嵌入式系統(tǒng)作為面向特定應(yīng)用場(chǎng)景的計(jì)算平臺(tái)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車電子以及智慧安防等領(lǐng)域。隨著系統(tǒng)功能的持續(xù)擴(kuò)展與集成度提升，嵌入式軟件的開發(fā)語言與方法面臨新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)語言雖然在執(zhí)行性能和資源占用方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其內(nèi)存管理機(jī)制復(fù)雜、語法門檻高，難以適應(yīng)嵌入式項(xiàng)目的快速迭代需求[1]-[3]。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程層次多、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，這導(dǎo)致一致性維護(hù)與軟件驗(yàn)證成為開發(fā)效率瓶頸。此外，嵌入式開發(fā)中軟硬件緊密耦合，從前期的系統(tǒng)規(guī)約、軟硬件劃分到具體的軟硬件實(shí)現(xiàn)，持續(xù)對(duì)軟件開發(fā)效率和優(yōu)化迭代造成影響，從而限制了應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展并延長(zhǎng)了項(xiàng)目研發(fā)周期。

為了應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)方法在嵌入式軟件開發(fā)過程中展現(xiàn)的弊端，圍繞新型嵌入式開發(fā)語言、低代碼平臺(tái)、智能開發(fā)輔助工具以及虛擬仿真平臺(tái)的研究正成為業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)。本文將系統(tǒng)剖析當(dāng)前嵌入式開發(fā)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，探討這些嵌入式軟件語言與開發(fā)范式在嵌入式領(lǐng)域的核心機(jī)制、成功案例與工業(yè)實(shí)踐，為嵌入式軟件開發(fā)提供參考。

2. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)挑戰(zhàn)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)面臨在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能與高可靠性的雙重壓力[4]。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)上市時(shí)間[5] (Time-to-Market)要求不斷縮短，傳統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)方法逐漸暴露出在復(fù)雜系統(tǒng)中難以兼顧開發(fā)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的局限性。本章將分析嵌入式開發(fā)過程中面臨的挑戰(zhàn)，從開發(fā)語言的設(shè)計(jì)局限與開發(fā)流程的層次復(fù)雜兩個(gè)方面展開探討。

2.1. 嵌入式開發(fā)語言設(shè)計(jì)局限多

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域存在語言種類繁多、學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)等問題。由于不同應(yīng)用場(chǎng)景往往采用特定的DSL (Domain-Specific Language，領(lǐng)域特定語言) 或平臺(tái)相關(guān)框架，開發(fā)者不僅需要掌握底層硬件接口與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)機(jī)制，還必須熟悉多種語言特性與工具鏈，從而顯著延長(zhǎng)了學(xué)習(xí)與開發(fā)周期。在實(shí)際工程中，傳統(tǒng)通用語言(如C/C++)雖然在性能優(yōu)化與硬件控制方面具備優(yōu)勢(shì)，但其語法允許程序直接操作內(nèi)存地址，缺乏訪問約束與內(nèi)存安全機(jī)制，極易引發(fā)緩沖區(qū)越界與指針錯(cuò)誤，對(duì)系統(tǒng)可靠性構(gòu)成長(zhǎng)期威脅[6] [7]。此外，隨著嵌入式軟件代碼規(guī)模普遍達(dá)到百萬行級(jí)別，這些問題的檢測(cè)與修復(fù)難度急劇增加。傳統(tǒng)事后審查的排錯(cuò)方式需要根據(jù)故障現(xiàn)象排查漏洞。由于嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)暴露的問題往往難以穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)，使故障定位與修復(fù)過程更加困難。

