嵌入式系統設計(ji)模式與最佳實踐
時間：2024-11-08 來(lai)源：華(hua)清遠見
嵌入式系統設計(ji)模式與最佳實踐
在嵌(qian)入(ru)式系統(tong)設計(ji)這一復雜且關鍵的領域中，設計(ji)模式與最佳(jia)實(shi)踐宛(wan)如熠(yi)熠(yi)生輝的燈塔，是保障系統(tong)具備高度可靠性(xing)、卓越效(xiao)率以及優良可維(wei)護性(xing)的核心要(yao)素。以下將(jiang)詳(xiang)細(xi)闡述嵌(qian)入(ru)式系統(tong)設計(ji)過程中涉及的設計(ji)模式和最佳(jia)實(shi)踐的各個要(yao)點：
1. 實時系(xi)統設(she)計
實(shi)(shi)時(shi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)作為(wei)嵌入式(shi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)不可或缺的(de)(de)重(zhong)要組成部分(fen)，占據著獨(du)特的(de)(de)地位。這類系(xi)統(tong)(tong)(tong)有著嚴(yan)格的(de)(de)要求(qiu)(qiu)，即必須精準地滿足時(shi)效(xiao)性約(yue)束A，以(yi)此來確保整(zheng)個系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)正確性。實(shi)(shi)時(shi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)依(yi)據其對時(shi)間的(de)(de)敏感程度，可以(yi)進一步細分(fen)為(wei) “硬” 實(shi)(shi)時(shi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)和 “軟” 實(shi)(shi)時(shi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)。對于 “硬” 實(shi)(shi)時(shi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)而言，時(shi)間是(shi)絕(jue)對的(de)(de)約(yue)束條(tiao)件(jian)，每(mei)一個任(ren)務都(dou)必須在規定的(de)(de)時(shi)間期(qi)限內完(wan)成，任(ren)何的(de)(de)延遲都(dou)可能(neng)導致系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)嚴(yan)重(zhong)故障甚至崩潰(kui)。而 “軟” 實(shi)(shi)時(shi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)則相對靈(ling)活一些，除了(le)時(shi)間因素外，還可能(neng)會引入其他衡(heng)量標準，比如(ru)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)平均響應時(shi)間、任(ren)務完(wan)成的(de)(de)優先級順序等(deng)，這些因素共同作用(yong)來評判系(xi)統(tong)(tong)(tong)是(shi)否滿足要求(qiu)(qiu)。
2. 嵌入式設(she)計約束
嵌(qian)入(ru)(ru)式系(xi)統設計的(de)(de)(de)(de)顯著(zhu)(zhu)特(te)點之一便(bian)是其面臨著(zhu)(zhu)諸多(duo)嚴格的(de)(de)(de)(de)約(yue)束條(tiao)件。可靠性是其中的(de)(de)(de)(de)重中之重，這(zhe)意味著(zhu)(zhu)系(xi)統在(zai)長時(shi)間運行過程中，必須(xu)能(neng)夠(gou)穩定地執行其功能(neng)，不受外界干擾(rao)和內部故(gu)障的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。健壯性要求系(xi)統在(zai)遇到異常(chang)(chang)情況(kuang)時(shi)，如輸入(ru)(ru)異常(chang)(chang)數(shu)據、硬件部分(fen)故(gu)障等，能(neng)夠(gou)保持正常(chang)(chang)運行或者(zhe)以(yi)一種優雅(ya)的(de)(de)(de)(de)方式降(jiang)級運行，而不是直接(jie)崩潰。安全性則涉及(ji)到系(xi)統對數(shu)據的(de)(de)(de)(de)保護、防止非法訪問(wen)以(yi)及(ji)在(zai)關(guan)鍵應用場景下避免對人員和環境造成危(wei)害等多(duo)個方面。這(zhe)些約(yue)束條(tiao)件相(xiang)互交織(zhi)，為嵌(qian)入(ru)(ru)式系(xi)統設計劃(hua)定了(le)嚴格的(de)(de)(de)(de)邊界。
3. 操作系統選擇(ze)
