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MCU圖形化開發工具簡化設計流程
化繁為簡 一次搞定

【作者: 陳韋哲】   2013年09月13日 星期五

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近年來嵌入式領域迅速發展,讓嵌入式系統相關應用遍及生活無所不在,同時利用軟體來讓終端客戶產品形成差異化的情況也越來越多,在功能持續提昇的狀況下,使得嵌入式系統在開發以及軟體設計上的複雜度遠比以往增加不少。


再加上,市場對於嵌入式系統的開發週期、開發成本和產品品質要求不斷地提高,該如何為設計人員提供所需的工具以及嵌入式軟體的完整解決方案便成為一門重要的課題。


目前MCU市場主要可分成三大區塊,分別為8、16及32位元核心。隨著產品效能需求的提升以及32位MCU價位逐步逼近8、16位元,升級至32位元的趨勢已是不爭的事實。市場研究報告亦指出,32位元MCU市場的規模不僅已超越8位元MCU,其成長速度仍然持續向上攀升。


除此之外,為了因應智慧電子產品的高速發展,以及日益龐大複雜的浮點運算,使得MCU不只是朝向32位元邁進,也陸續祭出雙核、四核心晶片設計方案,好因應大量的運算處理需求。


正因為嵌入式設計方案,已經融入到人類日常生活中,無論是在行動裝置設備(智慧手機、平板電腦)或是其他數位家電,都能看到MCU產品的內嵌設計蹤跡,由於早期MCU並不需要處理高度運算,所以設計人員能夠在有限的硬體資源下,很輕鬆地針對產品功耗進行最佳化設計。然而隨著嵌入式系統應用範圍不斷地擴大與市場競爭持續加劇,高品質、低價格、上市速度快已經成為衡量一個嵌入式產品成敗的關鍵。


開發工具影響產品品質與開發週期

面對軟體的品質與安全方面需求的因素日益增長,連帶使得MCU軟體設計和測試工作也越來越沈重,意法半導體產品行銷經理楊正廉表示,在嵌入式產品的開發過程中,好的開發工具及開發環境往往直接影響嵌入式產品的開發週期和產品品質,特別是將UML設計、靜態代碼分析、動態覆蓋測試等功能進一步整合到開發工具更是必然的趨勢。


尤其32位元MCU想要提昇即時處理、乙太網路、檔案系統應用、圖像功能等效能,都與RTOS、TCP/IP、USB、CAN、GUI等重要元件密不可分,不少MCU大廠亦自行提供豐富功能的軟體庫、元件或者是支援第三方開發工具,使得具有高效且易用的嵌入式開發環境儼然成為市場的發展指標。


MCU廠商推出自家專屬開發工具

MCU廠商除了推出更具高效能及低功耗的MCU晶片產品之外,能否縮短開發時間同樣成為客戶挑選MCU的主要考慮因素之一,為了協助MCU設計人員減輕設計負擔,提供給設計人員能夠縮短開發時間的開發工具更是一大要務。對此,德州儀器亞洲區市場開發經理陳俊宏表示,目前市場上大部分的嵌入式開發環境普遍存在著兩大問題。


其一,大多的開發環境(工具)基本上都是針對特定MCU量身訂做,設計人員在開始著手設計之前,必須先學會開發環境的使用方法,才得以進行嵌入式產品開發階段,若是要求設計人員針對個別MCU學習不同開發環境的使用方法,無形中必定增加開發時間。


其二,大部分的開發環境(工具)採用文件編輯或是以C、C++語言的開發形式,不僅是對嵌入式學習的初學者增加入門難度,同時也增添開發上的困難。


對此,楊正廉表示,意法半導體推出的STM32,是採用ARM Cortex-M架構,除了可以支援標準的C/C++語言之外,更能夠與各種開發工具搭配,同時能夠自動產生精簡的C/C++程式碼,並且可產生完備開發資訊的文件檔,還能與IAR Embedded Workbench高度整合,支援多種Cortex- M評估板,協助客戶儘快達到達到即時上市(Time to Market)的目標。



圖一 : 意法半導體推出的STM32除了能夠支援使用第三方開發工具開發,亦能夠使用自家MicroXplorer圖型化開發工具。(圖/stmcu.org)
圖一 : 意法半導體推出的STM32除了能夠支援使用第三方開發工具開發,亦能夠使用自家MicroXplorer圖型化開發工具。(圖/stmcu.org)

至於在英飛凌部分,為了讓旗下XMC4000工業用微控制器系列MCU晶片產品能夠獲得全面且有效的開發支援,提供DAVE 3整合型開發平台環境來縮短設計人員開發時間。英飛凌行銷部經理黃國為表示,DAVE 3是基於Eclipse型的軟體開發平台,除了具有免費的工具鏈,更支援自動程式碼產生,因此能夠加速使用經過預先定義及測試的軟體元件(DAVE Apps)。



