來源 | 圓錐的布袋

俗話說，只會(huì)寫代碼的工程師不是好的工程師，這句話不是沒有道理的，初學(xué)者可能不理解，但過來的老司機(jī)肯定知道。 一款產(chǎn)品如果需要長期維護(hù)、銷售，肯定避免不少開發(fā)文檔。這里給大家講述一下開發(fā)嵌入式產(chǎn)品常見的文檔：

1)產(chǎn)品需求文檔：描述產(chǎn)品的特性

2)功能需求文檔：描述產(chǎn)品必須具備的功能

3)工程說明文檔：描述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法和滿足需求的手段

4)硬件說明文檔：對有關(guān)硬件進(jìn)行描述

5)軟件或固件說明文檔：描述特定處理器下設(shè)計(jì)微程序以及固件的方法

6)測試說明文檔：描述必須測試的項(xiàng)目和驗(yàn)證系統(tǒng)正常運(yùn)行的方法

一 需求定義

需求定義用來描述產(chǎn)品的基本功能，對于公司來說，需求一般由該公司的市場銷售部門或該公司的主要客戶來制定;而對小公司或愛好者(就像armjishu.com里的愛好者一樣)，技術(shù)人員可以自己負(fù)責(zé)定義需求，并撰寫成文檔。

通常需求定義是圍繞以下幾個(gè)因素而來：

1)系統(tǒng)的用途(定義需要系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各種功能)

2)實(shí)際輸入輸出是何種方式實(shí)現(xiàn)的(為元器件的選型做參考)

3)系統(tǒng)是否需要操作界面(涉及軟件層操作系統(tǒng)的選型)

其實(shí)對小型的嵌入式產(chǎn)品來說，定義需求是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樾枨笄宄耍涂梢员苊夂罄m(xù)開發(fā)過程中出現(xiàn)的諸如隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)容量不足或所選的CPU速度不能滿足處理的需要等一系列問題。

下面舉個(gè)簡單的實(shí)際例子，供大家來參考：

系統(tǒng)描述：用于從化溫泉的水泵換水系統(tǒng)電源輸入：使用來自于變壓器的9V~12V直流電水泵功率：375W。

1)使用單相交流電機(jī)，由機(jī)械電氣進(jìn)行控制

2)如果溫泉池處于低水位，則輸入開關(guān)閉合信號(hào)，以禁止水泵繼續(xù)運(yùn)行

3)用戶可以自由設(shè)置水泵運(yùn)行或關(guān)閉的時(shí)間長度

4)除了自動(dòng)設(shè)置控制外，還需要提供一種人工裝置來允許維護(hù)人員靈活控制水泵進(jìn)行維修

5)水泵開啟/關(guān)閉/人工干預(yù)的時(shí)間可以30分鐘為單位，在30分鐘到23小時(shí)的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)

6)顯示設(shè)備可以指示水泵的開關(guān)狀態(tài)，剩余時(shí)間，以及水泵是否處于人工干預(yù)模式

7)具備監(jiān)視低水位的功能，并顯示在屏幕上

如果需要商用，那么除了上面給出的功能要求外，其設(shè)計(jì)文檔中還要包括電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)認(rèn)證、安全認(rèn)證以及使用環(huán)境(包括環(huán)境溫度、濕度、鹽霧腐蝕等)等方面的需求。

實(shí)際上，以上的需求確定之后，接下來就是要考慮選擇一款合適的CPU來滿足和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，那么我們就要將上述7點(diǎn)用戶能夠理解的需求轉(zhuǎn)化成我們專業(yè)領(lǐng)域的需求，轉(zhuǎn)化如下，大家可以參考一下：

a.處理或更新輸入輸出信號(hào)的速率究竟需要多快?

解釋：目前嵌入式處理器的主頻一般都在幾十兆到幾百兆不等，單片機(jī)的主頻一般是幾十兆，Arm處理器可以到幾百兆;我們主要看這個(gè)產(chǎn)品是否需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，或是否需要對緩沖區(qū)進(jìn)行頻繁操作，是否有類似的占用CPU資料的工作要做，這就決定我們要選擇一款合適的處理器來讓該產(chǎn)品得到最佳的性能。

b.是否可使用單片集成電路(專用IC)或FPGA來完成數(shù)據(jù)處理?

