嵌入式系統的設計猶如解開一個拼圖,即使是小型的系統也充滿了細節,讓人眼花繚亂。作為開發者,你需要具備全局視野,才能辨識哪些部分的問題能夠用簡單的方法解決,哪些部分則潛藏著複雜的相依性。這時,設計的關鍵在於:不要追求一開始就完美,而是從一個「還可以」的設計開始,然後逐步改進。
為此,系統架構圖就是一個不可或缺的工具,它能幫助你視覺化整個系統並為軟體設計鋪路,或者至少能幫助你理解手上的那堆代碼。
在項目啟動初期,產品的定義通常是不穩定的。你可能會經歷多次的反覆討論,反覆修正需求和設計。
在這個階段,你會將功能草圖畫在白板上,這樣可以更好地進行軟體架構設計。與此同時,硬體工程師們也在進行類似的工作,儘管他們的焦點可能有所不同,但理想狀況下他們會和你密切合作。在經過一段時間的迭代後,你會手握一個初步的軟體架構以及硬體草圖。尤其是在你經驗尚淺的時候,很多設計項目都可能是基於現有的平台,只做少量的修改。
這樣的迭代是開發過程中不可避免的一部分,尤其是在嵌入式系統中,軟體和硬體的互動密切,任何一方的改動都可能帶來連鎖反應。因此,及早確定雙方的需求和功能,才能讓產品順利進行。
設計嵌入式系統的其中一個目標是:透過不同的視角來更好地理解整個系統,進而設計出更靈活的軟體。此時,繪製一些系統圖表會大有幫助,這些圖表能讓你具象化系統的模樣,並幫助你識別軟體的架構需求。無論是封裝、資訊隱藏,還是模組之間的良好介面,這些都是在面對變更需求和硬體限制時,設計良好系統的關鍵。
嵌入式系統強烈依賴硬體。如果硬體不穩定,那麼軟體的表現也會像是充滿錯誤且不可靠。因此,最早的設計工作應該集中在確保硬體的穩定性。這不僅有助於提高系統的可靠性,還能幫助你分離硬體變更和軟體錯誤,確保系統能夠更好地應對未來的挑戰。
許多開發者傾向於從系統功能出發,確定支持這些功能所需的硬體規格。這種方法當然沒有錯,甚至在某些情況下是更好的選擇。不過,我這裡更傾向於從低階硬體開始設計,這樣可以加強你對於硬體穩定性的重要認識。
當你選擇由下而上的設計方法時,需記住你所設計的硬體只是一種代表性的設計。儘管最終你需要深入了解硬體的具體細節,但在設計初期,你可以先假定總有某個硬體符合你的需求(比如,有某個處理器能夠完成所有任務)。這種抽象設計能讓你快速確立系統、軟體和硬體的架構,然後再深入探討細節。
針對嵌入式系統架構的硬體抽象設計,有以下一些常見的設計原則:
抽象設計的優點在於,它能讓你專注於整體架構,而不會過早陷入細枝末節。這種方法的靈活性也能幫助你在日後的開發過程中更加游刃有餘,能應對硬體或需求的變更。
嵌入式系統的設計是一個充滿挑戰的過程,它不僅需要你具備對整個系統的深刻理解,還要求你具備靈活應對變化的能力。透過系統視角的圖表,你能更好地組織設計想法,並識別潛在的問題區域。記住,設計從來不是一蹴而就的,而是逐步迭代的過程。在這個過程中,抽象硬體設計、專注硬體穩定性,以及靈活應對變化,都是設計嵌入式系統的關鍵。