运用LabVIEW开发嵌入式系统的革新方式

1. 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，被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，这个数字实际已经超过了100万，而现在的数字估计为500万[1]。第三方独立市场预测机构Embedded Market Forecasters (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，而平均延迟时间高达近4个月；并且在已发布的产品中，有近30%的设计未达到预期的功能和指标[2]。一些非正式调查显示，60%到70%的嵌入式系统开发人员都毕业于电子工程专业，这一学历背景在帮助理解所开发的嵌入式应用的物理层，以及错综复杂的硬件时，起到了很好的作用。但大多数电子工程课程都没有重视软件工程的教育，缺乏相关的系统实践，导致学生对构造可靠系统所必须的软件工程关键原则没有深刻的理解。可以看到，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，笔者认为，这是造成上面那组令人吃惊数据的原因之一。与此同时，随着嵌入式系统的广泛应用，越来越多的领域专家，比如机器人设计师，控制工程师，测试工程师都需要使用嵌入式技术来构建他们的系统，这些专家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，一种新的解决问题的途径来应对目前的挑战。

2. 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，这已经是许多业内专家的共识。Edward Lee博士是加州大学伯克利分校嵌入式研究方面的领先者，他指出现在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。Lee博士提出面向角色（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。但是现在的嵌入式系统开发工具非常多样化，市场很分散，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，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。

所以一种更为理想的、釜底抽薪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，而减少与特定硬件以及操作系统的相关性，这使得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，它降低了对系统开发人员和领域专家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，使得工程师和科学家们可以更快速地进行重复设计。