實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分享嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

隨著嵌入式系統(tǒng)不斷普及，我們可以從積累的開(kāi)發(fā)知識(shí)中獲得巨大優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建更出色的系統(tǒng)。

工程師一刻也沒(méi)忘記交付能同時(shí)滿(mǎn)足質(zhì)量、時(shí)間安排和預(yù)算目標(biāo)的項(xiàng)目的需求。一個(gè)事半功倍的方法 就是借鑒嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員社區(qū)多年來(lái)累計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。下面我們就來(lái)了解一些為嵌入式開(kāi)發(fā)帶來(lái)了最佳實(shí)踐的重要經(jīng)驗(yàn)。大家隨用隨取哈。

系統(tǒng)地思考

系統(tǒng)工程是一個(gè)廣泛的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，覆蓋從航空母艦及衛(wèi)星到實(shí)現(xiàn)其性能的嵌入式系統(tǒng)的所有開(kāi)發(fā)工作。我們可以運(yùn)用系統(tǒng)工程方法管理從概念到使用周期結(jié)束處置的嵌入式系統(tǒng)工程生命周期。系統(tǒng)工程方案的第一階段不是確立系統(tǒng)需求，而是制定系統(tǒng)工程管理規(guī)劃。這一規(guī)劃不僅將為系統(tǒng)定義工程生命周期以及開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)將要開(kāi)展的設(shè)計(jì)評(píng)審，而且還將定義這些評(píng)審的預(yù)期輸入輸出。該規(guī)劃可根據(jù)工程事件的次序和每個(gè)階段的先決條件，為項(xiàng)目管理、工程和客戶(hù)群體做出明確的定義。簡(jiǎn)而言之，它可展示預(yù)期和可交付項(xiàng)。

在清楚理解工程生命周期的情況下，系統(tǒng)思考的下一步是確立正在開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的需求。良好的需求集應(yīng)覆蓋三個(gè)方面：

功能需求定義嵌入式系統(tǒng)如何開(kāi)展工作。

非功能需求定義法規(guī)遵從與可靠性等方面的問(wèn)題。

環(huán)境需求定義工作溫度和沖擊與振動(dòng)以及電氣環(huán)境(例如 EMI 和 EMC)等方面的需求。

在較大規(guī)模的開(kāi)發(fā)工作中，這些需求將從較高層次的規(guī)范向下延伸并且可跟蹤，比如系統(tǒng)或子系統(tǒng)規(guī)范(圖 1)。如果沒(méi)有較高層次的規(guī)范，我們必須在開(kāi)發(fā)過(guò)程中接觸利益相關(guān)方，確立一套明確的利益相關(guān)方需求，然后將其用于確立嵌入式系統(tǒng)需求。

圖 1：在開(kāi)發(fā)工作中，需求從較高層次的規(guī)范向下延伸并且可跟蹤

生成一個(gè)良好的需求集，需要我們充分思考每一個(gè)需求，才能確保其符合這些標(biāo)準(zhǔn)：

它是必要的。沒(méi)有需求，我們的項(xiàng)目就不會(huì)取得成功。

它是可驗(yàn)證的。我們必須確保該需求能通過(guò)檢驗(yàn)、測(cè)試、分析或演示實(shí)現(xiàn)。

它是可實(shí)現(xiàn)的。在給定的約束條件下，該需求在技術(shù)層面上是可以實(shí)現(xiàn)的。

它是可追蹤的。該需求能夠從較低層次的需求進(jìn)行追蹤，而且可追蹤較高層次的需求。

它是唯一的。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)可防止需求之間的界限不清。

它是簡(jiǎn)單清晰的。每條需求指定一項(xiàng)功能。

為體現(xiàn)意圖，在定義需求時(shí)還常常使用特定語(yǔ)言。一般我們對(duì)強(qiáng)制性要求使用“必須”，對(duì)非強(qiáng)制性要求使用“應(yīng)該”。非強(qiáng)制性要求可讓我們表達(dá)必要的系統(tǒng)屬性。

在我們確立了我們的需求底線(xiàn)后，最佳實(shí)踐就是創(chuàng)建一個(gè)合規(guī)矩陣，說(shuō)明符合每項(xiàng)需求。我們還可以通過(guò)為每項(xiàng)需求分配一種驗(yàn)證方法開(kāi)始確立我們的驗(yàn)證策略。這些方法一般是測(cè)試、分析、檢驗(yàn)、演示和交叉讀取。根據(jù)合規(guī)及驗(yàn)證矩陣創(chuàng)建需求能讓我們：

清晰地了解系統(tǒng)行為。

向內(nèi)部測(cè)試團(tuán)隊(duì)和外部客戶(hù)都演示驗(yàn)證方法。這不僅可在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期階段發(fā)現(xiàn)任何困難的測(cè)試方法，而且還可幫助我們確定所需的資源。