在(zai)嵌(qian)入(ru)式系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)廣袤世(shi)界里，開發人員在(zai)操(cao)作(zuo)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)方面(mian)有著多樣(yang)化的(de)選(xuan)擇。他們可以選(xuan)擇使(shi)(shi)用(yong)傳統(tong)(tong)的(de)操(cao)作(zuo)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（OS）、專為實(shi)(shi)時(shi)應用(yong)打造的(de)實(shi)(shi)時(shi)操(cao)作(zuo)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)（RTOS），或者干脆采用(yong)裸(luo)機（Bareback）實(shi)(shi)現方式。RTOS 在(zai)實(shi)(shi)時(shi)和嵌(qian)入(ru)式應用(yong)場景中展現出了獨特的(de)優(you)勢，它通過(guo)使(shi)(shi)用(yong)任(ren)務(wu)優(you)先(xian)級來調(diao)度任(ren)務(wu)。這種基于優(you)先(xian)級的(de)調(diao)度機制能夠確(que)保高(gao)優(you)先(xian)級的(de)關(guan)鍵任(ren)務(wu)在(zai)第(di)一時(shi)間得(de)到處理(li)，從而(er)保證系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)實(shi)(shi)時(shi)性(xing)能。例如，在(zai)航(hang)(hang)空(kong)航(hang)(hang)天領域(yu)的(de)嵌(qian)入(ru)式系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)中，飛行(xing)控制相(xiang)關(guan)的(de)任(ren)務(wu)會被賦予較(jiao)高(gao)的(de)優(you)先(xian)級，以確(que)保飛機的(de)穩定飛行(xing)。
4. 嵌(qian)入(ru)式中間件
嵌入(ru)式(shi)(shi)系統(tong)的(de)(de)開發是(shi)一個與硬(ying)件(jian)(jian)緊密協同的(de)(de)復雜過程。在這(zhe)個過程中(zhong)，硬(ying)件(jian)(jian)和軟件(jian)(jian)相互依存，任何硬(ying)件(jian)(jian)的(de)(de)微小變(bian)動(dong)都可(ke)能如(ru)同蝴蝶效應一般，引(yin)發軟件(jian)(jian)架構的(de)(de)重大變(bian)化(hua)。嵌入(ru)式(shi)(shi)中(zhong)間(jian)件(jian)(jian)在其中(zhong)扮演(yan)著重要的(de)(de)角色，它作為硬(ying)件(jian)(jian)和軟件(jian)(jian)之(zhi)間(jian)的(de)(de)橋(qiao)梁，能夠有效地(di)降低這(zhe)種(zhong)耦合(he)性，使(shi)得硬(ying)件(jian)(jian)的(de)(de)變(bian)更對軟件(jian)(jian)的(de)(de)影響盡(jin)可(ke)能地(di)減小，同時也方便(bian)軟件(jian)(jian)的(de)(de)更新和維護。
5. 調(diao)試和測試
在(zai)(zai)嵌入式系統開(kai)發(fa)的(de)(de)艱難征程(cheng)中，在(zai)(zai)指定硬件(jian)(jian)上進行調試無疑是(shi)其中的(de)(de)一座(zuo)險峻(jun)高(gao)峰。這(zhe)(zhe)(zhe)是(shi)因為(wei)嵌入式系統的(de)(de)硬件(jian)(jian)環(huan)境往往較為(wei)特殊(shu)，與普通的(de)(de)計算機系統有(you)著(zhu)很(hen)大的(de)(de)差異，這(zhe)(zhe)(zhe)就給調試工作帶來(lai)了巨大的(de)(de)挑戰。而測試驅(qu)動開(kai)發(fa)（TDD）這(zhe)(zhe)(zhe)種敏捷實踐(jian)方法(fa)，為(wei)解決這(zhe)(zhe)(zhe)一難題提(ti)供了有(you)力的(de)(de)武(wu)器(qi)。通過在(zai)(zai)開(kai)發(fa)過程(cheng)中先編寫(xie)測試用例，開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)可以更加清晰地(di)了解軟件(jian)(jian)的(de)(de)功能(neng)需求和預(yu)期行為(wei)，從而提(ti)高(gao)軟件(jian)(jian)的(de)(de)質(zhi)量。例如，在(zai)(zai)汽(qi)車電子控制系統的(de)(de)開(kai)發(fa)中，TDD 可以幫助開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)及時發(fa)現(xian)并修復潛在(zai)(zai)的(de)(de)軟件(jian)(jian)漏洞，確(que)保汽(qi)車行駛的(de)(de)安全性。
6. 硬件訪(fang)問概念
嵌入(ru)式系(xi)(xi)統(tong)與硬件(jian)的聯系(xi)(xi)極為(wei)(wei)緊(jin)密(mi)，它必須能夠(gou)直接訪問硬件(jian)。硬件(jian)在嵌入(ru)式系(xi)(xi)統(tong)中可以(yi)大致(zhi)劃分(fen)為(wei)(wei)四大類別，分(fen)別是基礎設施(shi)類硬件(jian)，如(ru)電源供應模塊等(deng)(deng)，它們為(wei)(wei)整個系(xi)(xi)統(tong)的運行提供基礎保(bao)障；通(tong)信類硬件(jian)，包括(kuo)各種通(tong)信接口(kou)和協議芯片，負責系(xi)(xi)統(tong)與外部設備之間的數(shu)據(ju)交換(huan)；傳感器(qi)類硬件(jian)，如(ru)溫度傳感器(qi)、壓力傳感器(qi)等(deng)(deng)，它們能夠(gou)感知(zhi)外部環境(jing)的變化，并將這些(xie)物(wu)理量轉(zhuan)換(huan)為(wei)(wei)電信號供系(xi)(xi)統(tong)處理；致(zhi)動器(qi)類硬件(jian)，像電機、閥門等(deng)(deng)，根據(ju)系(xi)(xi)統(tong)的指(zhi)令對(dui)外部環境(jing)產生作(zuo)用(yong)。這種對(dui)硬件(jian)的分(fen)類有助于(yu)開(kai)發人員更(geng)好(hao)地(di)理解和設計硬件(jian)訪問機制。