2.2. 嵌入式開發(fā)流程復(fù)雜度高

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是一個(gè)貫穿方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)到產(chǎn)品維護(hù)的多階段復(fù)雜工程，其流程層次多、環(huán)節(jié)復(fù)雜導(dǎo)致一致性維護(hù)難度大。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的典型流程如圖1所示。在方案設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)架構(gòu)師與軟件工程師往往因?qū)I(yè)背景差異產(chǎn)生認(rèn)知偏差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)意圖與技術(shù)實(shí)現(xiàn)間存在落差[8] [9]。在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)階段，開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員能力與習(xí)慣差異可能降低代碼質(zhì)量并引入潛在漏洞[10]。同時(shí)，受限于硬件資源與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，開發(fā)目標(biāo)常被迫調(diào)整為簡(jiǎn)化方案，從而削弱系統(tǒng)性能優(yōu)化空間[11]。在維護(hù)階段，復(fù)雜的技術(shù)文檔使問題定位與修復(fù)過程高度依賴開發(fā)人員，延長(zhǎng)了糾錯(cuò)周期。

此外，嵌入式軟件與硬件之間的強(qiáng)耦合關(guān)系極大延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期和開發(fā)周期。在開發(fā)前期，若目標(biāo)板卡或外設(shè)尚未就緒，驅(qū)動(dòng)程序、BSP (Board Support Package，板級(jí)支持包)及底層固件等模塊無法在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證與調(diào)優(yōu)，團(tuán)隊(duì)只能依賴功能受限的模擬環(huán)境或延遲實(shí)現(xiàn)[12] [13]。而在后期集成階段，軟件測(cè)試往往需等待硬件原型完成后才能開展，且硬件驗(yàn)證(從印制電路板制造到原型調(diào)試)周期長(zhǎng)、成本高，進(jìn)一步壓縮了軟件測(cè)試與優(yōu)化的空間。這種軟硬件緊密耦合的串行開發(fā)模式導(dǎo)致開發(fā)流程缺乏靈活性與自動(dòng)化支持，使嵌入式系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)快速迭代與持續(xù)優(yōu)化。

Figure 1. General development process of embedded systems

圖1. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基本流程

3. 嵌入式軟件語言創(chuàng)新趨勢(shì)

以C/C++為代表的傳統(tǒng)嵌入式軟件語言在其性能與泛用性上已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證，但基于傳統(tǒng)軟件語言的工業(yè)項(xiàng)目在長(zhǎng)期運(yùn)行中暴露出了安全隱患與漏洞。此類項(xiàng)目的代碼修復(fù)需要從運(yùn)行中暴露出的問題出發(fā)，通過問題復(fù)現(xiàn)與事后代碼分析來進(jìn)行問題定位。不適應(yīng)當(dāng)前“高精度，高實(shí)時(shí)，高可信”的嵌入式開發(fā)要求。目前新型嵌入式軟件語言的特征主要集中在以下幾個(gè)方面。其一是運(yùn)行前消除，在編譯過程中通過合理安全規(guī)則檢出代碼潛在漏洞。其二是運(yùn)行時(shí)安全，通過運(yùn)行時(shí)異常處理策略來避免漏洞損失。其三是保證代碼的運(yùn)行效率，在保證系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)上盡力貼近C/C++的運(yùn)行效率。本章將列舉分析Ada、Go與Rust等典型新型嵌入式語言的特性與進(jìn)一步發(fā)展方向，并結(jié)合實(shí)際案例，說明其如何在實(shí)際應(yīng)用中構(gòu)建高可信的嵌入式開發(fā)項(xiàng)目。

3.1. 新型嵌入式語言

新型嵌入式軟件語言的核心設(shè)計(jì)理念是將傳統(tǒng)由開發(fā)者負(fù)責(zé)的內(nèi)存安全保障，轉(zhuǎn)變?yōu)橛烧Z言規(guī)范與編譯器強(qiáng)制執(zhí)行的約束條件。其中一種設(shè)計(jì)是利用先進(jìn)的類型系統(tǒng)、所有權(quán)模型和生命周期分析等技術(shù)，在編譯階段識(shí)別潛在的內(nèi)存錯(cuò)誤，從源頭上消除安全隱患。另一種解決方案是在運(yùn)行時(shí)采用垃圾回收或智能指針等技術(shù)，自動(dòng)化管理內(nèi)存分配與釋放。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，不同編程語言在內(nèi)存安全與執(zhí)行效率的平衡上呈現(xiàn)出差異化特征。目前工業(yè)項(xiàng)目中較常見的新型嵌入式軟件語言包括Ada，Go及Rust。

