電子系統設計的模塊化

電子硬件設計領域發生了一場悄然的革命。隨著硅集成的持續發展（受摩爾定律的影響），工程師逐漸從主要在組件和電路級別的開發轉移到與板，模塊和子系統進行更多的合作。

好處是大大提高了電子設計效率。這是一種轉變，現已在軟件中復制，開發人員希望更多地使用可重用模塊，而不是主要依靠他們自己編寫的代碼行。

向模塊化設計的轉變具有許多優勢。一是通過使用吸引許多客戶的平臺來實現規模經濟中更大的分享能力。工業用戶使用模塊化硬件已有很長的歷史。Versa Module Eurocard（VME）和CompactPCI標準為在小批量市場上工作的集成商和原始設備制造商（OEM）提供了使用高性能計算的能力。他們可以對計算機功能進行更廣泛的定制，而不必在高端印刷電路板（PCB）設計上花費時間和精力。從那時起，摩爾定律在功能性方面取得了令人難以置信的增長，同時還降低了單個零件的成本。Raspberry Pi單板計算機就是一個很好的例子。

經濟高效的現成硬件

通過利用智能手機片上系統（SoC）平臺所帶來的規模經濟，Raspberry Pi背后的聯盟已經能夠提供比最初為教育目的而設計的產品更為有效的產品。硅供應商產生的非經常性工程（NRE）成本很容易被主要目標市場吸收，從而為Raspberry Pi的目標用戶帶來了更大的價值。這種成本優勢已轉移到工業部門。集成商和OEM通過利用HAT擴展總線添加自己的自定義接口模塊，來利用Raspberry Pi平臺的模塊化優勢。

Pi模塊的使用使工程團隊無需采購相似的組件并將其設計到定制PCB上。與創建前端HAT模塊所需的信號完整性和功能檢查相比，這些方法通常需要更耗時的信號完整性和功能檢查。這些定制模塊通常可以使用相對簡單的兩層或四層PCB。

現成的軟件模塊的出現

類似的模塊化軟件趨勢已經出現。工程師現在可以將重點完全放在可以增加價值的應用程序元素上。這種趨勢不僅受到規模經濟和一些供應商有效攤銷NRE的能力的驅動，而且還受到網絡化集成和服務驅動的業務模型的更大趨勢的驅動。嵌入式系統除非構成大型系統（例如，物聯網）的一部分，否則今天通常不完整。在這種環境下，可以使用設備來幫助提供一項或多項服務-其中許多服務將在用于支持這些服務的硬件生命周期內進行更改。物聯網和云的結合產生了利用這些功能的新業務模型，例如軟件即服務（SaaS）和按使用付費。

模塊化始于操作系統。操作系統支持對構建靈活的模塊化環境至關重要的抽象。通常，操作系統提供的服務范圍從簡單的輸入或輸出到完整的網絡堆棧，所有服務都可以通過一組記錄的應用程序編程接口（API）進行訪問。只要服務繼續支持API，提供它們的代碼就可以更改，而不會影響使用這些API的應用程序。隨許多微控制器開發工具一起提供的簡單實時調度程序FreeRTOS一樣，也適用于商業和更復雜的RTOS實現，例如Wind River的VxWorks 。。VxWorks為嵌入式操作系統設定了行業標準，為一些最關鍵的基礎架構和設備提供了支持。

Linux和其他操作系統可以使任務彼此隔離，從而使內存管理更進一步。簡單RTOS結構的一個可能問題是它們在完全未分區的內存空間中運行。一個任務中的錯誤或惡意行為可能導致另一任務中的數據和代碼被意外覆蓋，從而導致系統崩潰或其他不良后果。Linux使用由硬件內存管理單元介導的虛擬尋址，以防止任務訪問彼此的內存空間。它們只能通過操作系統API或基于這些API之上的應用程序間協議進行交互。

虛擬內存尋址不是任務隔離的絕對要求。一些微控制器架構，包括Arm Cortex-M和Cortex-R系列的幾個成員，可以在平面內存空間中實施內存保護。Arm還在其許多處理器中提供了Trustzone安全軟件模式，這使得將敏感軟件與用戶級任務隔離成為可能。有了這種保護，就可以將自定義代碼與為應對常見任務而開發的越來越多的現成軟件模塊結合起來變得更加容易。

開源和專有功能的集成

如今，工程師可以訪問一系列通過Github，Sourceforge和其他服務提供的免費開源軟件模塊和協議棧。還提供了針對安全性至關重要的應用提供更多支持，附加功能或認證的商用堆棧。硅制造商提供的參考設計通常會結合一系列開放源代碼和專有功能，以使客戶更容易構建原型，直至實現完整的產品。在某些情況下，參考設計會實現一個完整的應用程序，最終用戶可以根據自己的需要進行調整。

一些系統設計人員正在利用軟件不斷增加的模塊化優勢來構建可調整參數并自動生成代碼的開發環境。這些工具通常使用開發人員在圖形用戶界面上組裝的軟件的基于塊的表示形式。一個示例是Microchip的PIC8，PIC16和PIC32微控制器系列的MPLAB代碼配置器。

諸如機器學習和圖像處理之類的高級應用程序是用戶可以從專家的大量NRE投資中受益并避免如果用戶必須從頭開始構建該軟件所需要的多年開發時間的領域示例。Caffe，PyTorch和Google的Tensorflow使構建，訓練和調整復雜的人工智能（AI）模型成為可能，這些模型可以輕松集成到嵌入式處理管道中。對于圖像處理，OpenCV是一個廣泛使用的庫，可以輕松地集成到實時應用程序中。隨著機器學習的興起，當今越來越普遍的使用模型是OpenCV在將圖像數據傳遞到使用Caffe或Tensorflow構建的AI模型之前進行預處理，其中自定義代碼主要用于提供事件的實時響應。模型檢測到。

匯集全部

開發人員現在可以訪問面向云的軟件模塊和工具，這些模塊和工具可以輕松地與常見的網絡堆棧和RTOS實施集成。這使復雜程度不同的嵌入式系統可以集成到物聯網中。

模塊化正在改變嵌入式軟件工程師的必備技能。職責的平衡正在從代碼開發轉變為基于現有模塊構建靈活體系結構的能力，這些模塊允許在部署新服務時輕松進行自定義編碼和運行時配置。通過利用這種模塊化，OEM和系統集成商可以輕松地跟上客戶需求的步伐，而這是傳統方式無法想象的。