解釋：如果可以的話，就不一定要選擇處理器來做，用這些專業(yè)芯片就能替代。

c.系統(tǒng)是否有大量的用戶輸入輸出操作(如對開關(guān)和顯示設(shè)備進(jìn)行頻繁操作)?

解釋：如果有的話，要在處理器選型的時(shí)候考慮這些因素，選擇一款能夠滿足以上要求的CPU。

d.系統(tǒng)與其他外部設(shè)備之間需要使用何種接口?

解釋：這也是需要評(píng)估處理器的一個(gè)關(guān)鍵問題，選擇具備這些接口功能的處理器會(huì)方便于我們的電路設(shè)計(jì)以及軟件編程。

e.設(shè)計(jì)完成后是否有可能需要進(jìn)行改動(dòng)，或在設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)需求是否可能出現(xiàn)變化?我們的設(shè)計(jì)是否能適應(yīng)系統(tǒng)需求的變化?

解釋:要避免選擇的處理器剛好滿足當(dāng)前要求，這樣當(dāng)以后事務(wù)要求逐漸提高，處理器性能如果還有一定空間的話，那么就可以重用目前的產(chǎn)品;第二個(gè)就是要選擇不會(huì)即將停產(chǎn)的芯片，很多處理器用得很廣乏，可以借鑒的資料也很多，但是很可能這款芯片已經(jīng)在市場上流行很長時(shí)間了，芯片廠商已經(jīng)推出更新?lián)Q代的替代品了，如果你選擇了這款芯片，很可能1，2年后就買不到這款處理器芯片了，導(dǎo)致不得不重新選擇新的處理器，重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這樣的既耗費(fèi)時(shí)間，金錢，更消耗人力，延誤市場的戰(zhàn)機(jī)。

二 處理器的選擇

2.1 需要使用的I/O管腳數(shù)量

多數(shù)處理器都是使用內(nèi)存和外部管腳來控制輸入輸出設(shè)備的，通常處理器都會(huì)有內(nèi)置ROM和RAM的，如果內(nèi)置的內(nèi)存就已經(jīng)滿足需要，那么處理器就可以節(jié)省產(chǎn)生引用外部存儲(chǔ)器信號(hào)的引腳，這樣處理器可為輸入輸出提供較多的設(shè)備管腳(某些處理器支持外部RAM或ROM的使用，但對外部存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問時(shí)，處理器一般需要占用8條到10條I/O管腳)。

還有，有些處理器帶有專用的內(nèi)部定時(shí)時(shí)鐘，這類時(shí)鐘也需要使用一個(gè)端口管腳來實(shí)現(xiàn)某些定時(shí)功能;某些處理器中還具有漏極輸出和高電流輸出能力，可以方便的直接驅(qū)動(dòng)繼電器或電磁鐵線圈，而不再需要額外驅(qū)動(dòng)硬件的支持。

當(dāng)對處理器I/O管腳進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，我們一定要把使用處理器內(nèi)部功能(如串行接口和定時(shí)器等)時(shí)限制使用的某些管腳考慮在內(nèi)。

2.2 需要使用的接口數(shù)量

嵌入式處理器的主要功能是與應(yīng)用環(huán)境中的硬件進(jìn)行交互操作，這不僅需要外部硬件對接口具有實(shí)時(shí)處理能力，而且還要求處理器必須以足夠快的速度對接口數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。

舉例來說，AT91RM9200是ATMEL公司出品的一款工業(yè)級(jí)Arm9微處理器，它基于Arm920T核心，處理速度可達(dá)200MIPS，同時(shí)處理器內(nèi)部配置了USB、Ethernet、支持RS485的紅外串口、IIC、SPI、SSC等輸出接口，其目的是更方便的利用這些接口開發(fā)出嵌入式產(chǎn)品。

需要注意的是，由于許多處理器具有的局限性沒有在處理器技術(shù)資料中給予足夠的說明，因此一定要仔細(xì)閱讀處理器的指標(biāo)說明。例如，在閱讀資料的過程中發(fā)現(xiàn)，該資料可能會(huì)說明其串行接口可以在最高波特率下工作，但仔細(xì)研究該處理器的指標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)并非該串口接口的所有操作模式都可以在最大波特率下運(yùn)行。

深入了解并明確接口要求的方法：可以自己動(dòng)手編寫一些程序來對接口進(jìn)行實(shí)際測試，以確認(rèn)某種處理器是否可以滿足應(yīng)用的要求;因?yàn)?，確認(rèn)某個(gè)處理器是否可以滿足接口要求并非是一件簡單的任務(wù)。

