概觀

晶片設計中將近50％的設計延遲上市或根本未能上市，將近30％則在發表後失敗。[1]這些挑戰當中大部分是因為嵌入式系統變得日趨複雜，在過去5年內程式碼平均大小增加10倍所造成的直接結果。[2]此外，隨著嵌入式系統變得越來越普及，許多機器製造者、測試工程師或是控制工程師需要嵌入式技術來開發系統，以及相關開發嵌入式系統所需要的專業知識，因此以新方法來進行嵌入式設計越來越重要。

圖形化系統設計是解決設計挑戰的革命性方式，它結合直覺式圖形化程式設計、以及具彈性的商業化立即可用（COTS）硬體，協助工程師和科學家有效率地設計、製作和架構嵌入式系統原型。採用圖形化系統設計法，亦可使用單一環境完成設計所有階段，進而提高生產力並節省成本。

嵌入式設計的圖形化程式設計

圖形化程式設計優勢

許多嵌入式系統要同時平行執行許多作業，便需具備分別特定的計時需求。就以一個控制線性平台、旋轉多個軸、控制照明並讀取視訊資料的機械控制系統為例，在此系統中必須以即時和平行的方式決定多個程序。若運用傳統文字式的工具（例如C語言）來設計這些應用程式，複雜度就會提升許多。

另一方面，LabVIEW發揮以既有功能特色為基礎，可被運用於複雜程式設計及計時模型。LabVIEW以原本的方式，使用程式碼結構來運用計時功能，將計時功能整合到程式碼中，呈現平行運算時只需要繪製另一個迴圈即可，如圖一所示。

《圖一　LabVIEW中平行計時迴圈直覺地顯示平行作業示意圖》

在文字式程式碼中運用這種程度的計時和平行運算，對於多數特定領域專家而言是一大障礙；對科學家和工程師而言，圖形化呈現可更加清楚和容易地使用。若把LabVIEW圖表延伸到包括FPGA和微處理器在內的晶片，工程師亦可看到LabVIEW使用同樣的一致性和擴充性管理晶片的平行技術。

多樣性運算模型降低設計複雜度

嵌入式系統設計的另一項關鍵需求，在於軟體平台必須能夠處理即時嵌入式設計中常見的各種運算法設計觀點。加州柏克萊大學的嵌入式軟體平台研究學者Dr. Edward Lee，將各種設計觀點稱為運算模型（models of computation）[3]。這些運算模型符合系統設計師檢視其系統的方式，協助將系統需求轉換為軟體設計時的複雜度降到最低。

在過去幾年裡，LabVIEW延伸其功能，結合多種運算模型，以期更符合嵌入式系統設計師及其多樣的技能組合需求。現在LabVIEW包含文字式數學、連續時間模擬、狀態流程圖，以及圖形化資料流模型來表現各種運算法的多樣性。LabVIEW也包含互動式工具可強化數位濾波器、控制模型以及數位訊號處理運算法的設計經驗，進一步簡化這些垂直應用程式的設計工作。這些運算法應用在具彈性的COTS硬體平台上，可大幅降低第一個原型產品開發的時間。

現成客製化原型開發平台

如前所述，許多設計延遲上市或根本沒有發表或更糟的情況，在上市後才證明設計失敗，因此必須設法更迅速地推出品質更高的產品。其解決之道方法之一便是建立更好的系統原型，盡早將真實信號和硬體整合到設計過程中，因此能夠重覆進行高品質設計，並且更早發現問題並加以修正。

如圖二所示的設計流程，LabVIEW可使用LabVIEW FPGA模組，將LabVIEW設計佈署於NI硬體中的FPGA，結合運算法設計和邏輯設計。設計者應把焦點放在硬體路徑上，尋找縮短過程的方法和效率。

