隨著32位多核處理器應(yīng)用逐漸走熱，設(shè)計者正面臨著新的挑戰(zhàn)， 業(yè)內(nèi)專家指出面向角色（actor-oriented）的圖形化方法是更適合嵌入式軟件設(shè)計的工具。NI 的LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊是LabVIEW圖形化編程環(huán)境的一款全新附加模塊，通過這個軟件和圖形化系統(tǒng)設(shè)計的理念，原先無法利用到嵌入式編程的工程師們都可以進(jìn)入32位微處理器的領(lǐng)域之中。通過LabVIEW中附加的狀態(tài)圖、控制圖表、信號處理庫函數(shù)等這一完整的工具來設(shè)計它們的應(yīng)用，以解決各種問題。本文對該開發(fā)工具進(jìn)行了介紹。 

 隨著嵌入式系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，設(shè)計者正面臨著新的挑戰(zhàn)：隨著基于32位微控制器(MCU)的嵌入式系統(tǒng)的成本向16位系統(tǒng)逐步接近，在許多高級應(yīng)用中8位和16位微控制器正逐步讓位給擴(kuò)展性更佳，性能更好的32位片上系統(tǒng)（SoC）。此外，由于單純通過CPU的性能提升來增加整個系統(tǒng)的性能已經(jīng)不是一種持久的發(fā)展趨勢了，所以主要的處理器制造商已經(jīng)轉(zhuǎn)向了多核心架構(gòu)。從Dell在幾個月前推出的多處理器核心的臺式計算機(jī)，就可以看到這種趨勢。從消費者和用戶的觀點上來看，處理性能的提升是一樣的。但是，從一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的觀點來看，設(shè)計將變得更加復(fù)雜，因為您必須了解如何在多處理器環(huán)境下開發(fā)和分割您的應(yīng)用。根據(jù)十年前的估計，嵌入式系統(tǒng)的平均代碼量為10萬行。到2001年，這個數(shù)字實際已經(jīng)超過了100萬，而現(xiàn)在的數(shù)字估計為500萬。 

 現(xiàn)在我們將視線轉(zhuǎn)移到當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具上來，隨著復(fù)雜度的逐漸上升，現(xiàn)在傳統(tǒng)工具很難降低編程工作的復(fù)雜度，嵌入式領(lǐng)域需要另一種方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)不僅是工具方面的，還有解決問題的途徑：基于文本編程的嵌入式應(yīng)用開發(fā)在將來不可能解決這些問題。這已經(jīng)是許多業(yè)內(nèi)專家的共識；Edward Lee博士是加州大學(xué)伯克利分校嵌入式研究方面的領(lǐng)先者，他指出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)手段如基于文本編程和面向?qū)ο蟮墓ぞ叨茧y以用來構(gòu)建嵌入式實時系統(tǒng)，因為面向?qū)ο蠛茈y直觀地表達(dá)時間和平行性（parallelism），而時間和平行性或并行（concurrency）在現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)中是必不可少的。Lee博士提出面向角色（actor-oriented）的圖形化方法是更適合嵌入式軟件設(shè)計的工具。 

 雖然嵌入式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)峻，但是現(xiàn)在已經(jīng)有了許多解決的方向。許多供應(yīng)商采取了將底層工具的設(shè)計抽象出來的辦法。這種方法每前進(jìn)一步，都會吸引更多的用戶。另一個方向是可以更徹底地解決面臨的挑戰(zhàn)，也就是向基于平臺的工具轉(zhuǎn)移，它能夠更好地表達(dá)整個系統(tǒng)，而減少與特定硬件的相關(guān)性，這使得更多的軟件設(shè)計容易理解并被重復(fù)使用，而從基于文本的工具向圖形化工具的轉(zhuǎn)移則可以直觀地表達(dá)系統(tǒng)，并解決系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。圖形化系統(tǒng)設(shè)計（Graphical System Design）的理念就是源于這些趨勢。通過簡化嵌入式編程的復(fù)雜性，它降低了對領(lǐng)域?qū)＜以谇度胧皆O(shè)計流程中各個步驟的要求；同時提供了從設(shè)計、原型到部署的一條捷徑，使得工程師和科學(xué)家們可以更快速地進(jìn)行重復(fù)設(shè)計。 

