嵌入式開(kāi)發(fā)在過(guò)去20年中是如何演變的

How embedded development has evolved over the past two decades

與任何開(kāi)發(fā)領(lǐng)域一樣，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)就像大海：深海洋流基本上保持不變，而表面卻很少如此。冒著淹沒(méi)在比喻中的風(fēng)險(xiǎn)，觀(guān)點(diǎn)是，嵌入式開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)現(xiàn)在基本上是一樣的，那時(shí)工程師必須在硬接線(xiàn)微型計(jì)算機(jī)上打開(kāi)開(kāi)關(guān)來(lái)運(yùn)行機(jī)器代碼。像那些工程師一樣，仍在努力監(jiān)控外部事件并做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。到那里的方式一直在變化。

或者使用最少的硬件和方法來(lái)構(gòu)建更好的嵌入式系統(tǒng)。作為對(duì)這種變化的某種程度上的衡量，Embedded 1999年、2009年和2019年的調(diào)查提供了過(guò)去20年嵌入式開(kāi)發(fā)是如何演變的一個(gè)快照。

事實(shí)上，每個(gè)調(diào)查的問(wèn)題本身都反映了這種變化。1999年的調(diào)查中，有大量的問(wèn)題涉及交叉編譯器、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法和在線(xiàn)仿真器，但對(duì)操作系統(tǒng)的問(wèn)題則相對(duì)較少。到了2009年，這項(xiàng)調(diào)查已經(jīng)放棄了那些特定的部分，包括了更多關(guān)于多處理器設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)和特別是嵌入式Linux的內(nèi)容，但是像物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人工智能（AI）這樣的話(huà)題并沒(méi)有被任何人關(guān)注。在2019年的調(diào)查中，這些主題以及安全性都表現(xiàn)出廣泛的興趣和積極的使用。

很難嘗試比較這些調(diào)查的細(xì)節(jié)，因?yàn)榈?009年，調(diào)查方法發(fā)生了重大變化。在某些情況下，同一個(gè)一般問(wèn)題被擴(kuò)展到多項(xiàng)選擇題，允許有多個(gè)答案。這增加了任何解釋的不確定性。在設(shè)計(jì)功能的討論中可以看到這一點(diǎn)。另外，下面的一些結(jié)果缺乏1999年調(diào)查的相應(yīng)數(shù)據(jù)，所以只需看看2009年和2019年的數(shù)據(jù)。最后，請(qǐng)記住，結(jié)果的誤差范圍通常在3%到6%以上，因此詳細(xì)的比較是有風(fēng)險(xiǎn)的。最后，作為一個(gè)研究過(guò)統(tǒng)計(jì)操縱的令人遺憾的深度（又一個(gè)隱喻）的人，在以前的職業(yè)生涯中做過(guò)定量調(diào)查研究和系統(tǒng)性能基準(zhǔn)測(cè)試，這些數(shù)字僅用于娛樂(lè)目的。當(dāng)然覺(jué)得是這樣的。

應(yīng)用程序重點(diǎn)和功能

在過(guò)去的十年里，嵌入式設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了怎樣的變化？盡管工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品仍排在前五位，但汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位（表1）。2009年，稱(chēng)之為datacomm的設(shè)計(jì)在2019年被歸入通信領(lǐng)域，這可能是一個(gè)穩(wěn)妥的賭注。

Table 1: Top 5 Application segments (% respondents)

表1：前5大應(yīng)用領(lǐng)域（受訪(fǎng)者百分比）

在過(guò)去的二十年里，設(shè)計(jì)的本質(zhì)是如何改變的？1999年的調(diào)查提出了多個(gè)關(guān)于將Web技術(shù)融入設(shè)計(jì)的問(wèn)題。在研究1999年的調(diào)查中特別有趣的是，43%的受訪(fǎng)者表示不打算這么做，但14%的人說(shuō)確實(shí)打算這么做。不知道這個(gè)問(wèn)題中“Web技術(shù)”到底是什么意思，但希望沒(méi)人試圖在系統(tǒng)中嵌入httpd服務(wù)器。

更一般地說(shuō)，表2顯示了三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)能力是如何演變的。唯一真正的變化是互聯(lián)設(shè)計(jì)的巨大提升，從千年之初的35%上升到10年前的90%多一點(diǎn)。（認(rèn)為調(diào)查方法讓網(wǎng)絡(luò)化和無(wú)線(xiàn)化成為可能互換的，但從統(tǒng)計(jì)上看，2009年和2019年的聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)水平相同。）

類(lèi)似地，嵌入式開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了至少10年的電池供電設(shè)計(jì)。有時(shí)，業(yè)界忘記了電池供電的設(shè)計(jì)早在物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備興起之前就已經(jīng)存在了。

Table 2: Key design capabilities (% respondents)

表2：關(guān)鍵設(shè)計(jì)能力（%受訪(fǎng)者）

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

記住C/C++不一定是嵌入式開(kāi)發(fā)的主要語(yǔ)言（圖1）。考慮到每項(xiàng)調(diào)查中隱藏的其一些響應(yīng)，而且高性能處理器的出現(xiàn)很可能減少了對(duì)匯編級(jí)代碼的需求。好吧，而且事實(shí)上，只有37%的項(xiàng)目如期完工——盡管2009年曾表示希望修復(fù)開(kāi)發(fā)過(guò)程，但這一數(shù)字在2019年并沒(méi)有顯著變化（見(jiàn)下圖1）。

