Wie sich die Embedded-Entwicklung in den letzten zwei Jahrzehnten entwickelt hat

Wie in jedem Entwicklungsgebiet ist die Entwicklung eingebetteter Systeme wie im Ozean:Die Tiefenströmungen bleiben weitgehend gleich und liegen einer Oberfläche zugrunde, die dies selten tut. Auf die Gefahr hin, im Gleichnis zu versinken, ist mein Standpunkt, dass die Grundlagen der Embedded-Entwicklung heute im Wesentlichen dieselben sind wie damals, als Ingenieure Kippschalter an festverdrahteten Mikrocomputern umlegen mussten, um Maschinencode auszuführen. Wie diese Ingenieure versuchen wir immer noch, externe Ereignisse zu überwachen und angemessen zu reagieren. Wie wir dorthin gelangen, ändert sich ständig.

Oberflächlich betrachtet werden die Hardware, Software und Methoden, die zum Bau eingebetteter Systeme verwendet werden, immer besser – oder zumindest anders. Als Maß für diesen Wandel bieten die Umfragen von Embedded aus den Jahren 1999, 2009 und 2019 eine Momentaufnahme der Entwicklung der Embedded-Entwicklung in den letzten zwei Jahrzehnten.

Tatsächlich spiegeln die Fragen jeder Umfrage selbst einen Teil dieser Veränderung wider. Die Umfrage von 1999 enthielt große Abschnitte mit Fragen zu Cross-Compilern, objektorientierten Designmethoden und In-Circuit-Emulatoren, aber relativ wenig zu Betriebssystemen. Bis 2009 hatte die Umfrage diese speziellen Abschnitte gestrichen und mehr über Multiprozessor-Design, Betriebssysteme und speziell Embedded Linux aufgenommen, aber Themen wie das Internet der Dinge (IoT) und künstliche Intelligenz (KI) waren nicht auf dem Radar. In der Umfrage von 2019 zeigten diese Themen und zusammen mit der Sicherheit sowohl ein breites Interesse als auch eine aktive Nutzung.

Es ist schwierig, die Details dieser Umfragen zu vergleichen, da sich die Umfragemethoden bis 2009 erheblich geändert haben. In einigen Fällen wurde dieselbe allgemeine Frage auf Multiple-Choice-Fragen erweitert, bei denen mehr als eine Antwort zulässig war. Das erhöht die Unsicherheit jeder Interpretation. Sie werden dies in der Diskussion der Designfähigkeiten sehen. Darüber hinaus fehlen einigen der folgenden Ergebnisse entsprechende Daten aus der Umfrage von 1999, sodass Sie für diese nur 2009 und 2019 sehen. Bedenken Sie schließlich, dass die Fehlerquote bei den Ergebnissen in der Regel zwischen etwa 3 % und über 6 % liegt, sodass detaillierte Vergleiche riskant sind. Schließlich, als jemand, der die traurigen Tiefen (wieder diese Metapher) der statistischen Manipulation erforscht hat und in früheren Karrieren quantitative Umfrageforschung und Systemleistungs-Benchmarking durchgeführt hat, diese Zahlen dienen nur zu Unterhaltungszwecken. Ich fand sie auf jeden Fall so.

Anwendungsfokus und -funktionen

Wie haben sich die Top-Anwendungssegmente für eingebettete Designs in den letzten zehn Jahren verändert? Obwohl Industrie und Verbraucher in den Top 5 blieben, begannen Designs für Automobil- und IoT-Anwendungen zu dominieren (Tabelle 1). Es ist wahrscheinlich eine sichere Sache, die für das konzipiert wurde, was wir datacomm nannten im Jahr 2009 wurden unter Kommunikation zusammengefasst im Jahr 2019.