2.3 需要使用的內(nèi)存容量

決定內(nèi)存容量的大小是嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)基本步驟，如果對所需內(nèi)存容量估計(jì)過高，那么我們就有可能會(huì)選擇成本較高的解決方案;反之，如果低估了所需內(nèi)存容量，就有可能因系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)而導(dǎo)致項(xiàng)目不能按時(shí)完工。

a.RAM和ROM的區(qū)別：

存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)兩種。其中ROM通常用來固化存儲(chǔ)一些生產(chǎn)廠家寫入的程序或數(shù)據(jù)，用于啟動(dòng)電腦和控制電腦的工作方式。而RAM則用來存取各種動(dòng)態(tài)的輸入輸出數(shù)據(jù)、中間計(jì)算結(jié)果以及與外部存儲(chǔ)器交換的數(shù)據(jù)和暫存數(shù)據(jù)。設(shè)備斷電后，RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。

b.隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)的選擇：

RAM容量的預(yù)測是比較直觀的，我們只需把所有變量數(shù)目與所有內(nèi)部緩沖區(qū)的容量以及先入先出(FIFO)隊(duì)列長度和堆棧長度直接相加，就能得到所需RAM容量的總數(shù)。

如果所需內(nèi)存容量超出這類處理器的尋址范圍，那么只能通過增加外部RAM來滿足需求;然而，增加外部RAM的同時(shí)將會(huì)占用一定數(shù)量的I/O管腳來對擴(kuò)展內(nèi)存進(jìn)行尋址，這種擴(kuò)展往往會(huì)影響到處理器來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的初衷。

需要注意的一個(gè)問題是，某些微處理器限制RAM的使用，這種限制的目的是為了借用部分內(nèi)存存儲(chǔ)器作為內(nèi)部寄存器組使用。除了以上因素外，所使用的開發(fā)語言也對所需RAM容量有一定的影響，某些效率較低的編譯程序可能會(huì)占用大量寶貴的RAM空間。

c.只讀存儲(chǔ)器(ROM)的選擇：

系統(tǒng)所需ROM的大小應(yīng)該是系統(tǒng)程序代碼與所有基于ROM的數(shù)據(jù)表容量之和。預(yù)測所需ROM空間容量比較困難的部分是預(yù)測程序代碼的長度，解決這類問題的方法只能是隨著經(jīng)驗(yàn)的逐步積累來提高預(yù)測精度。

然而，最重要的并不是精確計(jì)算程序的代碼長度，而是要清楚地估算代碼長度的上限。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果80%的ROM空間被代碼占用的話，那么就太擁擠了，除非能確保系統(tǒng)需求不會(huì)有任何變化，否則至少要為可能發(fā)生的變化保留足夠的備用ROM空間。

在多數(shù)情況下，我們可以試著在ROM中寫入一部分程序代碼，以便觀察代碼占用空間的情況，對于帶有內(nèi)部ROM的微處理器系統(tǒng)來說，系統(tǒng)程序都只能占用有限的程序存儲(chǔ)器空間。

d.經(jīng)驗(yàn)之談：

ROM與RAM使用情況相類似，程序代碼長度與所選用的開發(fā)語言有關(guān)。舉例來說，使用匯編語言編制的程序要比使用C語言編制的程序占用少得多的空間。

對于追求低成本的小型系統(tǒng)來說，一般不提倡使用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言;這是因?yàn)殡m然高級(jí)語言在使用、調(diào)試以及維護(hù)方面來的比較容易，但同時(shí)這類語言需要占用更多的內(nèi)存空間和大量的處理器時(shí)鐘周期。

如果開發(fā)語言選擇不當(dāng)，其后果可能是把一個(gè)簡單、低成本的單片機(jī)系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)需要使用配置若干兆字節(jié)RAM空間的64位嵌入式處理器系統(tǒng)。

2.4 需要使用的中斷數(shù)量

中斷的主要用途是向中央處理器通報(bào)當(dāng)前發(fā)生的某類特殊事件，這類事件包括諸如定時(shí)器超時(shí)事件、硬件引發(fā)的事件等。

