新世代嵌入式設計挑戰：產品更新快 軟體更重要

嵌入式系統世代交替時間縮短，並講求更強大的軟體功能，讓設計者面臨很大的挑戰。研華

前言：據英國電機工程師協會的定義，「嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器或甚至工廠運作的裝置」。由此定義可以看出過去嵌入式系統濃厚的儀器控制特性，也因此發展速度緩慢，產品生命週期長，不過在嵌入式系統大舉進入消費性電子等領域後，產品更新速度加快，因此軟硬體設計也面臨前所未有的挑戰。

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嵌入式系統為一種電腦軟體與硬體的綜合體，特別強調「量身定做」的原則，基於某一種特殊用途上，針對這項用途開發出獨特性的整合系統，即客制化(Customized)系統。根據統計，大部分的嵌入式系統應用在通訊、工業、醫療、軍工航太與其他(消費性電子、車用)等領域。

雖然客製化的需求讓嵌入式系統的終端千變萬化，但是一些基本的嵌入式系統特性一直沒有改變，即系統資源有限且省電、因此與之配合的嵌入式作業系統必須佔用系統資源少、即時回應要求嚴格、統可靠性要求高、與具有可配置性等，但是嵌入式系統的成長力道，由過去的工業控制逐漸轉向消費性電子與車用電子等領域後，嵌入式系統也必須能夠運作複雜的演算法，對應越來越複雜的使用者介面、系統越來越強調即時性，甚至強化多工性能、製造成本更要低，甚至還必須越來越省電。

在種種背道而馳的趨勢下，嵌入式系統的開發，已經與過去大不相同，例如在嵌入式產品世代交替上，已經將先前3~5年一個循環的情況縮短到2~3年。而面對不斷發展軟？硬體技術，以及越來越多樣化應用，透過新一代作業系統推出，也可能會有機會創造出不一樣產業應用型態，對於嵌入式產業整體發展，也不啻為是好事一樁，但在此趨勢下，開發者必須完全掌握系統整合能力、程式語言能力、可視度設計能力、硬體界面設計能力甚至掌握市場應用導向等，挑戰比過去大的多。

新世代嵌入式系統挑戰大 研究指2008年半數專案不到位

根據Tech Insights的嵌入式系統設計報告(Embedded Systems Design reports)所進行的「2008年嵌入式市場研究報告」(Embedded designers on tighter schedules, juggling multiple projects in 2008)指出，嵌入式系統開發人員在2008年面臨了許多新專案開發的壓力，因此50%以上的開發專案沒有如期完成。

研究指出相較於自2005年以來的統計，2008年新開發專案的比例創新高，新開發專案佔全部專案的46%，另54%為產品升級和改進專案。不過許多改進專案也幾乎等於新開發，因其中81%採用了新軟體創造新功能，升級專案亦有55%為改採新處理器，39%採用了新系統邏輯。軟體的開發重要性似乎有凌駕硬體的趨勢，調查中有62%的人員參與了軟體或韌體的編寫及除錯。

調查中也能反映出嵌入式產品越來越重視處理性能與網路特性的趨勢，74%開發專案為處理器核心性能表現，特別重視即時回應能力。網路技術的開發比例達61%。其中47%為研發耐用性，30%包括了電池設計、無線通訊或兩者都有。無線開發專案中，Wi-Fi過半達51%，藍牙27%居次，蜂巢式(cellular)與ZigBee皆為21%。

人員配置也顯示了嵌入式設計專案的規模越來越大。一個設計團隊平均規模已由2007年的13.6人增加到了2008年的15.2人。在職務分配上，連續兩年的統計，軟體工程師都奪下冠軍，2008年平均每設計團隊有8.1位軟體工程師，硬體工程師僅4.3人，韌體工程師2.8人，後兩者相加還不到前者，也再次發現嵌入式系統的發展趨勢，軟體重要性凌駕硬體。

研究報告指出，人員規模擴大，卻沒有使得專案更能夠如期完成，甚至專案開發時間越來越長。2007年完成一個專案約為12.6個月，2008年的專安完成平均時間卻拖長到13.1個月，且2008年專案平均延後時間為4.4個月，創下2006年以來新高，且僅41%的專案為如期完成，4%的專案提前完成，高達53%的專案延期完成。因此報告也指出，有51%的開發人員表示最關心開發專案能否按期完成，除錯問題佔38%居次，解決程式碼複雜度和維持預算成本的關心比例相近，分別為26%與24%。

軟體程式語言方面，57%的受訪者使用C語言、29%為C++、約5%的受訪對象則使用Java、UML以及LabView。針對程式設計，前期專案軟體程式碼的再利用佔所有設計的89%。作業系統方面，有70%的專案必須使用作業系統；客製OS佔的比率持續增加，相對商用OS則緩慢減少，嵌入式Linux作業系統的使用人數也有減少的趨勢。報告指出現在工程師們最重要的開發工具是編譯器和除錯器，但開發專案的趨勢已經逐漸轉向除錯工具和軟體整合。

嵌入式發展持續 各領域廠商加入混戰

嵌入式系統持續發展，許多統計都顯示市場規模將持續擴大，例如網路裝置、通訊裝置、消費性電子、數位家庭、監控設備、車用電子等領域，例如根據IDC的研究報告，2015年含有嵌入式裝置的聯網設備將達150億台。諸如此類的龐大商機，吸引眾多廠商加入混戰。

所謂的混戰，即是許多IT產業的廠商或技術界限，在嵌入式領域被打破。例如以嵌入式系統應用而言，現場可編程閘陣列(FPGA)與處理器、微控制器之間一直是既競爭又合作的關係，特別是各家PLD供應商祭出內建乘法器與軟式中央處理器核心等整合功能後，FPGA和處理器/微控制器便不若以往壁壘分明。近年來更有幾家PLD供應商開始主推具備混合訊號功能的FPGA與複雜可編程邏輯元件(CPLD)，讓兩者間的差異日益模糊。

而例如由於Android平台的開放性，在數位家庭IP市場佔有優勢的MIPS，發表了Android機上盒、藍光播放機、數位電視和VoIP方案等數位家庭裝置的完整平台，但也與許多客戶包括Chips & Media、Discretix、Tensilica、Vivante及其他領先半導體IP業者密切合作，希望能夠提供Android完整解決方案，一般認為即想借此機會進軍行動裝置市場，挑戰ARM的替位。相對的，ARM也大規模進軍數位家庭市場，首度以CORTEX A9拿下NXP的數位機上盒訂單。

在x86市場呼風喚雨的Intel，也嘗試以多款SoC化的解決方案，例如預計明年發佈的下一代Jasper Forest晶片，則將整合從x1到x16的PCI Express 2.0，因為整合PCIe有利開發更靈活的I/O應用，不必再侷限於傳統的南北橋架構，設計師可以用FPGA，打造出更多功能的新一代IA應用。AMD則利用掌握顯示技術之便，強化需要3D應用的嵌入式解決方案。

在商用嵌入式作業系統上，Android的出現相當重要，特別是針對發展發展可攜式、消費性設備的廠商。因此Microsoft則利用頗受好評的Windows 7，開發代號為Quebec的Windows Embedded Standard 2011，希望能延續Windows 7獲得的好評，回應已經存在已久的Embedded Linux威脅與新興Android的強力挑戰。