Tabelle 1:Top 5 Anwendungssegmente (% der Befragten)

20092019Industrial30Industrial32Datacomm24Consumer29Consumer22IoT25Elektronische Instrumente16Kommunikation19Luft- und Raumfahrt16Automotive17

Wie hat sich die Art des Designs in den letzten zwei Jahrzehnten verändert? In der Umfrage von 1999 wurden mehrere Fragen zum Einbau von Webtechnologien in Designs gestellt. Besonders interessant bei der Untersuchung der Umfrage von 1999 ist, dass 43% der Befragten angaben, dies nicht zu planen, aber 14% sagten, dies zu tun. Ich weiß nicht, was genau in dieser Frage mit "Webtechnologien" gemeint war, aber hoffen wir, dass niemand versucht hat, einen httpd-Server in seine Systeme einzubetten.

Allgemeiner gesagt zeigt Tabelle 2, wie sich drei wichtige Designfunktionen entwickelt haben. Die einzige wirkliche Veränderung war ein enormer Anstieg der vernetzten Designs von 35 % zu Beginn des Jahrtausends auf etwas über 90 % noch vor einem Jahrzehnt. (Ich würde argumentieren, dass die Umfragemethodik vernetzt gelassen hat und drahtlos als potenziell austauschbar, aber ihre Summe zeigte statistisch das gleiche Maß an verbundenem Entwürfe in den Jahren 2009 und 2019.)

In ähnlicher Weise bauen Embedded-Entwickler seit mindestens einem Jahrzehnt batteriebetriebene Designs. Manchmal vergisst die Branche, dass batteriebetriebenes Design schon lange vor dem Aufkommen des IoT und der Wearables existierte.

Tabelle 2:Wichtige Designfunktionen (% der Befragten)

199920092019vernetzt355949drahtlos n/v3342batteriebetrieben n/v3534

Programmiersprache

Es ist gut, sich daran zu erinnern, dass C/C++ nicht immer die dominierende Sprache für die Embedded-Entwicklung war (Abbildung 1). Berücksichtigen Sie einige der anderen Antworten, die in jeder Umfrage enthalten sind, und es ist wahrscheinlich, dass der Aufstieg von Prozessoren mit höherer Leistung den Bedarf an Code auf Assembly-Ebene verringert hat. Nun, das und die Tatsache, dass nur etwa 37 % der Projekte planmäßig abgeschlossen wurden – eine Zahl, die sich 2019 trotz des erklärten Wunsches, den Entwicklungsprozess zu fixieren, im Jahr 2009 nicht wesentlich bewegt hat (siehe Abbildung 6 unten).

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Abbildung 1:Top-Entwicklungssprachen (% der Befragten).

Ende 2009 begannen Open-Source-Betriebssysteme (OS) die Verwendung eines kommerziellen Betriebssystems zu verdrängen. Bis 2019 setzte sich dieser Trend fort. Interessant ist hier, dass die Verdrängung des kommerziellen Betriebssystems nicht allein auf den Aufstieg von Open-Source-Betriebssystemen zurückzuführen ist. Benutzerdefinierte/interne Betriebssysteme fanden auch weiterhin stärkere Verwendung (Abbildung 2).

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Abbildung 2:Art des Betriebssystems (% der Befragten).

Prozessorarchitektur

Obwohl die Verwendung von 32-Bit-Architekturen in den letzten zehn Jahren gleich geblieben ist, haben 64-Bit-Architekturen deutlich zugenommen (Abbildung 3). Man könnte vermuten, dass dies ein einfacher evolutionärer Trend ist, da Entwickler zu größeren Bitbreiten übergehen – von 8-Bit über 16-Bit über 32-Bit bis 64-Bit – da Entwickler nach einer höheren Prozessorleistung und effizienteren Speicherzyklen einschließlich Befehlsabruf suchen .

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Abbildung 3:Prozessorarchitekturen (% der Befragten).

Getrennte Prozessoren vs. Multicore-Geräte

Der vielleicht deutlichste Trend in den 2010er Jahren war die Designreduzierung von Mehrprozessorchips zu Mehrkerngeräten – von mehreren Chips mit demselben Prozessor zu einem homogenen Mehrkerngerät oder von mehreren Chips mit unterschiedlichen Prozessoren zu einem heterogenen Mehrkerngerät (Abbildung 4).

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Abbildung 4:Einzelne Prozessorchips im Vergleich zu Mehrkernprozessoren (% der Befragten).