需要強(qiáng)調(diào)的是，多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師經(jīng)常過多地使用中斷功能，實(shí)際上，中斷的主要作用只是中斷現(xiàn)行程序的執(zhí)行，中斷最適用于必須要求中央處理器立即提供服務(wù)的事件。

在需要設(shè)計(jì)和使用中斷的情況下，一定要首先確認(rèn)實(shí)際需要的中斷數(shù)量，然后必須考慮到系統(tǒng)內(nèi)部占用的中斷資源，如果需要使用的中斷資源超出了處理器可以接收的中斷數(shù)量，我們就應(yīng)借助于某些特殊手段來減少所需中斷信號(hào)的數(shù)量。

2.5 實(shí)時(shí)處理方面的考慮

實(shí)時(shí)處理是一個(gè)涉及范圍很廣的題目，其主要內(nèi)容與系統(tǒng)的處理速度有密切聯(lián)系，實(shí)時(shí)事件是嵌入式微處理器需要關(guān)注的主要任務(wù)。

例如：處理器跟串口進(jìn)行通信時(shí)，通常通過上層軟件(為了保證實(shí)時(shí)性，進(jìn)行任務(wù)切換的時(shí)間足夠短)，然后再占用處理器去執(zhí)行從串口拿數(shù)據(jù)的任務(wù)，并且要保證處理器的速率比串口速率快，那么處理器可以以最快的速度反應(yīng)并處理串口的相關(guān)的任務(wù)，這樣就可以達(dá)到最大的實(shí)時(shí)性;

另一方面，如果處理器本身就內(nèi)置了串口控制器、或DMA、或LCD的控制器等，那么它就可以保證直接使用這些處理器內(nèi)置的接口去控制串口、液晶屏等對象，以達(dá)到最大的實(shí)時(shí)性能。

2.6 該廠商是否提供好的開發(fā)工具和環(huán)境

選擇一款新的處理器，很可能就要使用一個(gè)新的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境，包括軟件的編譯環(huán)境等;對于開發(fā)日程安排比較緊張的項(xiàng)目來說，開發(fā)人員往往無法抽出專門的時(shí)間來研究，熟悉新的開發(fā)工具，從而也無法全面掌握開發(fā)工具的使用技巧。

并且，有的開發(fā)工具價(jià)格也比較昂貴，而且很可能只能從制造商那里購買，還有仿真工具也是需要付費(fèi)的，這些對我們在選擇一款處理器的時(shí)候，是都應(yīng)該考慮進(jìn)去的成本因素。

2.7 處理器速度方面的考慮

主要考慮幾個(gè)細(xì)節(jié)問題：

1)處理器速度與處理器時(shí)鐘之間的關(guān)系

例：單片機(jī)8031為例，由該處理器可以適應(yīng)12MHz頻率的輸入時(shí)鐘，因此就可以認(rèn)為它是一個(gè)速度為12MHz的處理器了嗎?不是，實(shí)際上，由于該處理器內(nèi)部邏輯電路執(zhí)行每條指令需要多種不同頻率的時(shí)鐘脈沖，因此該處理器內(nèi)部時(shí)鐘電路要對輸入的12MHz時(shí)鐘12分頻處理;最終為處理器提供的只是1MHz主頻。

有的時(shí)候，80MHz主頻的處理器(80MHz輸入時(shí)鐘，80MHz執(zhí)行速度)要比200MHz主頻的處理器(200MHz輸入時(shí)鐘，50MHz執(zhí)行速度)執(zhí)行速度要快得多。

2)處理器指令系統(tǒng)

如果不需要執(zhí)行復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的應(yīng)用，那么RISC指令集的處理器要快;如果執(zhí)行比較復(fù)雜的操作，則CISC指令集的處理器速度要更快。

3)芯片結(jié)構(gòu)體系

現(xiàn)在有的芯片是將多個(gè)不同功能的核封裝到一個(gè)芯片IC中，定制某種特定的功能，比如DSP，其中包括用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字解碼、乘法運(yùn)算的硬件乘法器和移相器等;然而，這類處理器也由其自身局限，往往在執(zhí)行某些普通操作之前必須要使用額外的指令來把RAM中的數(shù)據(jù)放入內(nèi)部寄存器，相比之下，一般處理器只允許對RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接訪問。