確定技術(shù)性能指標(biāo)。這些指標(biāo)來(lái)自合規(guī)矩陣，由存在無(wú)法合規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)的各種需求構(gòu)成。

分配工程預(yù)算

每個(gè)工程項(xiàng)目都涵蓋一定數(shù)量的預(yù)算，我們應(yīng)將其分配給在架構(gòu)中識(shí)別的解決方案。預(yù)算分配不僅可確保項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)整體需求，而且還可確保每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)牽頭人理解模塊的分配，以創(chuàng)建適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。我們分配預(yù)算的典型領(lǐng)域有功能的總質(zhì)量、功能的總功耗、用平均故障間隔時(shí)間或成功概率定義的可靠性以及設(shè)計(jì)中信號(hào)類(lèi)型間的正當(dāng)串?dāng)_(一般是一套適用于大量功能的通用規(guī)則集)。確立工程預(yù)算最重要的方面之一是確保我們有足夠的應(yīng)急分配。但我們必須戰(zhàn)勝應(yīng)急再加應(yīng)急的想法，因?yàn)檫@會(huì)成為影響時(shí)間安排和成本的嚴(yán)重技術(shù)問(wèn)題。

為在我們架構(gòu)中使用的每項(xiàng)技術(shù)分配一個(gè)技術(shù)就緒指數(shù)，再結(jié)合合規(guī)矩陣，可幫助我們確定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的所在位置。

管理技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

從合規(guī)矩陣及工程預(yù)算的生成看，我們應(yīng)該能夠識(shí)別在技術(shù)上有難度的需求。每一個(gè)這類(lèi)有風(fēng)險(xiǎn)的需求都應(yīng)該有明確的規(guī)避計(jì)劃，其將說(shuō)明我們將如何實(shí)現(xiàn)這一需求。展示這一點(diǎn)的最佳途徑之一是使用技術(shù)就緒指數(shù) (TRL)。TRL 有 9 級(jí)，從所觀察到的基本原理 (TRL1) 到完整功能與實(shí)地部署 (TRL9) 描述設(shè)計(jì)成熟度級(jí)數(shù)。把 TRL 分配給我們架構(gòu)中使用的每一項(xiàng)技術(shù)，再結(jié)合合規(guī)矩陣，可幫助我們確定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的所在位置。我們隨后可啟動(dòng)一個(gè) TRL 開(kāi)發(fā)規(guī)劃，確保在項(xiàng)目不斷推進(jìn)時(shí)，低 TRL 領(lǐng)域會(huì)提升到所需的 TRL 水平。該規(guī)劃涉及的內(nèi)容可確保我們?cè)陧?xiàng)目推進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試正確的功能，或是在項(xiàng)目推進(jìn)的過(guò)程中執(zhí)行功能或環(huán)境/動(dòng)態(tài)測(cè)試。

圖 2：在本電源架構(gòu)示例中，模塊的輸出軌需要二級(jí)穩(wěn)壓。

該架構(gòu)不應(yīng)僅限于硬件(電氣)解決方案，還應(yīng)包含 FPGA/SoC 及相關(guān)軟件的架構(gòu)。

創(chuàng)建架構(gòu)

理解嵌入式系統(tǒng)要求的行為后，我們就需要為解決方案創(chuàng)建一個(gè)架構(gòu)。該架構(gòu)將由分組成功能塊的需求構(gòu)成。例如，如果嵌入式系統(tǒng)必須處理模擬輸入或輸出，架構(gòu)就將包含模擬 I/O 模塊。其它模塊可能會(huì)更加明顯，比如電源調(diào)節(jié)、時(shí)鐘和復(fù)位生成。

該架構(gòu)不應(yīng)僅限于硬件(電氣)解決方案，還應(yīng)包含 FPGA/SoC 及相關(guān)軟件的架構(gòu)。當(dāng)然，模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是針對(duì)模塊及功能行為的良好接口文檔編制。

該架構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵方面是展現(xiàn)如何在高層次上創(chuàng)建系統(tǒng)，這樣工程團(tuán)隊(duì)就能輕松理解其實(shí)現(xiàn)方式。該步驟也是在系統(tǒng)運(yùn)行生命周期中為系統(tǒng)提供支持的關(guān)鍵。

在確定我們的架構(gòu)時(shí)，我們需要考慮模塊化方法，這樣不僅能在當(dāng)前項(xiàng)目上進(jìn)行復(fù)用，而且還能在未來(lái)的項(xiàng)目上進(jìn)行復(fù)用。模塊化要求我們從第一天起就考慮可能的復(fù)用，并要求我們把每個(gè)模塊存檔為一個(gè)獨(dú)立的單元。就內(nèi)部 FPGA/SoC 模塊而言，像 ARM? AMBA? 高級(jí)可擴(kuò)展接口 (AXI) 這樣的通用接口標(biāo)準(zhǔn)有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)用。