嵌入式軟件架構設計意圖通常伴隨著基于個人經驗的假設。軟件開發人員可能會從資源受限的基于微控制器的系統的角度來看待架構設計。系統人員可能會從應用處理器的角度考慮架構。如何設計架構將取決于系統的嵌入式軟件分類。

我們可以通過多種不同的方式對嵌入式軟件進行分類。我發現有五種簡單的嵌入式軟件分類可以幫助我調整視角以最好地理解手頭的系統。

讓我們探索 5 個簡單的嵌入式軟件分類，您需要了解這些分類才能成功地交流和設計您的系統。

01.嵌入式軟件分類 – BAREMETAL

裸機嵌入式系統利用不依賴于操作系統的軟件架構。通常，裸機架構將是事件驅動的，嚴重依賴狀態機，和/或使用非常簡單的協作任務調度。開發人員需要非常了解底層處理器，因為沒有操作系統可以抽象出底層細節。

您通常會在資源受限的設備（例如 8 位、16 位和一些 32 位微控制器）上找到裸機軟件設計。但是，資源可用性不是裸機系統的限制條件。您可以設計一個裸機架構并為任何嵌入式處理器實現它。不幸的是，處理器越復雜，實現就越復雜。

對于功能有限、使用資源受限的微控制器、具有嚴格的實時要求以及對可擴展性的最低要求的產品，建議使用裸機架構和實現。

02.嵌入式軟件分類 – 實時操作系統 (RTOS)

使用實時操作系統的嵌入式軟件體系結構在過去幾年中急劇增加。基于 RTOS 的嵌入式系統通常具有比裸機架構更復雜的時序要求。RTOS 抽象出一些低級細節，例如任務調度，同時還為開發人員提供任務同步（信號量和標志）、數據保護（互斥量）和通信（隊列）的工具。

您通常會在 32 位微控制器和小型應用處理器上找到 RTOS 軟件設計。雖然您可能會在 16 位處理器上找到它們，但 RTOS 通常需要至少 24 KB 的閃存和 32 KB 的 RAM 才能有效使用。這些要求對 RTOS 的有效使用設置了下限。

RTOS 會給設計增加額外的復雜性，主要是在使用搶占式任務調度時。如果設計者不小心，就有可能導致線程饑餓、創建優先級倒置甚至死鎖。但是，RTOS 可以為您提供快速擴展系統、提高可維護性以及收集比裸機系統更復雜的系統性能的能力。

對于具有復雜時序要求、使用現代微控制器、受益于多任務處理以及需要擴展或重用應用程序部分的產品，建議使用基于 RTOS 的架構和實現。

03.嵌入式軟件分類 – “通用”操作系統

當使用足夠復雜的處理器（如應用程序處理器）時，嵌入式軟件架構可以利用整個操作系統。例如，嵌入式 Linux 可以被認為是一個完整的操作系統。我不將 RTOS 歸入此類別，因為 RTOS 與嵌入式 Linux 不同，它是一種專用的、資源受限的操作系統，。設計人員可以像開發桌面或移動應用程序那樣完全訪問庫和操作系統資源。

您通常會在 Raspberry Pi 等 32 位應用程序處理器上找到這種操作系統軟件設計。然而，這些處理器非常復雜，需要一個操作系統來管理它們的所有資源。現在，這并不意味著您不能使用裸機或使用 RTOS；它只是意味著復雜性和開發時間急劇增加。

完整的操作系統可以消除開發人員的內存限制負擔。此外，您通常可以讓非嵌入式軟件人員參與進來。對于基于操作系統構建的應用程序，軟件開發涉及的專業化知識要少得多。

對于沒有嚴格實時要求、使用現代微處理器、受益于高級抽象以及需要擴展或重用應用程序部分的產品，建議使用完整的操作系統架構和實現。

04.嵌入式軟件分類 – 容器/微服務

微服務和容器是云、移動和桌面計算中常見的設計類型。然而，他們正在迅速找到進入嵌入式系統的途徑。我將這兩者混為一談，因為它們使用的架構設計策略相似，盡管底層技術不同。

微服務

微服務將應用程序構建為一組松散耦合的服務，可獨立部署且易于維護（如果做得好）。微服務將應用程序構建為為業務領域開發的小型自治服務的集合。微服務提供具有特定功能的松散耦合服務。

資源相對受限的嵌入式系統（例如微控制器）可以運行微服務。但是，它們通常至少需要與運行 RTOS 所需的內存量相同的內存量。微服務包括服務本身、入站和出站消息隊列以及日志和狀態信息。

需要編排器和運行時環境會增加微服務設計的復雜性，必須謹慎使用您使用的資源并仔細監控系統的實時響應。然而，微服務可以提供非常可擴展的系統，易于現場維護和更新。

我建議在需要現場更新、可擴展性和現代敏捷流程并受益于分布式模型的應用程序中使用微服務。

容器

容器是一種可以承載微服務的實現范式。每個容器都是一個獨立的沙箱，可以運行一個或多個微服務。容器通常可獨立部署且易于維護。一系列容器為更廣泛的應用奠定了基礎。同樣，容器和微服務密切相關；容器為微服務運行提供了額外的隔離層。

至少需要一個現代微控制器來利用容器。每個技術供應商都略有不同，但有些供應商聲稱能夠使用與 RTOS 一樣少的內存。然而，我調查過的大多數目標物聯網應用程序預計大約有 256 KB 的閃存。

容器是一種現代架構實現，可以為嵌入式應用程序增加靈活性、可擴展性和可移植性。多年來，它們已成功用于軟件的其他領域。迄今為止最大的限制是尺寸和性能。

我建議在需要現場更新、可擴展性、額外安全性和現代敏捷流程的應用程序中使用容器。

圖 1 – 容器架構堆

05.嵌入式軟件分類 – 混合系統

混合系統同時利用多個分類。例如，您可能有一個使用嵌入式 Linux 的應用程序處理器。但是，該處理器可能有一個內置的微控制器，它使用裸機方法來管理實時響應。

混合系統允許開發人員利用多種設計方法從多種系統類型中獲益。如果不仔細管理其設計的各個部分之間的交互，這種靈活性通常會增加系統的復雜性。

對于具有復雜處理和實時要求的產品，建議使用混合架構和實現，這些產品使用多核處理器，受益于高級抽象并需要擴展或重用應用程序部分。

06.結論

嵌入式軟件系統可以分為多種類型。如何設計和構建嵌入式軟件將取決于您選擇的分類。每個分類都將規定您用來構建和實施系統的設計模式和工具。當設計或討論系統時，請先指定系統類型，然后再繼續進行設計。

審核編輯：湯梓紅