如何使用LabVIEW開發(fā)基于32位處理器的嵌入式系統(tǒng)？

隨著32位多核處理器應(yīng)用逐漸走熱，設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)軟件和圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念，原先無(wú)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(hào)處理庫(kù)函數(shù)等這一完整的工具來(lái)設(shè)計(jì)它們的應(yīng)用，以解決各種問題。本文對(duì)該開發(fā)工具進(jìn)行了介紹。

隨著嵌入式系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)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(jí)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(lái)增加整個(gè)系統(tǒng)的性能已經(jīng)不是一種持久的發(fā)展趨勢(shì)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(gè)月前推出的多處理器核心的臺(tái)式計(jì)算機(jī)，就可以看到這種趨勢(shì)。從消費(fèi)者和用戶的觀點(diǎn)上來(lái)看，處理性能的提升是一樣的。但是，從一個(gè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的觀點(diǎn)來(lái)看，設(shè)計(jì)將變得更加復(fù)雜，因?yàn)槟仨毩私馊绾卧诙嗵幚砥鳝h(huán)境下開發(fā)和分割您的應(yīng)用。根據(jù)十年前的估計(jì)，嵌入式系統(tǒng)的平均代碼量為10萬(wàn)行。到2001年，這個(gè)數(shù)字實(shí)際已經(jīng)超過了100萬(wàn)，而現(xiàn)在的數(shù)字估計(jì)為500萬(wàn)。

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(lái)，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(lái)應(yīng)對(duì)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(lái)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(shí);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(lái)構(gòu)建嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，因?yàn)槊嫦驅(qū)ο蠛茈y直觀地表達(dá)時(shí)間和平行性(parallelism)，而時(shí)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(jì)的工具。

雖然嵌入式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)越來(lái)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(jì)抽象出來(lái)的辦法。這種方法每前進(jìn)一步，都會(huì)吸引更多的用戶。另一個(gè)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(tái)的工具轉(zhuǎn)移，它能夠更好地表達(dá)整個(gè)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(jì)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(jì)(Graphical System Design)的理念就是源于這些趨勢(shì)。通過簡(jiǎn)化嵌入式編程的復(fù)雜性，它降低了對(duì)領(lǐng)域?qū)＜以谇度胧皆O(shè)計(jì)流程中各個(gè)步驟的要求;同時(shí)提供了從設(shè)計(jì)、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(jì)。

盡管市場(chǎng)上的工具都在向圖形化的方向轉(zhuǎn)變，但由于它們是針對(duì)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(shí)上，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)與八十年代早期的臺(tái)式計(jì)算機(jī)市場(chǎng)有很多相似之處，其中的一個(gè)特點(diǎn)就是非常分散。現(xiàn)在市場(chǎng)所需的是一種完全的圖形化編程語(yǔ)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(jì)的關(guān)鍵因素是圖形化編程。

將設(shè)計(jì)方法學(xué)直接應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)

自1986年誕生以來(lái)，LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言已經(jīng)開始簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并在同一個(gè)平臺(tái)上提供采集、分析和顯示等功能，在使用計(jì)算能力對(duì)處理過程自動(dòng)化的同時(shí)，允許在研發(fā)原型，制造和測(cè)試過程中對(duì)軟硬件的重用，彌補(bǔ)了原先因?yàn)樵?、制造和測(cè)試三個(gè)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(shí)開始，我們就一直向這個(gè)編程環(huán)境添加功能上的改進(jìn)，現(xiàn)在LabVIEW在已有的定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)上新加了硬件定時(shí)功能，它是一種表示時(shí)間和并行的語(yǔ)義?，F(xiàn)在，我們就可以通過點(diǎn)擊來(lái)設(shè)置操作系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)，延時(shí)，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(shì)，現(xiàn)在我們可以憧憬使用可擴(kuò)展的直觀圖形化編程，來(lái)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(gè)軟件和圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念，原先無(wú)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(hào)處理庫(kù)函數(shù)等這一完整的工具來(lái)設(shè)計(jì)它們的應(yīng)用，以解決各種問題。

領(lǐng)域?qū)＜?在某個(gè)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(lái)對(duì)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(gè)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(yàn)。直到現(xiàn)在，嵌入式應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)仍然需要深入了解關(guān)于嵌入式編程工具，如C語(yǔ)言等方面的知識(shí)。因此，很多領(lǐng)域?qū)＜乙獙?shí)現(xiàn)他們的解決方案，甚至只是簡(jiǎn)單的驗(yàn)證一個(gè)概念仍然要依賴專門的嵌入式開發(fā)人員。這個(gè)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(shí)間增加，而且容易在系統(tǒng)中引入錯(cuò)誤。

LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊在設(shè)計(jì)和實(shí)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(jì)算法，對(duì)定制的設(shè)計(jì)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，將他們的解決方案在所選的目標(biāo)上實(shí)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(shí)現(xiàn)的。

開發(fā)與目標(biāo)無(wú)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(duì)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。