 盡管市場上的工具都在向圖形化的方向轉(zhuǎn)變，但由于它們是針對特定領(lǐng)域特定應(yīng)用的工具，所以仍舊受到自身的限制，而這是不足以解決行業(yè)將要面臨的挑戰(zhàn)的。事實上，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)市場與八十年代早期的臺式計算機(jī)市場有很多相似之處，其中的一個特點就是非常分散?，F(xiàn)在市場所需的是一種完全的圖形化編程語言，提供足夠的靈活性和功能，以滿足更廣泛應(yīng)用的需求。因此，圖形化系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素是圖形化編程。 

 將設(shè)計方法學(xué)直接應(yīng)用于實現(xiàn) 

 自1986年誕生以來，LabVIEW圖形化編程語言已經(jīng)開始簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并在同一個平臺上提供采集、分析和顯示等功能，在使用計算能力對處理過程自動化的同時，允許在研發(fā)原型，制造和測試過程中對軟硬件的重用，彌補(bǔ)了原先因為原型、制造和測試三個步驟間因工具不同而造成的這一鴻溝。在所有涉及到數(shù)據(jù)采集和控制的領(lǐng)域里，LabVIEW圖形化方式都已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具。從那時開始，我們就一直向這個編程環(huán)境添加功能上的改進(jìn)，現(xiàn)在LabVIEW在已有的定時循環(huán)結(jié)構(gòu)上新加了硬件定時功能，它是一種表示時間和并行的語義?，F(xiàn)在，我們就可以通過點擊來設(shè)置操作系統(tǒng)優(yōu)先級，延時，循環(huán)速率等等；回想在文章前面所提到的向多處理器轉(zhuǎn)移的趨勢，現(xiàn)在我們可以憧憬使用可擴(kuò)展的直觀圖形化編程，來開發(fā)應(yīng)用，并將處理過程分配到不同的處理器上。 

 新的NI LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊（LabVIEW Embedded Development Module,）是LabVIEW圖形化編程環(huán)境的一款全新附加模塊，通過這個軟件和圖形化系統(tǒng)設(shè)計的理念，原先無法利用到嵌入式編程的工程師們都可以進(jìn)入32位微處理器的領(lǐng)域之中。通過LabVIEW中附加的狀態(tài)圖、控制圖表、信號處理庫函數(shù)等這一完整的工具來設(shè)計它們的應(yīng)用，以解決各種問題。 

 領(lǐng)域?qū)＜遥谀硞€科學(xué)或工程領(lǐng)域的專家，但不一定是嵌入式的程序員－一般使用不同的模型或工具解決他們學(xué)術(shù)上或工程上的問題。例如，開發(fā)引擎控制單元(ECU)的工程師可能使用狀態(tài)圖來對引擎控制單元的功能進(jìn)行圖形化的描述。這位工程師可能是一個控制理論方面的專家，但是卻可能沒有任何嵌入式或C編程方面的經(jīng)驗。直到現(xiàn)在，嵌入式應(yīng)用的實現(xiàn)仍然需要深入了解關(guān)于嵌入式編程工具，如C語言等方面的知識。因此，很多領(lǐng)域?qū)＜乙獙崿F(xiàn)他們的解決方案，甚至只是簡單的驗證一個概念仍然要依賴專門的嵌入式開發(fā)人員。這個存在于領(lǐng)域?qū)＜液颓度胧匠绦騿T之間的鴻溝，使得開發(fā)時間增加，而且容易在系統(tǒng)中引入錯誤。 

 LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊在設(shè)計和實現(xiàn)間的鴻溝之上架起了一座橋梁。領(lǐng)域的專家現(xiàn)在可以使用相同環(huán)境快速地設(shè)計算法，對定制的設(shè)計進(jìn)行原型設(shè)計，將他們的解決方案在所選的目標(biāo)上實現(xiàn)，并進(jìn)行調(diào)試——所有這些過程都是通過圖形化方式實現(xiàn)的。 

 開發(fā)與目標(biāo)無關(guān)的代碼 

 嵌入式目標(biāo)本身要求程序員在編寫代碼之前對目標(biāo)有深入的了解。程序需要知道板卡上各種關(guān)于內(nèi)存映射和寄存器的信息，才能在板卡上執(zhí)行他們的代碼。另外，大部分代碼是專為某一特定目標(biāo)編寫的。這樣，在一塊板卡上使用不同的微處理器或是不同的外圍設(shè)備，可能就需要重新編寫大部分已有的代碼，或是完全從頭開始。這意味著最終產(chǎn)品的擴(kuò)展性方面是有缺陷的。  