《圖二　典型的嵌入式系統軟體及硬體設計流程示意圖，其顯示分離的軟體和硬體設計流程》

同時開發軟硬體有其難度

若工程師要為最後的佈署製作客製化硬體設計，同時開發軟硬體有其一定難度。因為在到達系統整合階段之前，軟體從來無法在具代表性的硬體上進行測試。此外，工程師也不希望軟體開發完全依賴理論，因為等到系統整合測試時、才將I/O加入並以真實訊號進行設計測試，可能表示工程師太晚發現問題，而且趕不上設計的時間底線。

目前大部份設計師使用類似評估的方式來製作其系統原型。但是，這些板子往往只有幾個類比和數位I/O通道，很少包含視覺、運動、或是將I/O同步化的功能。此外，設計者往往只為了完成並證明概念，就必須浪費時間開發客製板子，供感測器或專用I/O使用。

可變通的COTS原型製作平台

若改用具變通性的COTS原型製作平台，則可使過程流暢，並除去硬體驗證和機械設計所需的大量工作，如圖三所示。就像現在的PC一般，任何人都可以前往電器商店，將記憶體、主機板、週邊設備組合在一起架構一台PC，圖形化系統設計亦致力於為原型製作平台推動類似的標準化作業。

《圖三　使用圖形化系統設計並流暢化的開發流程》

對大部份系統來說，原型建立平台必須使用與最後佈署之系統相同的元件。這些元件往往是一顆即時處理器，以決定性的方式執行運算法；可程式數位邏輯則用於高速處理、或是作為處理器和其它元件的界面、以及各種類型的I/O及週邊設備，如圖四所示。最後，如同任何系統，如果現成的I/O不能滿足相關需求，此平台也在必要時有能力擴充和自訂功能。

《圖四　嵌入式系統的典型元件》

原型建立平台：以NI為例

National Instruments提供多種原型建立平台，其中NI CompactRIO包含嵌入式系統的所有基本建立元件。控制器中包含一顆32位元處理器可執行即時作業系統。CompactRIO背板上包含一顆FPGA，可以執行高速處理，實際進行組態，並提供與I/O模組的界面。I/O模組則包括類比輸入及輸出、數位輸入及輸出、以及計數器／計時器功能等選項。每一種模組都提供與感測器和致動器的直接連接功能，以及內建訊號處理和隔離。CompactRIO亦提供模組開發工具，能讓開發人員擴充平台以容納客製模組，這些都可全插入COTS框架中。

客製化佈署選項

CompactRIO不但可用於製作原型系統，也可應用於佈署。不過有些時候體積和電力的需求，可能需要更小型的客製機板設計。為了滿足此類需要，設計師可使用LabVIEW嵌入式開發模組（Embedded Development Module）來保留軟體投資，將程式碼佈署至任何32位元處理器。

LabVIEW嵌入式開發模組具備所有圖形化開發的優勢與立即可用的分析功能、整合I/O和互動式圖形化除錯等功能。此模組可以任何32位元微處理器為目標，並提供一個框架，開放整合多種現成的C程式碼、其他協力廠商提供的工具鍊及作業系統，達到客製化機板設計的目標。在整合之後，使用者可完全以圖形化及互動的方式進行應用程式除錯。藉由產生程式碼整合市場上現成的目標，使用者也因此增加目標選擇的彈性和廣度。

結論

以新方法設計電子系統的時代已經來臨。圖形化系統設計將硬體與軟體平台相結合，大幅降低開發成本以及上市時程。支援軟體平台並提供客製元件彈性的COTS硬體原型開發平台，大幅縮短製作第一款原型設計所需的時間。此外，使用真實I/O製作原型系統，也帶來更高品質的設計並降低失誤。最後，從設計、原型開發到最後佈署目標，皆可採用一致的圖形化軟體，不僅可將程式碼重複使用的比例最大化，也簡化最後佈署的轉換過程。

（本文由美商國家儀器NI提供）

＜參考資料：

[1] Embedded Software Development: Issues and Challenges. July 2003.

[2] http://www.techonline.com/community/related_content/21543

[3] Dr. Edward A. Lee, Advances in Computers (M. Zelkowitz, editor), Vol 56, Academic Press, London, 2002＞