)做已經(jīng)做過的事情的時代已經(jīng)過去了，嵌入式行業(yè)有能力徹底改變定義和設(shè)計產(chǎn)品的方式。在當(dāng)今激烈的市場競爭中，工程師必須善于重復(fù)使用經(jīng)過驗證、具有高抽象度的產(chǎn)品化的軟件組件。以前，這些組件主要由特定的公司提供而且非常昂貴，不過一些成本較低的替代方案讓他們更容易被用戶獲得，例如開源方式，雖然開源同時也會帶來未知的質(zhì)量問題和其他風(fēng)險。另一種選擇是與芯片制造商合作，他們會將專業(yè)軟件與其硬件設(shè)備集成在一起，納入統(tǒng)一的平臺成本結(jié)構(gòu)。

這種“軟件化”趨勢會將傳統(tǒng)固件開發(fā)人員轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€非常專業(yè)化的群體，就像硬件開發(fā)人員現(xiàn)在已經(jīng)是嵌入式開發(fā)團(tuán)隊的一個專業(yè)的細(xì)分部分。他們的職責(zé)是確保在硬件上能夠運行完整的電路板支持包（BSP），并且?guī)椭絹碓蕉嗟能浖_發(fā)人員使用框架和高級語言編寫應(yīng)用程序和腳本。

這種趨勢還拓寬了嵌入式開發(fā)人員的職業(yè)道路。

以下是核心知識幫助適應(yīng)這種轉(zhuǎn)換：

■ 了解如何使用中間件和RTOS，這些是成為硬件工程師的基本知識要求。

■學(xué)習(xí)使用架構(gòu)。汽車開發(fā)使用Autosar，工業(yè)開發(fā)人員可以從嵌入式Linux開始，例如從開發(fā)一款Android或IOS應(yīng)用程序，甚至是MinecraftMod，來理解架構(gòu)開發(fā)好的方式。

■研究開發(fā)板。雖然看起來像玩具，但它們提供的可能性令人贊嘆。

■如果想訓(xùn)練軟件方面的技能，可以嘗試使用C++、Java和ObjectiveC等對象語言，并嘗試使用XML等標(biāo)記語言以及JavaScript、Python或Lua等腳本語言?？梢韵葟囊苿討?yīng)用程序或Web入門，很快就會接觸到使用更小的微控制器的嵌入式選項。

■熟悉RESTfullAPI和JSON數(shù)據(jù)格式。它們是互聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)都會使用到其中一種。

開發(fā)者社區(qū)提供互動的同行交流，可以用來提升軟件技巧，特別是圍繞著新的嵌入式框架進(jìn)行合作，使用如圖2所示的RenesasSynergy?Platform，或使用MediumOne開發(fā)的IoTSandbox。

圖2.RenesasSynergyPlatform是一個完整、優(yōu)質(zhì)的平臺，提供全套集成軟件、可擴展的MCU產(chǎn)品系列、統(tǒng)一的開發(fā)工具以及使用簡單的開發(fā)套件和參考軟件

對于用戶來說，可以決定加入變革并成為一名應(yīng)用軟件開發(fā)者，挑戰(zhàn)更高級別的框架，也可以選擇留在硬件/固件層面，而此時，了解軟件開發(fā)人員的需求也將成為物聯(lián)網(wǎng)時代嵌入式工程師的基本要求。