Treiber für Prozessorentscheidungen

Der Hauptfaktor für die Prozessorwahl hat sich in zwei Jahrzehnten nicht geändert (Abbildung 5). Die Verfügbarkeit von Software-Entwicklungstools ist nach wie vor die erste Wahl. Das Umschalten in Maschinencode auf einem Panel ist einfach nicht die Vorstellung von einer guten Zeit. Interessant dabei ist, dass die Vertrautheit mit der Architektur seit Anfang des Jahrtausends stark an Bedeutung verloren hat und sowohl die Kosten als auch die IO/Peripheriefähigkeiten weiter an (relativer) Bedeutung verloren haben.

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Abbildung 5:Faktoren der Prozessorauswahl (% der Befragten).

Technische Herausforderungen

Und schließlich, wie haben sich die Wahrnehmungen zu den wichtigsten kommenden technologischen Herausforderungen verändert? Wenn wir uns die fünf wichtigsten Herausforderungen der Umfragen von 2009 und 2019 ansehen, waren Integration, Codekomplexität und Softwaretools weiterhin die Hauptanliegen. Interessant ist hier, dass die erklärten Bedenken über den Entwicklungsprozess im letzten Jahrzehnt nachgelassen haben und stattdessen durch Bedenken hinsichtlich geringer Leistung und Sicherheit ersetzt wurden. Tatsächlich bildeten die Zunahme von Sicherheitsbedenken und Maßnahmen zur Abwehr von Bedrohungen einen Großteil der Umfrage im Jahr 2019. Im Jahr 2009 gaben nur 3% der Befragten an, dass die Sicherheit ein Problem darstellt. Wie bereits erwähnt, deutet die statistisch ähnlich niedrige Rate der Projekttermintreue in den Jahren 2009 und 2019 darauf hin, dass die Verschiebung der relativen Bedeutung des Entwicklungsprozesses im Jahr 2019 weniger mit einem offensichtlichen Erfolg in dieser Hinsicht als vielmehr mit der Entstehung zu tun hat von kritischeren Bedenken.

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Abbildung 6:Die größten technologischen Herausforderungen (% der Befragten).

Was bedeutet das alles für die 2020er Jahre?

Wir könnten aus diesen Ergebnissen extrapolieren, um darauf hinzuweisen, dass Themen wie Softwareentwicklungstools und die Verwaltung der Codegröße wichtig bleiben und Prozessoreigenschaften wie Leistung und Peripheriegeräte an relativer Bedeutung verlieren werden. Andererseits scheint das Aufkommen von nur wenigen neuen Technologien wie No-Code-Entwicklungstools, Quantencomputing und KI-Kernen, die im Feld trainierbare neuronale Netzmodelle unterstützen, in den 2020er Jahren Anlass für eine dramatische Verschiebung der Designherausforderungen zu geben. Aber werden sie das?

Eingebettete Systeme erfordern immer noch Tools zum Schreiben (oder Generieren) von Code und müssen dies wahrscheinlich für komplexere heterogene Multiprozessor-Hardwaredesigns tun. Diese Designs müssen immer noch mit der physischen Welt verbunden sein, aber die Art der Schnittstellen könnte sich weiter von festverdrahteten Schnittstellen von Sensoren oder kooperierenden Peer-Geräten entfernen. Die Nachfrage nach mehr Funktionalität wird weiter steigen, was den Bedarf an mehr Leistung und verbesserten Fähigkeiten von Hardware, die in der Lage ist, anspruchsvollere Anwendungen auszuführen, treiben wird. Letztendlich müssen Embedded-System-Designs für dieses neue Jahrzehnt immer noch effizienter mit Datenquellen kommunizieren, komplexeren Code mit minimaler Latenz ausführen und komplexere Sicherheitsbedrohungen bewältigen – und das alles bei minimalem Strombedarf aus extrem stromsparenden Quellen. Wir werden wahrscheinlich sehr unterschiedliche Ansätze verwenden, aber die Ziele werden die gleichen bleiben.

Untersuchen Sie die drei hier zitierten Umfragen für 1999, 2009 und 2019 und teilen Sie uns Ihre eigenen Schlussfolgerungen oder Vorhersagen in den Kommentaren unten mit.