嵌入式系統(tǒng)一直被認(rèn)為是現(xiàn)代技術(shù)的支柱，為從智能手機(jī)到汽車到家用電器的一切提供動力。盡管嵌入式系統(tǒng)在我們的日常生活中扮演著至關(guān)重要的角色，但在代碼開發(fā)方面，它仍然需要趕上其他技術(shù)領(lǐng)域。在本文中，我們將探討為什么會出現(xiàn)這種情況，并討論微服務(wù)理念如何幫助加速嵌入式開發(fā)。
MCU上的資源有限，可能性有限?
微控制器(MCU)具有有限的資源，這可能會限制開發(fā)和應(yīng)用的可能性。
由于它們經(jīng)常需要更多的內(nèi)存和計(jì)算能力，因此實(shí)現(xiàn)繁重的算法和功能具有挑戰(zhàn)性。你不要在42MHz，2kRAM的MCU上運(yùn)行Windows11!開發(fā)人員需要優(yōu)化他們的應(yīng)用程序，通過專門為其目標(biāo)開發(fā)來消耗更少的資源。這使得代碼不靈活或不適應(yīng)。同樣，你不能運(yùn)行Docker或任何虛擬化系統(tǒng)，因?yàn)樗苤?，你需要訪問真實(shí)的硬件，而不是虛擬的硬件。
因此，嵌入式系統(tǒng)可能需要特定的工具來跟上技術(shù)進(jìn)步并滿足用戶不斷增長的需求和期望，這可能是一個(gè)很大的缺點(diǎn)。例如，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和擴(kuò)大，對具有尖端連接和計(jì)算能力的嵌入式設(shè)備的需求肯定會更大。提高他們能力的一種方法是考慮制作在互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行的功能，但這變得很困難，因?yàn)檫B接并不總是有保證的——你可能會失去連接，或者在某些困難的情況下被禁止。
這種系統(tǒng)臨界性使得嵌入式開發(fā)人員更喜歡使用舊的但經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，以避免可靠性意外。
隨著時(shí)間的推移，MCU上有限的資源也可能使維護(hù)和更新嵌入式系統(tǒng)變得更加困難。正因?yàn)槿绱?，我們正在?chuàng)建我們的開源產(chǎn)品，以盡可能使用最少的系統(tǒng)資源。許多其他操作系統(tǒng)選項(xiàng)，如ROS，需要更多的資源，對于目前可用的最小設(shè)備來說是不夠的。
由超定制需求驅(qū)動的整體理念
事實(shí)上，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常被創(chuàng)建為針對特定目的或任務(wù)集合進(jìn)行非常專業(yè)和優(yōu)化的，這是開發(fā)如此落后的主要原因之一。這種超定制的理念導(dǎo)致一切從頭開始重新制作，并導(dǎo)致單片代碼，因?yàn)槟愕膬?yōu)先事項(xiàng)是使某些東西工作，而不是開發(fā)一個(gè)適應(yīng)的、可靠的、優(yōu)化的和可伸縮的代碼架構(gòu)。
我們經(jīng)?？吹焦I(yè)版模塊化架構(gòu)的夢想，但沒有時(shí)間這樣做——特別是因?yàn)樗赡軙p害大量工作代碼。所以最終，模塊化架構(gòu)的想法沒有實(shí)現(xiàn)。
這使得在不實(shí)質(zhì)性改變當(dāng)前系統(tǒng)的情況下整合新技術(shù)或新功能變得非常困難。這種設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致缺乏模塊化和可重用性，最終減慢了開發(fā)過程，并增加了對原始設(shè)計(jì)進(jìn)行更改時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤和缺陷的可能性。加劇這一問題的是，許多嵌入式系統(tǒng)使用專有的硬件和軟件，這可能會限制嵌入式開發(fā)開發(fā)人員對底層代碼的訪問和控制。因此，嵌入式系統(tǒng)傾向于更慢地采用新技術(shù)。它們可能不如利用更模塊化和更靈活的方法創(chuàng)建的系統(tǒng)靈活。
組件的多樣性使整個(gè)系統(tǒng)變得復(fù)雜
