一場悄無聲息的革命已經發(fā)生在電子硬件設計領域。隨著硅集成的持續(xù)（由摩爾定律經濟學推動），工程師們逐漸從主要在組件和電路級別進行開發(fā)轉向更多地使用電路板、模塊和子系統(tǒng)。

其好處是電子設計效率的顯著提高。這種轉變現(xiàn)在正在軟件中復制，開發(fā)人員希望更多地使用可重用的模塊，而不是主要依賴于他們自己編寫的代碼行。

向模塊化設計的轉變有許多優(yōu)點。一個是更大的能力來分享規(guī)模經濟，這些規(guī)模經濟來自使用吸引許多客戶的平臺。工業(yè)用戶在模塊化硬件方面有著悠久的歷史。Versa 模塊歐洲卡 （VME） 和 CompactPCI 標準為在小批量市場工作的集成商和原始設備制造商 （OEM） 提供了使用高性能計算的能力。他們可以對計算機的功能進行更廣泛的定制，而無需在高端印刷電路板（PCB）設計上投入時間和精力。從那時起，摩爾定律在功能方面取得了令人難以置信的收益，同時也降低了單個零件的成本。樹莓派單板計算機就是一個關鍵的例子。

經濟高效的現(xiàn)成硬件

通過利用智能手機片上系統(tǒng)（SoC）平臺帶來的規(guī)模經濟，Raspberry Pi背后的聯(lián)盟已經能夠提供比最初為教育用途而創(chuàng)建的設計更有效的產品。硅供應商產生的非經常性工程（NRE）成本很容易被主要目標市場吸收，為Raspberry Pi的目標用戶提供更大的價值。這種成本優(yōu)勢被傳遞到工業(yè)部門。集成商和 OEM 利用樹莓派平臺的模塊化，使用 HAT 擴展總線添加自己的自定義接口模塊。

Pi 模塊的使用使工程團隊不必采購類似的組件并將其設計到自定義 PCB 上。與創(chuàng)建前端 HAT 模塊相比，這些通常需要更耗時的信號完整性和功能檢查。通常，這些定制模塊可以使用相對簡單的兩層或四層PCB。

現(xiàn)成軟件模塊的出現(xiàn)

模塊化軟件的類似趨勢也出現(xiàn)了。工程師現(xiàn)在可以專注于應用程序的元素，他們可以增加價值。這一趨勢不僅受到規(guī)模經濟和一些供應商有效攤銷NRE的能力的推動，還受到網絡集成和服務驅動型商業(yè)模式的更大趨勢的推動。嵌入式系統(tǒng)今天通常不完整，除非它構成更大的系統(tǒng)系統(tǒng)（如物聯(lián)網（IoT））的一部分。在此環(huán)境中，設備可用于幫助提供一項或多項服務，其中許多服務將在用于支持它們的硬件的生命周期內進行更改。物聯(lián)網和云的這種結合正在產生利用這些功能的新業(yè)務模式，例如軟件即服務（SaaS）和按使用付費。靈活性已成為這種商業(yè)環(huán)境中的一個關鍵標準：推動實施者尋求更多的模塊化結構。

模塊化從操作系統(tǒng)開始。操作系統(tǒng)支持對構建靈活的模塊化環(huán)境至關重要的抽象。通常，操作系統(tǒng)提供一組服務，從簡單的輸入/輸出到完整的網絡堆棧，所有這些都通過一組記錄在案的應用程序編程接口 （API） 進行訪問。只要服務繼續(xù)支持 API，提供它們的代碼就可以更改，而不會影響使用這些 API 的應用程序。對于許多微控制器開發(fā)工具附帶的簡單實時調度程序FreeRTOS［1］，以及用于商業(yè)和更復雜的RTOS實現(xiàn)，例如風河的VxWorks［2］，都是如此。VxWorks 為嵌入式操作系統(tǒng)設定了行業(yè)標準，為一些最關鍵的基礎設施和設備提供支持。