 

 
                                 圖1：LabVIEW 開發(fā)界面
 

 但是，使用LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊，工程師和科學(xué)家們不需了解最終的目標(biāo)，就可以進(jìn)行代碼開發(fā)，因為軟件生成的是LabVIEW應(yīng)用的ANSI C代碼，而不是針對某個特定目標(biāo)的二進(jìn)制代碼。LabVIEW嵌入式方式是一個開放的框架，它可以整合任意的第三方工具鏈，將生成的C代碼、LabVIEW實時庫函數(shù)和板卡支持程序包（BSP）編譯成為針對某一目標(biāo)并能在這個目標(biāo)上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼。BSP是一種作為C代碼與板上外圍硬件接口的底層代碼。因此，如果板卡需要升級，工程師可以簡單地將不同的BSP鏈接到LabVIEW中，在現(xiàn)有的圖形化代碼上作一小部分改動就可以完成。 

 與目標(biāo)無關(guān)的代碼開發(fā)意味著工程師和科學(xué)家不再需要等待硬件確定之后再開始設(shè)計算法。這樣并行的工作和效率的提升，使開發(fā)周期和產(chǎn)品上市時間大大縮短。最后，所生成的LabVIEW代碼不是針對某個特定平臺的，所以您很容易升級到新的硬件。 

 使用LabVIEW嵌入式特性縮短開發(fā)時間 

 LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊構(gòu)建在自LabVIEW誕生以來近20年的創(chuàng)新精神之上，幫助工程師和科學(xué)家們利用數(shù)百個內(nèi)建的庫函數(shù)，涵蓋高等算法、文件I/O、邏輯和信號處理各個方面。通過LabVIEW嵌入式方式 ，工程師和科學(xué)家可以使用一種叫做內(nèi)聯(lián)C節(jié)點（Inline C Node）的新特性，整合現(xiàn)有的嵌入式代碼，來保持LabVIEW的開放架構(gòu)。 

 除了用于快速調(diào)試的內(nèi)建圖形化用戶接口顯示件、探針、斷點和函數(shù)步進(jìn)之外，LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊為代碼調(diào)試提供了另外兩種無縫的接口。在嵌入式目標(biāo)平臺上，工程師可以使用“儀器調(diào)試”（instrumented debugging），以便于通過TCP/IP、RS232,或CAN進(jìn)行調(diào)試。使用內(nèi)建的片上調(diào)試接口，工程師可以通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如JTAG、BDI和Nexus等，進(jìn)行調(diào)試，同時不影響程序性能。 

 LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊使領(lǐng)域?qū)＜铱梢允褂矛F(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行更多的應(yīng)用，使用同一環(huán)境進(jìn)行算法設(shè)計、原型，實現(xiàn)他們的解決方案，極大地縮短開發(fā)時間和產(chǎn)品上市時間。 

 NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成，完成從設(shè)計、原型到部署的全過程。例如使用LabVIEW和NI 可重復(fù)配置I/O（RIO）設(shè)備或NI CompactRIO平臺，他們可以快速而便捷地創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)的原型。NI現(xiàn)有的一個成功案例就是幫助汽車控制和數(shù)據(jù)采集解決方案的提供商--Drivven公司通過NI CompactRIO對基于FPGA的2004 Yamaha YZF-R6摩托車引擎控制系統(tǒng)設(shè)計原型，他們的目標(biāo)是為基于FPGA傳動控制器提供一條無縫的從原型設(shè)計到生產(chǎn)的路徑。對于這個項目，Drivven在軟件上使用LabVIEW；在硬件上選擇了一個4插槽的NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)，因為它靈活性強(qiáng)、體積小巧而且波形因數(shù)穩(wěn)定。利用這一系統(tǒng)，他們可以在輕松地添加傳感器和激勵器的同時快速且便捷地觀察數(shù)據(jù)，除此之外，還可以在一個超級運(yùn)動型摩托車上利用的極為有限的空間放置控制器。這個項目包含三個主要的階段: 1，通過自定義I/O模塊的開發(fā)。共有三個自定義I/O模塊監(jiān)視著所有摩托車的傳感器并控制它的激勵器，此外現(xiàn)在正在開發(fā)其他的CompactRIO的模塊以用于傳動控制應(yīng)用，包括用于驅(qū)動電子節(jié)流閥的模塊和與通用的廢氣氧氣傳感器連接的模塊。2，映射工廠級ECU（Factory ECU）。把ECU數(shù)據(jù)記錄在1MB的文件上（在每分鐘一個文件的速率下高達(dá)20個文件）同時在許多種不同的節(jié)流閥位置和引擎速率（接近700個操作點）的組合下駕駛摩托車從而完整地映射了工廠級ECU（Factory ECU）的性能。駕駛員仔細(xì)地駕駛著摩托車，以盡可能的減少瞬時操作。在一輛跟隨的汽車?yán)锏墓こ處焺t周期地以無線的方式從CompactRIO接收數(shù)據(jù)文件，傳輸至一臺筆記本電腦并且立即分析這些數(shù)據(jù)以覆蓋所有操作點。一個基于筆記本電腦的NI LabVIEW應(yīng)用程序迅速地將數(shù)據(jù)分類至速度/負(fù)載操作表，與此同時濾除瞬時數(shù)據(jù)。對每一個操作點都從這些數(shù)據(jù)計算出平均和標(biāo)準(zhǔn)的偏差。在兩個小時里，這個團(tuán)隊采集了90%摩托車的操作點的數(shù)據(jù)，這對于全面理解工廠級ECU的映射是一個足夠充分的覆蓋。后來，在實驗室里，工程師又使用LabVIEW對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在圖形化地修改原始數(shù)據(jù)以填充丟失的操作點的同時提供了3維和2維的可視化信息。3，引擎控制。在最后階段，Drivven使用CompactRIO對一個研究性質(zhì)的ECU進(jìn)行原型設(shè)計，它的性能可以與工廠級ECU相媲美，但是卻提供了可以實施未來控制算法研究和開發(fā)的功能（這對使用生產(chǎn)目的的電子是不可能的）。利用CompactRIO，Drivven實現(xiàn)了許多引擎管理FPGA核，它們都具有可配置的LabVIEW FPGA圖表并放置在方框圖里。使用LabVIEW實時模塊，實現(xiàn)了速度－密度和alpha-N引擎控制策略（經(jīng)常用于高性能的賽車場合）的結(jié)合。所以說，Compact RIO和LabVIEW提供了所需的可靠性和精確的定時資源，而且這個系統(tǒng)具有足夠穩(wěn)定性來承受工作環(huán)境的高溫和高振動。如果讀者想要閱讀完整的解決方案，請訪問ni.com/china，輸入信息碼（info code）cn5k8t。 

 另外使用LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊，還可以制造嵌入式板卡并部署到任意的32位微處理器。正如LabVIEW使工程師們可以開發(fā)定制的虛擬儀器，而不再依賴供應(yīng)商定義的臺式儀器，從而在測試和測量領(lǐng)域掀起一場革命一樣，LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊使得業(yè)內(nèi)專家可以使用他們的專業(yè)知識開發(fā)嵌入式應(yīng)用，而不需要再依賴嵌入式方面的專家。  

 
            
 
                             NI嵌入式開發(fā)模塊示意圖
 
隨著嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性日益增加，圖形化方式是一個必然的趨勢，它正在對嵌入式設(shè)計進(jìn)行重新的定義，使更多的工程師可以以一種前所未有的方式使用嵌入式開發(fā)，從而使設(shè)計的速度和質(zhì)量得到提高。將分散的市場整合、采用標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)成可用的技術(shù)，并發(fā)布集成的、易用的軟硬件平臺——這就是NI多年來所持之以恒的運(yùn)營模式。圖形化系統(tǒng)設(shè)計，這是一個將嵌入式設(shè)計推向更廣大受眾的平臺，我們通過一個統(tǒng)一的圖形化工具提供這種功能，這種工具能將領(lǐng)域?qū)＜覐脑桨l(fā)復(fù)雜的嵌入式設(shè)計中解脫出來。從設(shè)計、原型到實現(xiàn)的整個過程中，使用統(tǒng)一的設(shè)計工具無疑將會大大提升整個設(shè)計過程的效率。