7. 設(she)計模式
在嵌(qian)入(ru)式系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)設計(ji)版圖中(zhong)，一(yi)些設計(ji)模(mo)式經過長期實踐(jian)驗證(zheng)，被證(zheng)明(ming)是極具(ju)價值的(de)(de)(de)(de)。例如硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)代理模(mo)式，它能夠為(wei)硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)資源提供(gong)統(tong)一(yi)的(de)(de)(de)(de)訪問接口，隱藏硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)復雜細節，使得軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)(jian)部分可(ke)以(yi)(yi)(yi)更加方便地(di)(di)使用(yong)(yong)硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)功能。硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)適配模(mo)式則在不(bu)同硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)平臺(tai)之(zhi)(zhi)間搭建(jian)起了溝通的(de)(de)(de)(de)橋梁，使得軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)(jian)可(ke)以(yi)(yi)(yi)在多種硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)配置(zhi)下正常(chang)運(yun)行(xing)。中(zhong)介模(mo)式通過引入(ru)一(yi)個(ge)中(zhong)介對象(xiang)，協調多個(ge)硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)或軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)(jian)模(mo)塊之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)(de)交互(hu)，降低它們(men)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)(de)耦合度。觀察者模(mo)式用(yong)(yong)于處(chu)理系(xi)統(tong)中(zhong)對象(xiang)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)(de)一(yi)對多依賴關(guan)系(xi)，當一(yi)個(ge)對象(xiang)的(de)(de)(de)(de)狀態發(fa)生變化時(shi)，其依賴對象(xiang)能夠自動(dong)(dong)收到通知并(bing)做出相應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)反應(ying)(ying)。去抖(dou)動(dong)(dong)和中(zhong)斷模(mo)式在處(chu)理硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)抖(dou)動(dong)(dong)問題以(yi)(yi)(yi)及(ji)高效響(xiang)應(ying)(ying)硬(ying)(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)中(zhong)斷方面發(fa)揮著(zhu)重要(yao)作用(yong)(yong)，確保(bao)系(xi)統(tong)能夠準確地(di)(di)捕捉和處(chu)理關(guan)鍵信(xin)號(hao)(hao)。
8. 硬件 / 固件接(jie)口設計
《硬(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian) / 固(gu)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)接口(kou)設(she)計(ji) —— 提(ti)高(gao)嵌入式系統開發效率的(de)(de)最(zui)佳實(shi)踐(jian)》這(zhe)一(yi)著作宛(wan)如一(yi)座寶庫，為我(wo)們提(ti)供了優化硬(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian) / 固(gu)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)接口(kou)的(de)(de)豐富(fu)原則和(he)最(zui)佳實(shi)踐(jian)。其中(zhong)涵蓋了寄(ji)存(cun)器(qi)布局這(zhe)一(yi)關鍵內容，合理(li)的(de)(de)寄(ji)存(cun)器(qi)布局能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)硬(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)訪問的(de)(de)效率和(he)準確性(xing)。