Ada語言在嵌入式領(lǐng)域積累了深厚的應(yīng)用基礎(chǔ)。它的強(qiáng)類型系統(tǒng)、契約編程(含前置與后置條件)及并發(fā)任務(wù)模型，使其在航空航天、國防等對(duì)可靠性要求極高的場(chǎng)景中被廣泛采用。通過SPARK子集及配套工具(如SPARK Examiner、CodePeer)，Ada [14] [15]可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)分析，對(duì)緩沖區(qū)越界、空/懸掛指針等潛在運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤進(jìn)行驗(yàn)證，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與容錯(cuò)能力。

Go語言則通過垃圾回收機(jī)制保障內(nèi)存安全，并借助其Go routine輕量線程與channel工具簡(jiǎn)化并發(fā)實(shí)現(xiàn)，在快速開發(fā)、系統(tǒng)原型驗(yàn)證及非硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)。然而，Go語言的垃圾回收機(jī)制引入的不可預(yù)測(cè)暫停使其難以適配硬實(shí)時(shí)任務(wù)[16]。已有TinyGo項(xiàng)目[17]裁剪Go運(yùn)行時(shí)檢測(cè)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，目前已應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)開發(fā)、IO控制、OTA客戶端等輕量級(jí)任務(wù)，在部分場(chǎng)景中滿足了基本需求。但在嚴(yán)格硬實(shí)時(shí)的安全關(guān)鍵系統(tǒng)中，Go語言垃圾回收機(jī)制導(dǎo)致的延遲與內(nèi)存開銷仍是未完全解決的限制[18]。

Figure 2. Memory error cases and their Rust solutions

圖2. 內(nèi)存錯(cuò)誤案例及其Rust解決方案

Rust語言低運(yùn)行成本的安全管理使其在嵌入式領(lǐng)域的關(guān)注度顯著提升。Rust核心優(yōu)勢(shì)在于通過獨(dú)特的所有權(quán)系統(tǒng)與借用檢查機(jī)制，在編譯階段時(shí)保障了內(nèi)存安全與無數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的并發(fā)執(zhí)行，因此在無需依賴?yán)厥諜C(jī)制的情況下，實(shí)現(xiàn)了安全性與性能間的更優(yōu)平衡[19]。相較于傳統(tǒng)C/C++，Rust在保留底層硬件控制能力的同時(shí)，從語言層面消除了多數(shù)懸掛指針、緩沖區(qū)越界等內(nèi)存錯(cuò)誤。圖2中展示了Rust編譯器可檢出的常見內(nèi)存漏洞。多項(xiàng)研究[20]-[22]結(jié)果顯示，在資源密集型基準(zhǔn)測(cè)試中，Rust程序的執(zhí)行時(shí)間相比于同功能C++程序僅增加個(gè)位數(shù)百分比，且內(nèi)存峰值消耗更低。這種在內(nèi)存安全與效率上的雙重優(yōu)勢(shì)，使得Rust目前已在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中獲得較為廣泛的應(yīng)用。

總體而言，當(dāng)前新型嵌入式編程語言在嵌入式系統(tǒng)的安全與性能平衡方面已取得了優(yōu)異表現(xiàn)，但Ada 的復(fù)雜語法，Go的運(yùn)行時(shí)開銷，Rust的復(fù)雜編譯等問題仍限制了更廣泛的應(yīng)用。新興開發(fā)語言正試圖從以下方面取得突破，一是通過語義簡(jiǎn)化與模塊化設(shè)計(jì)以提升編譯效率與開發(fā)體驗(yàn)，二是在靜態(tài)安全性與可用性之間尋求平衡，以降低入門門檻，三是在垃圾回收機(jī)制上實(shí)現(xiàn)可配置或輕量化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)邊緣計(jì)算與云端快速迭代需求。當(dāng)前嵌入式開發(fā)語言的研究趨向于在安全性、可擴(kuò)展性與性能表現(xiàn)之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，以滿足更復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)需求。