2.8 只讀存儲(chǔ)器(ROM)的選擇

多數(shù)工程項(xiàng)目在其開發(fā)階段一般使用可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)或快速存儲(chǔ)器(Flash Memory);這類可擦寫可重復(fù)寫入存儲(chǔ)器的主要優(yōu)點(diǎn)是可多次使用。一旦產(chǎn)品研制完畢，就可以用一次寫入設(shè)備(OTP)來取代EPROM存儲(chǔ)器，一次性寫入器件的外觀與封裝幾乎與EPROM完全一樣，惟一不同之處就是其表面沒有擦出窗口，并且價(jià)格要比EPROM低很多。

但是，另外一種情況，如果該產(chǎn)品今后需要升級(jí)固件，或在線編程，那么我們還是應(yīng)該選擇可擦寫可編程的存儲(chǔ)器。

還有一種是非易失的存儲(chǔ)器，例如制造一臺(tái)電視機(jī)，就有可能需要該設(shè)備具有記憶上次觀看最后一個(gè)頻道的功能，即使在切斷電源后，該頻道信息也不會(huì)丟失。

總結(jié)：所以，根據(jù)不同的產(chǎn)品選擇不同的存儲(chǔ)器也是一門很講究的學(xué)問。

2.9 電源的要求

在某些設(shè)計(jì)中方案中，電源根本不存在問題，對電源唯一的要求就是可以為電路正常供電;實(shí)際上，選擇電源主要要考慮三個(gè)方面的問題：

1)要注意設(shè)計(jì)方案中是否對電源的供電方式有所限制，例如,是否像大多數(shù)家用電器那樣需要使用屋內(nèi)墻上的電源插座供電，或是是使用USB接口供電

2)看系統(tǒng)是否需要使用電池供電方式，如果這樣，我們就要考慮選擇那種對驅(qū)動(dòng)電流要求不高的處理器，然后再為其選擇合適的電池。

3)休眠電流：許多微處理器都支持低功率運(yùn)行模式，在這種模式下，系統(tǒng)的CPU處理器將處于休眠狀態(tài)，同時(shí)所有外部設(shè)備的電源供電都被暫時(shí)切斷，以便減少系統(tǒng)的電能消耗;某些微處理器在這種方式下需要的維持電流極小，但也有一些微處理器在這種方式下并不能節(jié)省多少功率;不管怎樣，我們都要對系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)模式下的工作時(shí)間有一個(gè)估測，以便對具體情況選擇使用的電池。

總之，無論哪種情況，我們都要對系統(tǒng)需要的供電總功率做到心中有數(shù)。

2.10 設(shè)備工作環(huán)境的要求

環(huán)境要求主要內(nèi)容是考慮溫度，濕度等;如果系統(tǒng)必須在溫度范圍較大的環(huán)境下運(yùn)行，諸如用于軍事設(shè)備或汽車的控制系統(tǒng)，那么處理器可選擇的范圍就要小得多;

并且由于大范圍溫度變化的設(shè)備通常比較昂貴，因此在設(shè)計(jì)過程中就不能再根據(jù)一般工業(yè)級(jí)器件的價(jià)格來制定預(yù)算。

2.11 使用周期成本

如果我們的產(chǎn)品是mp3，在一般情況下，可以不必考慮在用戶現(xiàn)場對mp3程序進(jìn)行修改的問題，也不用為是否可以得到設(shè)備備件而著急，這是因?yàn)閙p3是一種消費(fèi)產(chǎn)品;

換句話說，如果我們的產(chǎn)品是價(jià)值幾萬塊的工業(yè)設(shè)備并且需要常年不斷地運(yùn)行，那么我們在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中就必須從長計(jì)議了：

a.首先，我們需要選擇一種處理器或存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)都可以升級(jí)的器件

b.考慮到程序升級(jí)的可能，我們還要選擇較大容量的內(nèi)存

c.最后要注意的則是所選處理器是否可以長期供貨，這一點(diǎn)的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理器的價(jià)格

除了上面的考慮之外，使用周期成本也是在設(shè)計(jì)之初要考慮的因素?？偟膩碚f，生產(chǎn)的部件越多，則可以接受的前期開發(fā)成本也就越大。如果產(chǎn)品是mp3，我們可能會(huì)選擇一個(gè)低價(jià)微處理器，同時(shí)投入一大筆錢來開發(fā)控制mp3的軟件。