圖1：頂級(jí)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言（%受訪(fǎng)者）。

到2009年底，開(kāi)源操作系統(tǒng)（OS）開(kāi)始取代商業(yè)操作系統(tǒng)的使用。到2019年，這一趨勢(shì)仍在繼續(xù)。開(kāi)放源碼軟件的興起并不僅僅是因?yàn)殚_(kāi)源操作系統(tǒng)的興起。定制/內(nèi)部開(kāi)放源碼軟件也繼續(xù)得到更多的使用（圖2）。

圖2：操作系統(tǒng)類(lèi)型（%受訪(fǎng)者）。

處理器體系結(jié)構(gòu)

盡管在過(guò)去的十年中，32位體系結(jié)構(gòu)的使用保持不變，但64位體系結(jié)構(gòu)卻得到了顯著的提高（圖3）。有人可能會(huì)懷疑，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)化趨勢(shì)，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員在尋找更高的處理器性能和更高效的內(nèi)存周期（包括指令獲取），而開(kāi)發(fā)人員轉(zhuǎn)向更寬的位寬度（從8位到16位、32位到64位）。

圖3：處理器架構(gòu)（%受訪(fǎng)者）。

獨(dú)立處理器與多核設(shè)備

也許2010年最明顯的趨勢(shì)是從多處理器芯片到多核設(shè)備的設(shè)計(jì)縮減——從具有相同處理器的多個(gè)芯片到同質(zhì)的多核設(shè)備，或者從具有不同處理器的多個(gè)芯片到異構(gòu)多核設(shè)備（圖4）。

圖4：單個(gè)處理器芯片與多核處理器（受訪(fǎng)者百分比）。

處理器決策驅(qū)動(dòng)程序

二十年來(lái)，驅(qū)動(dòng)處理器選擇的主要因素沒(méi)有改變（圖5）。軟件開(kāi)發(fā)工具的可用性仍然是首選。在面板上切換機(jī)器代碼并不是任何人認(rèn)為的好時(shí)機(jī)。有趣的是，自本世紀(jì)初以來(lái)，對(duì)體系結(jié)構(gòu)的熟悉已經(jīng)失去了重要意義，而且成本和IO/外圍設(shè)備能力的重要性也在不斷下降。

圖5：處理器選擇因素（%受訪(fǎng)者）。

技術(shù)挑戰(zhàn)

最后，對(duì)于即將到來(lái)的重大技術(shù)挑戰(zhàn)，人的看法發(fā)生了怎樣的變化？如果看看2009年和2019年調(diào)查中列出的前五大挑戰(zhàn)，集成、代碼復(fù)雜性和軟件工具仍然是主要關(guān)注的問(wèn)題。有趣的是，在過(guò)去的十年里，人對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的擔(dān)憂(yōu)已經(jīng)消退，取而代之的是對(duì)低功耗和安全性的擔(dān)憂(yōu)。事實(shí)上，安全擔(dān)憂(yōu)的上升和為緩解威脅而采取的措施構(gòu)成了2019年調(diào)查的一大組成部分。2009年，只有3%的受訪(fǎng)者表示擔(dān)心安全問(wèn)題。如前所述，2009年和2019年在統(tǒng)計(jì)上類(lèi)似的低準(zhǔn)時(shí)率表明，2019年開(kāi)發(fā)過(guò)程中相對(duì)重要性的轉(zhuǎn)變與這方面的任何明顯成功關(guān)系不大，而更多的是與出現(xiàn)更多關(guān)鍵問(wèn)題有關(guān)。

圖6：最大的技術(shù)挑戰(zhàn)（%受訪(fǎng)者）。

那么這對(duì)2020年意味著什么呢？

可以從這些結(jié)果推斷出軟件開(kāi)發(fā)工具和代碼大小管理等問(wèn)題仍然很重要，處理器特性（如性能和外圍設(shè)備）的相對(duì)重要性將下降。另一方面，在2020年出現(xiàn)的一些新技術(shù)，如無(wú)代碼開(kāi)發(fā)工具、量子計(jì)算和支持現(xiàn)場(chǎng)可訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的人工智能核，似乎會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的巨大轉(zhuǎn)變。但是會(huì)嗎？

嵌入式系統(tǒng)仍然需要工具來(lái)編寫(xiě)（或生成）代碼，對(duì)于更復(fù)雜的異構(gòu)多處理器硬件設(shè)計(jì)，可能需要這樣做。這些設(shè)計(jì)仍然需要與物理世界接口，但接口的性質(zhì)可能會(huì)遠(yuǎn)離傳感器或協(xié)作對(duì)等設(shè)備的硬連線(xiàn)接口。對(duì)更多功能的需求將繼續(xù)上升，從而推動(dòng)對(duì)能夠運(yùn)行更復(fù)雜應(yīng)用程序的硬件的更高性能和增強(qiáng)功能的需求。最終，新十年的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然需要更有效地與數(shù)據(jù)源進(jìn)行接口，以最小的延遲執(zhí)行更復(fù)雜的代碼，并應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的安全威脅，所有這些都需要消耗來(lái)自超低功率源的最小電流。可能會(huì)使用截然不同的方法，但目標(biāo)將保持不變。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的嵌入式开发在过去20年中是如何演变的的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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