3.2. 工業(yè)應(yīng)用案例

已有大量新型嵌入式開發(fā)語言應(yīng)用于開源項(xiàng)目或大型工業(yè)項(xiàng)目。如表1所示，新型嵌入式開發(fā)語言在嵌入式軟件開發(fā)中廣泛應(yīng)用。例如Ada語言在航空航天、軌道交通等安全關(guān)鍵型系統(tǒng)中依舊保持穩(wěn)健地位。代表性實(shí)現(xiàn)包括SPARK/Ada [23]及Ravenscar Profile [24]，通過形式化驗(yàn)證與任務(wù)調(diào)度約束，為波音飛控系統(tǒng)等高安全標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目提供了長(zhǎng)期可靠的技術(shù)支撐。Go語言在嵌入式領(lǐng)域的探索更多集中于邊緣計(jì)算與云端協(xié)同類場(chǎng)景。典型項(xiàng)目如TinyGo [17]與Periph.io [25]，前者通過輕量化編譯鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)ARM Cortex-M、RISC-V等平臺(tái)的原生支持，已被應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)終端、工業(yè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)等場(chǎng)景。后者則通過統(tǒng)一的硬件抽象層(HAL)接口，簡(jiǎn)化了基于Go的設(shè)備驅(qū)動(dòng)與通信協(xié)議開發(fā)。

與此同時(shí)，Rust語言因其高效且安全的特性，對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)有較大應(yīng)用價(jià)值。TockOS [26]是由Rust實(shí)現(xiàn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證必要的不安全操作(如直接硬件寄存器訪問)被明確標(biāo)記并封裝于受信任的驅(qū)動(dòng)模塊中，縮小了潛在危險(xiǎn)代碼范圍，其具體內(nèi)核安全區(qū)劃分如圖3所示。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)以Rust為基礎(chǔ)語言研發(fā)的ArceOS [27]可以快速定制適配不同場(chǎng)景的內(nèi)核。ArceOS僅需新增幾千行代碼，即可實(shí)現(xiàn)功能完善的宏內(nèi)核StarryOS [28]，而替換插件為vCPU管理模塊后，又能快速形成Hypervisor AxVisor [29]，其應(yīng)用Rust進(jìn)行的開發(fā)設(shè)計(jì)兼顧了內(nèi)核的性能、安全性與可移植性。

總體來看，Go與Ada在其特長(zhǎng)領(lǐng)域表現(xiàn)穩(wěn)定，而Rust憑借其編譯期內(nèi)存安全機(jī)制與較低運(yùn)行時(shí)損耗，正在成為當(dāng)前嵌入式開發(fā)語言中最受重視、增長(zhǎng)最迅速的方向。

Table 1. Large-scale industrial projects/open source projects developed using memory-safe languages

表1. 使用內(nèi)存安全型語言開發(fā)的大型工業(yè)項(xiàng)目/開源項(xiàng)目

嵌入式系統(tǒng)作為針對(duì)各類特定用途的計(jì)算平臺(tái)，已被廣泛應(yīng)用到航空航天、軌道交通、汽車電子以及智慧城市等領(lǐng)域。隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜度增加，傳統(tǒng)嵌入式軟件語言及開發(fā)面臨性能瓶頸、資源受限、安全要求嚴(yán)苛及開發(fā)效率低下等多重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)嵌入式軟件語言內(nèi)存管理機(jī)制復(fù)雜不僅提高了學(xué)習(xí)門檻，也增加了維護(hù)難度。嵌入式軟件開發(fā)層次多、復(fù)雜性高、軟硬件耦合緊密導(dǎo)致上市時(shí)間長(zhǎng)難以快速迭代。近年來興起的新型嵌入式開發(fā)語言、低代碼平臺(tái)、智能開發(fā)輔助工具以及虛擬仿真平臺(tái)有效提升了嵌入式開發(fā)效率。文章將圍繞這些新興的嵌入式軟件語言和開發(fā)范式，綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，為嵌入式軟件開發(fā)提供參考。