但如果我們的產(chǎn)品是價(jià)格昂貴的工業(yè)用設(shè)備，那么在產(chǎn)品的使用期內(nèi)，該設(shè)備的銷售量將只有幾百臺(tái)，毫無疑問，開發(fā)這種產(chǎn)品最重要的就是降低開發(fā)成本(降低開發(fā)成本而不是硬件成本!!!);除此之外，工業(yè)產(chǎn)品的成本也不像家用電器或消費(fèi)電子產(chǎn)品那么敏感。綜上所述，開發(fā)工業(yè)產(chǎn)品當(dāng)然要選擇一種便于進(jìn)行開發(fā)并且有助于縮短開發(fā)過程的處理器。

2.12 處理器相關(guān)資料是否豐富

如果該款處理器在市場上已經(jīng)用得很廣了，那么我們可以獲取更多的相關(guān)資料，觀察人家的產(chǎn)品是如何使用處理器的，也能在網(wǎng)絡(luò)上找到不少的相關(guān)的設(shè)計(jì)資料以及相關(guān)技術(shù)主題，這樣就進(jìn)一步降低了技術(shù)門檻，確保了使用該處理器做產(chǎn)品可行性，減低了風(fēng)險(xiǎn);

反之，如果是廠商全新推出的處理器，因?yàn)槭袌錾线€沒有可以借鑒的產(chǎn)品，我們就只能從全英文的芯片手冊開始閱讀，了解這款芯片，這樣開發(fā)周期不僅變長，而且不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)也很大。

三 開發(fā)成本的預(yù)測和估計(jì)

大多數(shù)項(xiàng)目或產(chǎn)品都有專人負(fù)責(zé)預(yù)測整個(gè)過程的開發(fā)成本，對于任何項(xiàng)目來說，其開發(fā)成本主要包括人力和材料開銷。

預(yù)測開發(fā)成本在很大程度上需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這也是為什么大型公司一般指定有經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)工程師來完成這一任務(wù)的原因，除了人力和材料的開銷之外，總結(jié)下來，還有以下的開銷：

1)人力成本(開發(fā)人員、管理人員、銷售人員、其他行政等輔助人員)的開銷

2)材料(硬件物料和損耗，有時(shí)候需要投幾次PCB版才把產(chǎn)品穩(wěn)定下來)的開銷

3)開發(fā)系統(tǒng)和開發(fā)工具軟件的開銷

4)硬件工具的開銷(例如示波器、仿真器等)

對于整個(gè)項(xiàng)目來說，上述的開銷將直接可能導(dǎo)致產(chǎn)品成本增加，其中人力成本最為關(guān)鍵，尤其是在中國，呵呵。

四 產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)文檔(需要包括硬件和軟件兩個(gè)方面)

4.1 硬件文檔撰寫思路

1)首先是需求定義或產(chǎn)品規(guī)格：

如果這些是產(chǎn)品最終目標(biāo)的話，那么產(chǎn)品對硬件和軟件的要求就是技術(shù)方案的最終目標(biāo);對硬件和軟件的要求是從定義用戶界面和系統(tǒng)功能開始的。

2)其次，根據(jù)需求，系統(tǒng)整體定義文檔中給出硬件接口的具體定義：

定義硬件最有效的方法是從需求開始描述，由于硬件必須支持系統(tǒng)定義的所有功能，因此硬件定義是與系統(tǒng)說明不可分割的;

例如,我們設(shè)計(jì)一個(gè)定時(shí)器(事先需求說明定時(shí)器不能與個(gè)人電腦連接，故無法使用CRT顯示時(shí)間)，我們只有兩種選擇：一種是使用發(fā)光二極管(LED)，另一種是使用液晶顯示器件(LCD);盡管LCD的顯示效果比較好，但考慮到定時(shí)器要常年位于戶外，并且早期LCD顯示器不能在低溫下工作，最終還是選擇LED設(shè)備(這整個(gè)過程描述了我們硬件選型時(shí)的一個(gè)思路，這個(gè)是密切跟需求掛鉤的)。

3)一旦完成了系統(tǒng)整體說明文檔，就開始進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

首先要對硬件說明的內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，包括添加能讓工程師理解的設(shè)計(jì)意圖，以及軟件工程師圍繞硬件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)需要使用的硬件信息等。

完成硬件電路板說明文檔后，我們還要在該文檔中增加一個(gè)用來描述系統(tǒng)的原始要求的前言部分，包括說明方案的設(shè)計(jì)思路和方法，除此之外，還要附上軟件工程師用來對硬件進(jìn)行控制所需的各類信息，這類信息主要包括如下內(nèi)容(軟件工程所需信息)：

