Hoe embedded development zich de afgelopen twee decennia heeft ontwikkeld

Zoals bij elk ontwikkelingsgebied, is de ontwikkeling van embedded systemen als de oceaan:diepe stromingen blijven grotendeels hetzelfde en liggen ten grondslag aan een oppervlak dat zelden voorkomt. Met het risico te verdrinken in de vergelijking, is mijn punt dat de basis van embedded ontwikkeling nu fundamenteel hetzelfde is als toen ingenieurs tuimelschakelaars op bedrade microcomputers moesten zetten om machinecode uit te voeren. Net als die technici proberen we nog steeds externe gebeurtenissen in de gaten te houden en adequaat te reageren. Hoe we daar komen, verandert voortdurend.

Op het eerste gezicht worden de hardware, software en methoden die worden gebruikt om embedded systemen te bouwen steeds beter - of in ieder geval anders. Als een soort maatstaf voor die verandering bieden de onderzoeken van Embedded uit 1999, 2009 en 2019 een momentopname van hoe embedded development zich de afgelopen twee decennia heeft ontwikkeld.

In feite weerspiegelen de vragen van elke enquête zelf een deel van die verandering. De enquête van 1999 had grote secties met vragen over cross-compilers, objectgeoriënteerde ontwerpmethodologieën en in-circuit-emulators, maar relatief weinig over besturingssystemen. In 2009 had het onderzoek die specifieke secties laten vallen en meer bevatten over multiprocessor-ontwerp, besturingssystemen en specifiek embedded Linux, maar onderwerpen als het internet der dingen (IoT) en kunstmatige intelligentie (AI) stonden bij niemand op de radar. In de enquête van 2019 toonden deze onderwerpen en samen met veiligheid zowel wijdverbreide interesse als actief gebruik.

Het is moeilijk om de details van deze enquêtes te vergelijken, omdat de onderzoeksmethodologieën in 2009 aanzienlijk veranderden. In sommige gevallen werd dezelfde algemene vraag uitgebreid naar meerkeuzevragen waarbij meer dan één antwoord was toegestaan. Dat voegt onzekerheid toe aan elke interpretatie. U zult dit zien in de bespreking van ontwerpmogelijkheden. Bovendien missen sommige van de onderstaande resultaten overeenkomstige gegevens uit de enquête van 1999, dus daarvoor ziet u alleen 2009 en 2019. Houd er ten slotte rekening mee dat de foutenmarge in de resultaten doorgaans varieert van ongeveer 3% tot meer dan 6%, dus gedetailleerde vergelijkingen zijn riskant. Ten slotte, als iemand die de droevige diepten (die metafoor opnieuw) van statistische manipulatie heeft verkend, kwantitatief onderzoek heeft gedaan en systeemprestatiebenchmarks heeft gedaan in eerdere carrières, deze cijfers zijn alleen voor amusementsdoeleinden. Ik heb ze zeker zo gevonden.

Toepassingsfocus en mogelijkheden

Hoe zijn de belangrijkste toepassingssegmenten voor embedded ontwerpen de afgelopen tien jaar veranderd? Hoewel de industrie en de consument in de top vijf bleven, beginnen ontwerpen voor auto- en IoT-toepassingen te domineren (tabel 1). Het is waarschijnlijk een veilige gok dat ontwerpt voor wat we datacomm noemden in 2009 werden ondergebracht onder communicatie in 2019.

Tabel 1:Top 5 applicatiesegmenten (% respondenten)

20092019Industrial30Industrial32Datacomm24Consumer29Consumer22IoT25Elektronische instrumenten16Communicatie19Luchtvaart16Automobiel17

Hoe is de aard van ontwerpen de afgelopen twee decennia veranderd? De enquête van 1999 stelde meerdere vragen over het inbouwen van webtechnologieën in ontwerpen. Wat vooral interessant is bij het bestuderen van de enquête van 1999, is dat 43% van de respondenten zei dat ze dat niet van plan waren, maar 14% wel. Ik weet niet wat er precies werd bedoeld met "webtechnologieën" in die vraag, maar laten we hopen dat niemand probeerde een httpd-server in hun systemen in te bedden.

Meer in het algemeen laat tabel 2 zien hoe drie belangrijke ontwerpmogelijkheden zijn geëvolueerd. De enige echte verandering was een enorme boost in verbonden ontwerpen van 35% aan het begin van het millennium tot iets meer dan 90% zelfs tien jaar geleden. (Ik zou beweren dat de onderzoeksmethodologie genetwerkt is gebleven en draadloos als potentieel uitwisselbaar, maar dat hun som statistisch hetzelfde niveau van verbonden . liet zien ontwerpen in 2009 en 2019.)

Evenzo bouwen embedded ontwikkelaars al minstens tien jaar batterij-aangedreven ontwerpen. Soms vergeet de industrie dat er een ontwerp op batterijen bestond lang vóór de opkomst van het internet der dingen en wearables.

Tabel 2:Belangrijkste ontwerpmogelijkheden (% respondenten)

199920092019networked355949draadloos n.v.t.3342op batterijen*n.v.t.3534

Programmeertaal

Het is goed om te onthouden dat C/C++ niet altijd de dominante taal was voor embedded ontwikkeling (Figuur 1). Houd rekening met enkele van de andere antwoorden die in elke enquête zijn begraven, en het is waarschijnlijk dat de opkomst van krachtigere processors de behoefte aan code op assemblageniveau heeft verminderd. Welnu, dat en het feit dat slechts ongeveer 37% van de projecten op schema binnenkwamen - een cijfer dat in 2019 niet significant veranderde, ondanks de uitgesproken wens in 2009 om het ontwikkelingsproces te verbeteren (zie figuur 6 hieronder).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1:Topontwikkeltalen (% respondenten).

