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自由支配!不要让MCU、内核或编程语言干扰你的设计

赛普拉斯半导体公司Jon D. Pearson?? 2010年03月09日 ?? 收藏0

  多时候有人试图让你信服:他们的“东西”或最新的产品将成为或取代你的下一个产品设计。这是真的,每天我们都在采用零星的技巧来改进嵌入式设计,有些改进确实是挑战,但是,如果不从可靠的、独特的设计开始,没有“新的技术”,产品不会成功。摆在我们面前的问题是,设计需要时间,时间是一种易消逝的资源,并且,所有这些新事物、新设备、新工具很重要,但并不是最重要的事情。需要防漏洞实时操作系统吗?需要更快的CPU内核吗?微控制器中需要更密集集成的外围设备吗?把这些问题找出来,找到答案并为之利用,但要知道“IT”不是设计的关键。关键是设计成仿佛你想要的一切已经存在,完全取决于您的意愿,使您的产品、系统按照您的需求、期望、要求精密“包装”,定义接口。按照您想要的方式,用layers和 wrappers构建设计,你会发现,采用最新的最好的事情,会使产品更高端,更快速,更便宜,更强大或者说随处满足需求,可以在以后出现在您的后期设计时,甚至出现在生产线上。

  该观点还在不断继续:

  •   此类或那类嵌入式设计采用哪种CPU内核最好?
  •   开发嵌入式系统采用什么语言最好?哪个编译器?
  •   对于简单的主循环和中断实时操作系统,应该购买,自己编写还是避开“操作系统”?

  作为经验丰富的嵌入式系统的开发人员,既有大型系统的经验(波音777飞行控制)又有小型单人项目(笔记本电脑热风扇控制)经验,应避开单台机器或语言的具体利弊,将更多的时间花在应用程序设计和构建上,并且独立于语言和CPU内核。这方面部分来自于对类似系统的工作,只是“再用于“下一个项目(虽然要求完全不同,并且切换到了微控制器)。我也参与过由几个独立的设备组成的系统,每个设备都有自己的程序和微控制器,各部分经常在不同的子项目之间来回使用:某个子项目中的编码器可能是另一个项目的测试器,或当完成自己的子项目的编码后,会投入另一个子项目,以帮助完成项目。缺乏基于系统的设计方法会觉得这些情况很困难,难以按照计划完成。通过独立的系统设计可避免机器依赖性,让设计复用和基于团队的设计不仅成为可能,而且加大了成功机会(如以后的增加要求)。

  最近的一个项目是我更加疑虑,几乎每次都是,必须使设计适应(有时根本就是)所选的语言和机器。我们已经以某个系统架构和设计开始,只是按一般方式考虑了集成微控制器及其外围设备,我们只关注我们需要什么并不关心它是如何实现的,至少我们是这么认为的。我们选择了一些非常专业外设的新器件,并且开始编码时,发现需要花费大量的时间来了解如何构建硬件,以及如何根据需求最好地利用。当我们发现好的方式来利用设备的某特征时,设备的此特点通过代码嵌入了系统级设计。我们已不再坚持我们的系统,不得不让机器和具体操作改变了系统设计。于是只好停下来检查问题和实施方案,通过系统重新设计分离出依赖机器的“修复”,然后将“修复”融入系统四周的“包装”中。

  当设计某个应用时(甚至单一微控制器),以调温器为例,有一个创建好了的系统级视图,描述了硬件和实施某种方式的应用程序。该视图用于多种用途,例如,可作为与高层管理人员或另一个小组进行交流的工具(不希望知道所有细节),如自动化测试人员。如果仅将其视为“视图”而不是系统设计,并且实施不是从系统设计自上而下,而是将其用作起点,则问题就出现了。考虑图1所示的温控系统。

温控系统

  显示系统相对简单,却反映了许多嵌入式产品设计。在“温度传感”部分包含温度输入,其输出进入主系统“控制逻辑”部分。“控制逻辑”的其它输入是标记“用户输入”的部分,代表人机接口,大概设置了恒温器的温度调节。“控制逻辑”部分根据这些输入确定了如何命令供暖、通风和空调(HVAC)系统,以保持恒温器设定的温度,将这些命令发送到“热与冷命令”部分。最后一个部分是“显示输出”,将当前系统状态传递到用户。当前系统状态的一部分是恒温设置,另一部分是最新的温度读数,最后部分是正在执行的命令,以迫使温度返回恒温设置(即加热、冷却和/或打开或关闭风扇)。

  正如前面所述,这是一个直接和相对简单的应用,非常简单以至于不需要考虑系统,而是很自然地跳到实施(我相信大多数读者甚至可以说出最喜欢的微控制器供应商的型号)。可以是用于次级市场的高端PC游戏图形系统的墙恒温器或温度管理装置。用于墙恒温器的微控制器的具体实施基本不需用于图形系统。重点是,无论设计显得多么简单,都有很好的理由先设计系统,然后实现它。将其尽量设计成适合通常应用。

  开始时,需要考虑理想的系统设计,然后生成layers,在理想的系统和实际实施之间构建wrappers(有时是杂乱的)。“控制逻辑”部分作为框图的核心是有充分理由的-因为它是系统的内核。周围的每个部分都服务于“控制逻辑”部分,要根据需要提供“服务”。

  应自“温度传感器”部分开始。其理由是获得当前/瞬时温度,并以一致的格式提供出来。从“控制逻辑”的角度来看,其作用是“获取温度”,并以格式化的值(xxx.xx摄氏度)返回当前温度值。温度传感器部分的硬件wrappers将包括实施中任何需要用来将原温度传感输入“翻译”成预期格式的摄氏度。这可能意味着需要考虑获得新读数的最佳时间,如果温度读数中有太多的噪音(无论何种原因),应添加过滤算法,并且如果温度硬件出现故障,应采用决策逻辑。重点是,“温度传感器”部分的输出是什么,而且传递到“控制逻辑”应为理想的温度,所有的噪音,实际隐藏的细节都应很容易的由wrapper代替。


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MCU? PSoC? wrappers? 传感器?

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