內(nèi)存和I/O端口地址(如果需要，還可以提供內(nèi)存映射圖)

可用內(nèi)存容量

狀態(tài)寄存器每一位的定義

每個(gè)端口管腳的用途

外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方法(例如，說明輸入定時(shí)器電路的時(shí)鐘頻率等)

其他由管軟件人員設(shè)計(jì)程序需要了解的信息

對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)來說，硬件文檔中經(jīng)常使用兩個(gè)獨(dú)立的部分來進(jìn)行說明;其第一部分用來描述硬件指標(biāo)和工作原理，第二部分則主要為軟件人員提供程序設(shè)計(jì)需要的信息。

4.2 軟件文檔撰寫思路

1、軟件文檔與硬件文檔的組織方法類似，軟件要求文檔的主要內(nèi)容則是定義軟件要實(shí)現(xiàn)的功能;一種是在簡單項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，軟件定義也可以只對一種電路板使用的軟件給予描述;對較復(fù)雜的項(xiàng)目來說，由于參與這種項(xiàng)目的軟件人員分別負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)不同硬件部分的代碼(同一電路板)，因此每個(gè)軟件人員可能會(huì)為自己的設(shè)計(jì)代碼指定不同的定義,這類軟件說明需要提供下列的內(nèi)容：

(1)論述包括需求定義、工程指標(biāo)、硬件參數(shù)等實(shí)施項(xiàng)目需要的內(nèi)容

(2)說明軟件之間、處理器之間或處理器與其內(nèi)部器件之間使用的通信協(xié)議：其內(nèi)容應(yīng)包括對緩沖區(qū)接口機(jī)制、命令/應(yīng)答協(xié)議、信號(hào)控制等協(xié)議的具體說明。

(3)借助流程圖、偽代碼或者其他可能的方法來描述軟件的實(shí)現(xiàn)方法和過程

2、軟件與硬件所考慮的不同之處(此經(jīng)驗(yàn)方便技術(shù)總監(jiān)或其他相關(guān)管理者參考，因?yàn)闊o論是多高深的技術(shù)管理者，要么是硬件出身，要么是軟件出身，要么就是非技術(shù)出身)

a.軟件的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬件，要讓軟件人員搞清楚某個(gè)軟件的內(nèi)部格式是非常困難的任務(wù)，解決的辦法：詳細(xì)定義其他程序員需要了解的編程接口具體內(nèi)容，以及其他工程人員在實(shí)施開發(fā)項(xiàng)目過程中需要使用的技術(shù)細(xì)節(jié)信息。

b.軟件工程師只有在收到硬件說明文檔后，才有可能知道如何對系統(tǒng)硬件進(jìn)行操作;而硬件人員一般不需要了解軟件程序的技術(shù)細(xì)節(jié)。

c.由于軟件易于更改，因此程序內(nèi)容經(jīng)常會(huì)按銷售人員提供的要求發(fā)生變更，在某些情況下，軟件文檔的內(nèi)容無法及時(shí)反映程序的最新變化。

d.軟件經(jīng)常是工程項(xiàng)目最后完成的部分，因此其文檔也經(jīng)常因時(shí)間不夠而欠缺完整。實(shí)際上，軟件文檔是否詳細(xì)、完整，在某種程度上是與公司或客戶的要求有關(guān)的。例如，軍事或國家工程一般要求開發(fā)商就其所有軟件實(shí)現(xiàn)的功能提供全面詳細(xì)的文檔

e.有個(gè)潛規(guī)則，對軟件的要求越復(fù)雜，則需求的正確可能性就越小，這個(gè)是經(jīng)驗(yàn)之談了，我們需要把準(zhǔn)需求這個(gè)準(zhǔn)繩來做文章，而不是陷入個(gè)人主義以及對軟件要求而憑空發(fā)揮自己不切實(shí)際的想象。

f.我們可以先硬件設(shè)計(jì)，接著圍繞該硬件編制軟件。雖然實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程可能是軟硬件并行開發(fā)，但軟件人員基本上也是圍繞著已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的硬件來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的;對于更為復(fù)雜的系統(tǒng)來說，開發(fā)過程可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)。