Figure 3. The architecture of TockOS [26]

圖3. TockOS的基本架構(gòu)[26]

4. 嵌入式軟件開發(fā)演進(jìn)趨勢(shì)

隨著嵌入式系統(tǒng)功能復(fù)雜度的不斷提升，傳統(tǒng)開發(fā)模式在性能優(yōu)化與開發(fā)效率之間的矛盾愈發(fā)突出。嵌入式軟件開發(fā)雖然允許底層代碼對(duì)硬件進(jìn)行精細(xì)控制，從而充分發(fā)揮有限資源的潛力、滿足實(shí)時(shí)性與可靠性要求，但其學(xué)習(xí)門檻高、開發(fā)層次多、自動(dòng)化工具少及軟硬件耦合緊密等問題已成為制約創(chuàng)新效率的瓶頸。為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，在嵌入式軟件開發(fā)領(lǐng)域已涌現(xiàn)出低代碼平臺(tái)、智能開發(fā)輔助工具以及虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用案例。低代碼平臺(tái)通過可視化編程顯著降低開發(fā)門檻，促進(jìn)跨領(lǐng)域協(xié)作。智能輔助開發(fā)工具利用大模型與智能體技術(shù)，在軟件實(shí)現(xiàn)與測(cè)試評(píng)估環(huán)節(jié)提供持續(xù)決策支持。虛擬仿真平臺(tái)則通過解耦軟硬件開發(fā)流程，使軟件得以在硬件未就緒階段完成基本功能驗(yàn)證與性能優(yōu)化，從根本上突破了傳統(tǒng)串行開發(fā)的限制。本章將系統(tǒng)性地闡述這三類技術(shù)的特征與優(yōu)勢(shì)，分析它們?nèi)绾喂餐苿?dòng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程向智能化、自動(dòng)化與協(xié)同化方向演進(jìn)。

4.1. 嵌入式低代碼平臺(tái)

嵌入式低代碼平臺(tái)通過可視化編程顯著降低了開發(fā)門檻，使多領(lǐng)域?qū)＜夷軌蛑苯訁⑴c應(yīng)用邏輯的構(gòu)建過程。嵌入式低代碼平臺(tái)核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是通過拖拽式操作定義功能模塊與業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建可視化開發(fā)環(huán)境，使開發(fā)者能夠?qū)Ｗ⒂跇I(yè)務(wù)邏輯而非實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。二是將實(shí)際編碼量大幅降低，提升開發(fā)效率。三是通過可視化的業(yè)務(wù)流清晰表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，有效減少了與專業(yè)軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)之間的理解偏差，顯著降低了溝通成本。在架構(gòu)設(shè)計(jì)上，嵌入式低代碼平臺(tái)通常以節(jié)點(diǎn)編程為核心，將應(yīng)用邏輯轉(zhuǎn)化為由功能節(jié)點(diǎn)及其連接關(guān)系所構(gòu)成的數(shù)據(jù)流圖來進(jìn)行系統(tǒng)定義與實(shí)現(xiàn)。每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)代表獨(dú)立的處理模塊。開發(fā)者通過連接線定義節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流向與控制邏輯。