中(zhong)斷機(ji)(ji)制(zhi)的(de)(de)設(she)計(ji)也至關重(zhong)(zhong)要，它(ta)決定了系統如何響(xiang)應硬(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)發出(chu)(chu)的(de)(de)中(zhong)斷請(qing)求，以確保及時(shi)(shi)處理(li)重(zhong)(zhong)要事件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)。時(shi)(shi)序與性(xing)能(neng)方面(mian)的(de)(de)考慮則涉(she)及到硬(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)和(he)固(gu)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)之間的(de)(de)數(shu)(shu)據傳輸時(shi)(shi)序、指令執行順序等(deng)，直接影響(xiang)系統的(de)(de)整體(ti)性(xing)能(neng)。此外，中(zhong)止與錯(cuo)誤處理(li)機(ji)(ji)制(zhi)能(neng)夠(gou)保障系統在出(chu)(chu)現異(yi)常情(qing)況時(shi)(shi)，如硬(ying)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)故(gu)障或固(gu)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)執行錯(cuo)誤，能(neng)夠(gou)采取(qu)合適的(de)(de)措(cuo)施，避免系統崩(beng)潰或數(shu)(shu)據丟失(shi)。
9. 開(kai)發模式
嵌入式系統(tong)(tong)(tong)設計的(de)開發(fa)(fa)(fa)(fa)模(mo)式多(duo)種(zhong)多(duo)樣，每一種(zhong)都有其(qi)獨特的(de)特點和(he)適用(yong)場景(jing)。瀑(pu)布模(mo)型(xing)(xing)(xing)以(yi)(yi)其(qi)階段性和(he)順序性的(de)特點，在需求明(ming)確、穩定的(de)項(xiang)(xiang)目(mu)中能(neng)夠(gou)有條不紊地推(tui)進(jin)開發(fa)(fa)(fa)(fa)進(jin)程。原(yuan)型(xing)(xing)(xing)模(mo)型(xing)(xing)(xing)則通過(guo)(guo)快速(su)構建(jian)一個(ge)可(ke)以(yi)(yi)運(yun)行的(de)原(yuan)型(xing)(xing)(xing)系統(tong)(tong)(tong)，讓用(yong)戶盡(jin)早地體驗和(he)反饋，從而(er)不斷改進(jin)系統(tong)(tong)(tong)。迭代模(mo)型(xing)(xing)(xing)允許在開發(fa)(fa)(fa)(fa)過(guo)(guo)程中多(duo)次(ci)重復某些(xie)階段，以(yi)(yi)逐(zhu)步完善系統(tong)(tong)(tong)功能(neng)。敏捷開發(fa)(fa)(fa)(fa)強調(diao)快速(su)響應變(bian)化(hua)、團隊(dui)協(xie)作和(he)客戶滿(man)意度，適用(yong)于(yu)需求多(duo)變(bian)的(de)項(xiang)(xiang)目(mu)。模(mo)型(xing)(xing)(xing)驅動開發(fa)(fa)(fa)(fa)通過(guo)(guo)建(jian)立系統(tong)(tong)(tong)的(de)模(mo)型(xing)(xing)(xing)來指導(dao)開發(fa)(fa)(fa)(fa)過(guo)(guo)程，提(ti)高(gao)開發(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)抽象層次(ci)。基于(yu)組(zu)件的(de)開發(fa)(fa)(fa)(fa)則將系統(tong)(tong)(tong)分解為多(duo)個(ge)可(ke)復用(yong)的(de)組(zu)件，提(ti)高(gao)開發(fa)(fa)(fa)(fa)效率和(he)系統(tong)(tong)(tong)的(de)可(ke)維護性。
10. 無 OS 的嵌入(ru)式系統軟件
對于那些(xie)不使用操作系統(tong)(tong)的嵌入式系統(tong)(tong)而言，一(yi)種(zhong)行(xing)之有效(xiao)(xiao)的最佳設計方法是將軟件精(jing)心(xin)分割為多個(ge)(ge)子功能(neng)(neng)或子業務，并為每個(ge)(ge)子功能(neng)(neng)編(bian)寫相應的子程序。然后，在一(yi)個(ge)(ge)無窮循環內順序地調(diao)用這(zhe)些(xie)功能(neng)(neng)子程序。這(zhe)種(zhong)設計方式能(neng)(neng)夠在沒(mei)有操作系統(tong)(tong)的情況下，有效(xiao)(xiao)地管理系統(tong)(tong)資源和執(zhi)行(xing)任務。例如，在一(yi)些(xie)簡單的電子設備，如小型遙控器的嵌入式系統(tong)(tong)中(zhong)，通過(guo)這(zhe)種(zhong)方式可以(yi)實現穩定(ding)且高(gao)效(xiao)(xiao)的功能(neng)(neng)。
綜上所述(shu)，這些豐富(fu)多樣的設(she)計模式和最佳實(shi)踐(jian)為嵌入式系統設(she)計構建(jian)了堅實(shi)的理論基礎，同(tong)時(shi)在實(shi)踐(jian)中也發揮著不可或缺的指導作(zuo)用，極大(da)地助力(li)開發人員提高(gao)開發效率，并提升整個系統的性能(neng)，推(tui)動嵌入式系統朝著更(geng)加(jia)穩定、高(gao)效的方向發展。