Linux和其他操作系統(tǒng)可以通過使任務彼此隔離來使內存管理更進一步。簡單RTOS結構的一個可能問題是它們在完全未分區(qū)的內存空間中運行。一個任務中的 Bug 或惡意行為可能導致數(shù)據(jù)和代碼在另一個任務中被意外覆蓋，從而導致系統(tǒng)崩潰或其他意外結果。Linux 使用虛擬尋址（由硬件內存管理單元調解）來防止任務訪問彼此的內存空間。它們只能通過基于這些 API 構建的操作系統(tǒng) API 或應用程序間協(xié)議進行交互。

虛擬內存尋址不是任務隔離的絕對要求。一些微控制器架構，包括Arm Cortex-M和Cortex-R系列的幾個成員，可以在平坦的內存空間中實施內存保護。Arm 還在其許多處理器中提供了 Trustzone 安全軟件模式，從而可以將敏感軟件與用戶級任務隔離開來。通過這種保護，可以更輕松地將自定義代碼與為應對常見任務而開發(fā)的越來越多的現(xiàn)成軟件模塊相結合。

開源和專有功能的集成

如今，工程師可以通過Github，Sourceforge［3］和其他服務訪問一系列免費的開源軟件模塊和協(xié)議棧。我們還提供商業(yè)堆棧，為安全關鍵型應用［4］提供更大的支持，附加功能或認證。硅制造商提供的參考設計通常會結合一系列開源和專有功能，使客戶更容易構建原型到完整的產品實現(xiàn)。在某些情況下，參考設計實現(xiàn)了一個完整的應用程序，最終用戶可以根據(jù)自己的需求進行調整。

一些系統(tǒng)設計人員正在利用軟件日益增長的模塊化來構建開發(fā)環(huán)境，以調整參數(shù)并自動生成代碼。這些工具通常使用開發(fā)人員在圖形用戶界面上組裝的軟件的基于塊的表示形式。一個例子是微芯片的MPLAB代碼配置器，用于PIC8、PIC16和PIC32微控制器系列。

機器學習和圖像處理等高級應用程序是用戶可以從專家的高額NRE投資中受益的領域，并避免了如果用戶必須從頭開始構建此類軟件所需的多年開發(fā)時間。Caffe、PyTorch 和谷歌的 Tensorflow 使得構建、訓練和調整可輕松集成到嵌入式處理管道中的復雜人工智能 （AI） 模型成為可能。對于圖像處理，OpenCV是一個廣泛使用的庫，可以很容易地集成到實時應用程序中。隨著機器學習的興起，當今越來越普遍的使用模型是OpenCV在將圖像數(shù)據(jù)傳遞到使用Caffe或Tensorflow構建的AI模型之前預先處理圖像數(shù)據(jù)，自定義代碼主要用于提供對模型檢測到的事件的實時響應。

將所有內容整合在一起

開發(fā)人員現(xiàn)在可以訪問面向云的軟件模塊和工具，這些模塊和工具可輕松與常見網絡堆棧和RTOS實現(xiàn)集成。這使得不同復雜程度的嵌入式系統(tǒng)能夠集成到物聯(lián)網中。例如，安富利的物聯(lián)網連接?平臺［5］為人工智能等復雜任務提供基于云的處理。由于系統(tǒng)由云和嵌入式設備軟件服務定義，亞馬遜網絡服務和微軟Azure等云提供商現(xiàn)在提供了一系列將兩者結合在一起的產品：所有這些都利用了他們使用的軟件組件的模塊化。

模塊化正在改變嵌入式軟件工程師所需的技能。責任的平衡正在從代碼開發(fā)轉向基于預先存在的模塊構建靈活架構的能力，這些模塊允許在部署新服務時輕松進行自定義編碼和運行時配置。通過利用這種模塊化，OEM和系統(tǒng)集成商可以輕松跟上客戶需求的步伐，而傳統(tǒng)方式根本無法想象。

審核編輯：郭婷