在嵌入式低代碼開發(fā)領(lǐng)域，已涌現(xiàn)出一批具有代表性的技術(shù)平臺(tái)。國際新興平臺(tái)(如Node-RED、XOD、Visuino等)普遍側(cè)重于通過節(jié)點(diǎn)式可視化編程實(shí)現(xiàn)快速的產(chǎn)品原型構(gòu)建。例如Node-RED [30]采用基于流(Flow)的可視化編程模型，將應(yīng)用組織為由輸入、邏輯處理與輸出節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的流程結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間沿既定路徑依次傳遞與處理，使復(fù)雜的底層實(shí)現(xiàn)被封裝于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部。開發(fā)者只需通過節(jié)點(diǎn)組合與流程編排即可完成功能構(gòu)建，從而顯著提升開發(fā)的直觀性與效率。國內(nèi)相關(guān)平臺(tái)在具體業(yè)務(wù)應(yīng)用上有較多實(shí)踐，其通常與某一類專用硬件設(shè)備或某類具體任務(wù)緊密結(jié)合。例如中科創(chuàng)達(dá)ModelFarm平臺(tái)基于其公司設(shè)備，專注圖像識(shí)別任務(wù)的低代碼開發(fā)。

4.2. 嵌入式智能開發(fā)輔助工具

嵌入式智能開發(fā)輔助工具正逐步成為提升嵌入式系統(tǒng)開發(fā)效率與質(zhì)量的重要手段。這類工具不同于一般的代碼補(bǔ)全與生成工具，它們通過集成大模型推理與多智能體協(xié)作機(jī)制，能夠從代碼開發(fā)到運(yùn)維管理進(jìn)行長(zhǎng)周期的決策與執(zhí)行支持。

在開發(fā)階段，基于大模型的工具(如GitHub Copilot、Tabnine與OpenAI Codex)能夠理解嵌入式代碼上下文，并在特定語義層面生成RTOS調(diào)度邏輯、硬件驅(qū)動(dòng)模板及中斷服務(wù)框架。其中，Codex [31]不僅能進(jìn)行上下文感知代碼生成，還可自動(dòng)構(gòu)造測(cè)試場(chǎng)景以提高覆蓋率與系統(tǒng)穩(wěn)定性。進(jìn)一步的研究如AutoDev [32]框架展示了“人工智能代理 + 沙箱環(huán)境”的模式。智能體可在受控環(huán)境中自動(dòng)執(zhí)行編譯、調(diào)試及優(yōu)化任務(wù)，從而減少人工循環(huán)迭代成本。在運(yùn)維階段，智能體的作用從開發(fā)支持延伸至系統(tǒng)生命周期管理。聯(lián)通數(shù)科已實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理智能體，它可以進(jìn)行基于自然語言的設(shè)備狀態(tài)查詢、故障定位與策略調(diào)整，使嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)維由被動(dòng)監(jiān)控轉(zhuǎn)向主動(dòng)診斷與自優(yōu)化?？傮w而言，這類嵌入式智能輔助開發(fā)工具顯著提升了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率、代碼質(zhì)量與可維護(hù)性。

4.3. 虛擬仿真平臺(tái)

虛擬仿真平臺(tái)是解決嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中硬件資源依賴問題的關(guān)鍵技術(shù)。其核心思想是通過在軟件開發(fā)階段構(gòu)建虛擬硬件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)軟硬件開發(fā)流程的解耦，使軟件模塊能夠在硬件尚未到位時(shí)獨(dú)立完成編碼與測(cè)試。該技術(shù)的應(yīng)用極大縮短了系統(tǒng)集成周期，并減少了硬件迭代帶來的開發(fā)延誤與成本開銷。

嵌入式系統(tǒng)的仿真平臺(tái)經(jīng)歷了從RTL (Register Transfer Level, 寄存器傳輸級(jí))仿真到ESL (Electronic System Level, 電子系統(tǒng)級(jí))仿真的演化過程。RTL仿真面向硬件邏輯驗(yàn)證，能夠準(zhǔn)確反映信號(hào)變化，但由于仿真粒度細(xì)和效率低的問題，導(dǎo)致其難以支撐大規(guī)模系統(tǒng)的快速驗(yàn)證。ESL建模的提出標(biāo)志著從硬件行為模擬到系統(tǒng)行為模擬的層次提升，它通過TLM [33] (Transaction Level Modeling，事務(wù)級(jí)建模)將硬件通信抽象為高層交互事件，在保證功能一致性的同時(shí)顯著提升仿真效率，允許軟件開發(fā)脫離硬件設(shè)計(jì)進(jìn)度進(jìn)行前期軟件開發(fā)、系統(tǒng)集成驗(yàn)證與虛擬原型(Virtual Prototype)構(gòu)建。