這些系統(tǒng)種類繁多是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展緩慢的另一個(gè)原因。嵌入式系統(tǒng)有大量的硬件和軟件組件，所有這些組件在使用前都需要仔細(xì)集成和測試。復(fù)雜設(shè)備意味著多個(gè)電路板使用專用或定制的網(wǎng)絡(luò)交換信息，有時(shí)甚至在同一產(chǎn)品中使用多種不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。同樣，所有這些都需要進(jìn)行大規(guī)模測試。
這可能是一個(gè)勞動密集型且容易出錯(cuò)的過程，會減慢開發(fā)周期，并使快速實(shí)現(xiàn)新功能或新技術(shù)變得非常困難。由于其復(fù)雜性，創(chuàng)建和管理系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榭赡苄枰囟ǖ闹R和經(jīng)驗(yàn)來理解每個(gè)組件如何作為一個(gè)整體進(jìn)行交互和運(yùn)行。
對實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求給嵌入式領(lǐng)域增加了另一層重要的復(fù)雜性。最重要的是，你不能像在正常的軟件調(diào)試過程中那樣容易地從運(yùn)行的嵌入式代碼中提取信息。事實(shí)上，同樣的人機(jī)界面在嵌入式(屏幕、鍵盤、互聯(lián)網(wǎng))中是不存在的。結(jié)果，調(diào)試和測試變得更加困難。我們看不到正在發(fā)生的事情。
像Luos這樣的方法旨在為用戶提供將系統(tǒng)活動實(shí)時(shí)視為數(shù)字孿生的能力。你可以使用Luos創(chuàng)建實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)字復(fù)制品，以測試和觀察任何潛在的問題。
讓我們將微服務(wù)的愿景應(yīng)用于這些問題
如今，嵌入式系統(tǒng)依賴于連接的子系統(tǒng)。我們稱之為網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)。但獨(dú)立的子系統(tǒng)并不意味著你不是單片的，你可能有不可能維護(hù)的單片子組件，也不直接與其他組件兼容。此外，為了連接整個(gè)系統(tǒng)的所有部分，嵌入式開發(fā)人員需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)經(jīng)過調(diào)整的通信系統(tǒng)，這可能需要花費(fèi)大量時(shí)間才能使其可靠。你可能無法將其用于其他產(chǎn)品。
由于設(shè)計(jì)更改、產(chǎn)品可用性或任何其他外部變量，這種靈活性的缺乏導(dǎo)致許多與我們互動的開發(fā)人員重做他們的整個(gè)系統(tǒng)(數(shù)月的工作)。半導(dǎo)體危機(jī)是眾多僵化舉措的一個(gè)典型例子，這些舉措僅僅因?yàn)榧嫒菪詥栴}而被迫戛然而止。
網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)可以利用許多緊湊、自主的服務(wù)來創(chuàng)建，這些服務(wù)由于微服務(wù)而易于組合和修改。我們必須把嵌入式系統(tǒng)看作一種產(chǎn)品，而不是一塊板。
近年來，微服務(wù)哲學(xué)在軟件行業(yè)越來越受歡迎，這為解決這些同樣的問題提供了補(bǔ)救措施。微服務(wù)將軟件應(yīng)用程序分離為可管理的、自包含的部分，這些部分可以獨(dú)立創(chuàng)建、部署和擴(kuò)展。因此，開發(fā)人員可以輕松地添加新功能或技術(shù)，而無需對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行大的調(diào)整。微服務(wù)的模塊化設(shè)計(jì)也使測試和實(shí)現(xiàn)新功能變得更簡單，這有助于縮短開發(fā)周期。但正如本文開頭所提到的，我們不能在嵌入式世界中使用相同的工具。像Luos項(xiàng)目這樣的開源努力正在創(chuàng)造未來所需的工具。