Tegen het einde van 2009 begonnen open source besturingssystemen (OS) het gebruik van een commercieel besturingssysteem te vervangen. In 2019 zette die trend zich voort. Wat hier interessant is, is dat de verplaatsing van het commerciële besturingssysteem niet alleen te wijten was aan de opkomst van open-source besturingssystemen. Aangepaste/in-house besturingssystemen werden ook steeds vaker gebruikt (Afbeelding 2).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 2:Type besturingssysteem (% respondenten).

Processorarchitectuur

Hoewel het gebruik van 32-bits architecturen de afgelopen tien jaar hetzelfde is gebleven, is de 64-bits architecturen aanzienlijk toegenomen (Afbeelding 3). Je zou vermoeden dat dit een eenvoudige evolutionaire trend is, aangezien ontwikkelaars overstappen op grotere bitbreedtes - van 8-bits naar 16-bits naar 32-bits naar 64-bits - terwijl ontwikkelaars op zoek zijn naar betere processorprestaties en efficiëntere geheugencycli, inclusief het ophalen van instructies. .

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3:Processorarchitecturen (% respondenten).

Afzonderlijke processors versus multicore-apparaten

Misschien wel de duidelijkste trend in de jaren 2010 was de ontwerpreductie van meerdere processorchips naar multicore-apparaten - van meerdere chips met dezelfde processor naar een homogeen multicore-apparaat of van meerdere chips met verschillende processors naar een heterogeen multicore-apparaat (Figuur 4).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 4:Individuele processorchips versus multicoreprocessors (% respondenten).

Bedrijfsfactoren voor processorbeslissingen

De primaire factor die de processorkeuze aanstuurt, is in twee decennia niet veranderd (Figuur 5). De beschikbaarheid van softwareontwikkelingstools is nog steeds de beste keuze. Het inwisselen van machinecode op een paneel is gewoon niet iemands idee van een goede tijd. Wat hier interessant is, is dat bekendheid met de architectuur sinds het begin van het millennium aan belang heeft ingeboet, en zowel de kosten als de IO/perifere mogelijkheden zijn blijven afnemen in (relatief) belang.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 5:Verwerkerkeuzefactoren (% respondenten).

Technische uitdagingen

Tot slot, hoe zijn de percepties veranderd over de belangrijkste aankomende technologische uitdagingen? Als we kijken naar de top vijf uitdagingen die in de enquêtes van 2009 en 2019 werden genoemd, bleven integratie, codecomplexiteit en softwaretools belangrijke punten van zorg. Wat hier interessant is, is dat de uitgesproken zorgen over het ontwikkelingsproces het afgelopen decennium zijn vervaagd en in plaats daarvan zijn vervangen door zorgen over een laag energieverbruik en veiligheid. In feite vormden de toename van beveiligingsproblemen en maatregelen om bedreigingen te verminderen een groot deel van de enquête van 2019. In 2009 gaf slechts 3% van de respondenten aan dat veiligheid een punt van zorg was. Zoals eerder opgemerkt, suggereert het statistisch vergelijkbare lage percentage van de tijdige prestaties van projecten in 2009 en 2019 dat de verschuiving in het relatieve belang in 2019 met betrekking tot het ontwikkelingsproces minder te maken heeft met enig schijnbaar succes in dat opzicht en meer te maken heeft met de opkomst van meer kritische zorgen.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 6:Toptechnologie-uitdagingen (% respondenten).

Dus wat betekent dit allemaal voor de jaren 2020?

We zouden uit deze resultaten kunnen extrapoleren om te suggereren dat zaken als softwareontwikkelingstools en het beheren van codegrootte belangrijk zullen blijven, en dat processorkenmerken zoals prestaties en randapparatuur relatief belangrijk zullen worden. Aan de andere kant lijkt de opkomst in de jaren 2020 van slechts een paar nieuwe technologieën, zoals no-code ontwikkelingstools, kwantumcomputing en AI-kernen die in het veld trainbare neurale netwerkmodellen ondersteunen, aanleiding te geven tot een dramatische verschuiving in ontwerpuitdagingen. Maar zullen ze dat doen?

Geïntegreerde systemen zullen nog steeds tools nodig hebben om code te schrijven (of te genereren) en zullen dit waarschijnlijk ook moeten doen voor complexere heterogene hardware-ontwerpen met meerdere processors. Die ontwerpen zullen nog steeds moeten communiceren met de fysieke wereld, maar de aard van interfaces kan verder weg gaan van bedrade interfaces van sensoren of samenwerkende peer-apparaten. De vraag naar meer functionaliteit zal blijven toenemen, waardoor de behoefte aan meer prestaties en verbeterde mogelijkheden van hardware die meer geavanceerde applicaties kan draaien, toeneemt. Uiteindelijk zullen embedded systeemontwerpen voor dit nieuwe decennium nog steeds efficiënter moeten communiceren met gegevensbronnen, complexere code moeten uitvoeren met minimale latentie en moeten omgaan met meer geavanceerde beveiligingsbedreigingen - terwijl ze tegelijkertijd minimale stroom verbruiken van ultralage stroombronnen. We zullen waarschijnlijk heel verschillende benaderingen gebruiken, maar de doelen blijven hetzelfde.

Bekijk de drie hier genoemde onderzoeken voor 1999, 2009 en 2019 en vertel ons eigen conclusies of voorspellingen in de opmerkingen hieronder.