例如，某個(gè)項(xiàng)目的硬件工程師和軟件工程師可能會(huì)坐下來開會(huì)，共同決定使用哪種硬件來實(shí)現(xiàn)某種功能;軟件人員可能提出需要為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)口沖內(nèi)存容量，也可能要求提供某種外部設(shè)備接口，以便充分利用現(xiàn)成接口程序提供的各種驅(qū)動(dòng)代碼。

總的來說，必須在提高軟件開發(fā)效率與硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本之間進(jìn)行權(quán)衡。

五 嵌入式高手對技術(shù)的理解(含辛茹苦這么多年的精華體驗(yàn))

有很多人認(rèn)為：嵌入式系統(tǒng)性能的核心因素是軟件功能，其實(shí)，如果按照這種邏輯，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題就應(yīng)由軟件人員來負(fù)責(zé);其實(shí)這個(gè)觀點(diǎn)實(shí)際上反映了設(shè)計(jì)嵌入式產(chǎn)品時(shí)如何考慮劃分硬件和軟件各自應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，也就是這個(gè)功能是軟件實(shí)現(xiàn)，還是考慮用硬件來實(shí)現(xiàn)(硬件實(shí)現(xiàn)：需要購買處理該功能的硬件芯片，從而增加成本;軟件實(shí)現(xiàn)：無需增加硬件成本，但會(huì)占用處理器以及內(nèi)存的資源)。

例如：我們在這里設(shè)計(jì)的基于Arm的mp3嵌入式產(chǎn)品，我們可以使用專業(yè)的解碼芯片來負(fù)責(zé)mp3音樂文件的解碼和播放功能，也可以使用另一種方法來解碼mp3語音文件，讓Arm處理器利用軟件控制寄存器來驅(qū)動(dòng)耳機(jī)或音響，處理器通過對mp3語音文件解碼之后再將解碼后的數(shù)據(jù)流按照一定協(xié)議格式送給音頻輸出的硬件接口進(jìn)行播放。

優(yōu)點(diǎn)：這種方案在硬件方面節(jié)省了一個(gè)器件，降低了成本，并且該功能還方便調(diào)試(因?yàn)槭擒浖?shí)現(xiàn)的)。

缺點(diǎn)：從另一個(gè)角度來看，雖然節(jié)省了一塊語音解碼芯片，但同時(shí)要在三個(gè)方面增加成本。

首先，要在程序中增加語音協(xié)議解碼的代碼;

其次，可能要把增加ROM來存放語音解碼的協(xié)議，這樣可以增加速度;

最后，運(yùn)行該程序?qū)⒄加锰幚砥鞯臅r(shí)間和資源。

其實(shí)，話又說回來，對于本案例來說，上述成本的節(jié)約并不會(huì)引發(fā)任何問題，包括驅(qū)動(dòng)程序增加也只需少量的，我們討論這個(gè)mp3產(chǎn)品的案例的目的在于說明如何對軟件硬件的功能進(jìn)行合理劃分。

總的來說，交給軟件實(shí)現(xiàn)的功能越多，則產(chǎn)品的成本就越低，當(dāng)然這就要處理器必須有足夠的處理速度和內(nèi)存空間來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指定的功能;常言說得好，天下沒有免費(fèi)的午餐;把功能分配給軟件來實(shí)現(xiàn)，會(huì)增加軟件的復(fù)雜性、開發(fā)時(shí)間、以及程序的調(diào)試時(shí)間;然而，隨著處理器的處理能力的不斷提高，可以預(yù)見，越來越多的功能將會(huì)由軟件來實(shí)現(xiàn)。

雖然在軟件中實(shí)現(xiàn)各種功能會(huì)增加開發(fā)成本，但如果把功能移植到硬件中實(shí)現(xiàn)，則會(huì)增加產(chǎn)品的成本，這類開銷是在構(gòu)造每個(gè)系統(tǒng)組件時(shí)不可避免的。在低成本設(shè)計(jì)方案中，增加任何額外的硬件都會(huì)對產(chǎn)品成本產(chǎn)生顯著的影響，因此軟硬件功能劃分就是一個(gè)決定產(chǎn)品成本的大問題。在諸如大眾消費(fèi)產(chǎn)品這一類對成本非常敏感的設(shè)計(jì)方案中，一般都會(huì)把無法通過軟件實(shí)現(xiàn)的功能排除在外的。

審核編輯：湯梓紅