延遲問題
在嵌入式系統(tǒng)中使用微服務(wù)可能存在一定的延遲問題。在考慮微服務(wù)時(shí)，開發(fā)人員可能會想到管理各種服務(wù)之間通信的延遲?；谖⒎?wù)的系統(tǒng)將需要在服務(wù)之間進(jìn)行一種板間IPC(進(jìn)程間通信)，這可能會導(dǎo)致延遲。嵌入式開發(fā)人員可以通過測量延遲并使其對實(shí)時(shí)應(yīng)用程序具有確定性來管理延遲。通過使用時(shí)間戳，它將允許你以數(shù)學(xué)方式計(jì)算延遲。我們可以使用排隊(duì)和調(diào)度等策略來確保請求得到一致處理，并使延遲具有確定性。
市場需求
嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建通常是為了滿足短期需求，但需要長期維護(hù)。因此，解決某些標(biāo)準(zhǔn)可能優(yōu)先于添加可能需要一些時(shí)間才能變得必要或重要的新技術(shù)或功能。嵌入式系統(tǒng)適應(yīng)不斷變化的環(huán)境或不斷發(fā)展的需求的能力可能會受到這種對實(shí)現(xiàn)精確目標(biāo)的強(qiáng)調(diào)的阻礙。
在研發(fā)程序經(jīng)常受到限制的情況下，從長遠(yuǎn)來看，考慮一個(gè)嵌入式項(xiàng)目需要更多的時(shí)間，從而需要更多的資金。因此，嵌入式系統(tǒng)可能難以跟上技術(shù)進(jìn)步?？紤]使事物具有適應(yīng)性總是比在給定時(shí)間產(chǎn)生滿足需求的系統(tǒng)更復(fù)雜。
此外，市場需求可能會迫使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)采用同樣久經(jīng)考驗(yàn)的方法，這最終可能會使靈活性和互操作性面臨挑戰(zhàn)。
到目前為止，已有一些項(xiàng)目試圖建立一個(gè)“開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)”，但很少有項(xiàng)目能在受嵌入式系統(tǒng)影響的各個(gè)領(lǐng)域真正獲益。開源哲學(xué)可以成為一種解決方案。開源的使用保證了無論發(fā)生任何意外事件(公司崩潰或出售)，你都可以長期維護(hù)你的系統(tǒng)。它由嵌入式開發(fā)人員社區(qū)維護(hù)，可以更好地適應(yīng)你的需求，更新最新功能，并在開發(fā)方面具有靈活性。
以更可持續(xù)的方式發(fā)展
通過使用更可持續(xù)的方法，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)可以變得更加靈活和適應(yīng)性，以及更加有效和資源高效。這種方法意味著開發(fā)可根據(jù)你的需求重復(fù)使用的代碼，而不僅僅是當(dāng)前的特定項(xiàng)目。這種可重用性可以應(yīng)用于系統(tǒng)中的代碼或組件，并且應(yīng)該從可重用性的角度進(jìn)行長期考慮，而不僅僅是針對當(dāng)前的特定項(xiàng)目。
通過將你的全局系統(tǒng)劃分為小代碼塊來開發(fā)你的項(xiàng)目，也將允許隨著時(shí)間的推移進(jìn)行更好的維護(hù)。這種維護(hù)將針對系統(tǒng)的單個(gè)元件，這樣就不會改變整個(gè)系統(tǒng)的其他功能。
總結(jié)
總之，由于其復(fù)雜性、專業(yè)性以及對專有硬件和軟件的依賴，嵌入式系統(tǒng)在發(fā)展方面落后于其他技術(shù)領(lǐng)域。然而，通過使用微服務(wù)或數(shù)字孿生等方法來思考一種新的系統(tǒng)開發(fā)方式，可以幫助開發(fā)人員在日常生活中發(fā)揮作用。
利用這種微服務(wù)的理念，我們正在創(chuàng)建一個(gè)開源項(xiàng)目，以增加嵌入式系統(tǒng)的靈活性。我們創(chuàng)建的許多工具可以幫助嵌入式開發(fā)人員更快、更輕松地編寫代碼。
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