圖二 : 英飛凌DAVE 3開發工具基於Eclipse型的軟體開發平台,具有免費的工具鏈,並支援自動程式碼產生。(圖/www.infineonic.org)
圖二 : 英飛凌DAVE 3開發工具基於Eclipse型的軟體開發平台,具有免費的工具鏈,並支援自動程式碼產生。(圖/www.infineonic.org)

黃國為進一步解釋,相較於提供程式庫和程式碼範例的傳統工具,DAVE應用程式較為抽象,能透過圖形結合多個DAVE應用程式,並自動致能且對應到晶片上可用的硬體資源,使其不會產生相互衝突。


而德州儀器所開發的CCS(Code Composer Studio)除了是一套完整的DSP整合開發環境,同樣也是目前使用最為廣泛的DSP開發軟體之一,透過整合式可視化代碼編輯介面,讓設計人員能夠直接編寫C、H和CMD文件。



圖三 : 德州儀器的Code Composer Studio開發工具,目前使用最為廣泛的DSP開發軟體之一。(圖/ti.com)
圖三 : 德州儀器的Code Composer Studio開發工具,目前使用最為廣泛的DSP開發軟體之一。(圖/ti.com)

陳俊宏表示,目前所有的TI DSP都可以使用該CCS開發工具來設計開發。在CCS開發工具中,不僅整合了常用的開發工具,更提供了DSP/BIOS開發工具,能夠加強對代碼的即時分析能力,方便管理或使用系統資源,大幅減低開發人員對硬體資源熟悉程度的依賴性。


除此之外,有鑑於開源Eclipse框架正迅速成為IDE的行業標準,開發設計人員通過該架構可以充分利用現有的Eclipse社群,以及各種第三方外掛程式的高度整合特性,來加速完成嵌入式設計的問題解決與問題分析。


第三方開發工具仍是市場主流

即便各家MCU廠商力推自家的開發工具,但第三方的IDE開發工具(IAR以及KEIL)對於設計人員而言是再熟悉不過。楊正廉進一步表示,IAR以及KEIL所推出的開發工具不僅能夠支援從8、16位元直至ARM 32位元 MCU的開發設計,而IAR的ISO/ANSI C/C++編譯器除了能夠產生出精簡、快速的代碼,亦具有支援擴展嵌入式C++特性。



圖四 : 第三方開發工具仍是市場主流(圖/cdn.energymicro.com)
圖四 : 第三方開發工具仍是市場主流(圖/cdn.energymicro.com)

至於KEIL自從被ARM公司收購以後,設計人員在IDE中能夠直接使用ARM的工具鏈,並具有強大的軟體模擬功能,對於習慣使用ADS的工程師來說,KEIL是個不錯的選擇,因為代碼基本不需要修改,只需要在KEIL中重建工程,即可實現平台的轉換移植。就目前來看,相較於MCU廠商所推出的開發工具,這些第三方開發工具仍然是市場的主流。


開發工具朝向全圖形化介面

MCU與第三方開發工具廠商,除了分別提供易用的開發工具來大幅縮減設計人員的開發設計時程,以及幫助開發人員更深入的理解MCU,為了能夠讓入門的初學者以及吸引更多的客戶可以加快腳步進入MCU的設計殿堂,各家MCU廠商競相導入圖形化(GUI)開發工具。畢竟在這講求圖形化介面的科技時代,沒有圖形化的開發工具,開發人員可能需要耗費相當冗長的時間去調整測試相關配置。


楊正廉表示,當設計人員在評估新的嵌入式設計MCU平台時,開發人員可以優先選擇具有圖形化(GUI)開發工具的解決方案,新一代基於GUI的軟體工具可以幫助開發人員快速、輕鬆的配置32位元MCU接腳和周邊,以便開發工具能簡化並且自動進行原型和配置步驟,進而縮短產品上市時間。


透過圖形化開發工具,當發生設計錯誤時能夠自動突出顯示,好讓開發人員可以把精力和時間全心投入於進階開發,而不是反覆調整測試。陳俊宏表示,特別是在配置MCU週邊設備方面,可說是開發人員必須面對的另一個夢魘,如果沒有軟體配置工具的協助,取而代之的將會是繁瑣的過程。


透過圖形化對話框,除了能夠讓設計人員直觀方便以及免除編寫百行以上程式碼之苦,不僅可以快速產生啟動代碼節省時間,更能提高開發效率,可說是新手最友善的開發工具。


結論

綜觀上述,不論是MCU廠商自行推出的開發工具抑或是第三方開發工具,均已逐步導入圖形化設計介面來輔助設計人員縮短開發時間,以及簡化設計步驟。縱然市場上出現兩派說法,一方認為全圖形化開發工具是未來趨勢,另一方則認為圖形化開發工具僅是設計入門者的「帶路雞(台語)」。


圖形化開發工具基本上雖然可以滿足中低階MCU相關應用的開發需求,但仍無法勝任高階MCU產品開發的重責大任,楊正廉預估2015年圖形化開發工具才會是綻放的元年。


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