現(xiàn)代虛擬仿真平臺(tái)普遍采用接口抽象與模塊化設(shè)計(jì)，以提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與移植性。例如，VCML [34] (Virtual Component Modeling Library，虛擬組件模型庫)基于SystemC/TLM框架構(gòu)建，提供標(biāo)準(zhǔn)化的組件接口與時(shí)序控制機(jī)制。圖4演示了使用VCML組件進(jìn)行虛擬平臺(tái)構(gòu)建。在汽車電子領(lǐng)域，SystemC/TLM技術(shù)支持開發(fā)者對(duì)多ECU (Electronic Control Unit，電子控制單元)單元與車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行并發(fā)仿真[35]，實(shí)現(xiàn)并行測(cè)試與快速迭代開發(fā)。AIoTML框架[36]通過平臺(tái)無關(guān)建模與模塊化編譯器架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了面向AIoT系統(tǒng)的虛擬化仿真與控制模型統(tǒng)一抽象。Renode [37]則通過可插拔接口支持多架構(gòu)CPU與外設(shè)的快速集成，加速嵌入式系統(tǒng)驗(yàn)證。深圳航天科技創(chuàng)新研究院[38]通過高精度元器件模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)軟硬件閉環(huán)驗(yàn)證。這些平臺(tái)通過統(tǒng)一的事務(wù)接口和協(xié)同仿真機(jī)制，使多核處理器、通信總線、外設(shè)模型等組件能夠在同一環(huán)境中高效協(xié)作。

總體而言，虛擬仿真平臺(tái)的發(fā)展通過實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式從依賴硬件的串行流程向軟硬件并行協(xié)同演進(jìn)，從而顯著提升了開發(fā)效率。其高抽象層次的系統(tǒng)建模方法，不僅為復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的前期快速驗(yàn)證提供了可行途徑，也為智能化開發(fā)工具和自動(dòng)化驗(yàn)證體系的構(gòu)建奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

Figure 4. Illustration of virtual platform construction with VCML [34]

圖4. 基于VCML的虛擬平臺(tái)構(gòu)建示意圖[34]

5. 結(jié)束語

隨著嵌入式系統(tǒng)向“人–機(jī)–物”系統(tǒng)演化，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)語言及開發(fā)新范式正以“安全、泛在、高效”為目標(biāo)加速演進(jìn)。各類創(chuàng)新技術(shù)的協(xié)同融合持續(xù)推動(dòng)嵌入式開發(fā)向更高效、更可信的階段跨越。具體來說，新型嵌入式軟件語言通過運(yùn)行前消除機(jī)制與運(yùn)行時(shí)安全策略，從根源防范內(nèi)存泄漏、數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)等底層風(fēng)險(xiǎn)。低代碼平臺(tái)降低了嵌入式開發(fā)的入門門檻，吸引更多跨領(lǐng)域群體參與嵌入式創(chuàng)新。智能開發(fā)輔助工具為專業(yè)開發(fā)者提供支持，幫助他們突破復(fù)雜場(chǎng)景的開發(fā)限制。虛擬仿真平臺(tái)通過軟硬件解耦，打破了軟件開發(fā)對(duì)物理硬件依賴的效率瓶頸。隨著技術(shù)融合的持續(xù)深化，嵌入式系統(tǒng)將更廣泛地適配特定應(yīng)用領(lǐng)域的需求。無論是關(guān)鍵行業(yè)的核心控制場(chǎng)景，還是民生領(lǐng)域的智能應(yīng)用場(chǎng)景，都將依托更成熟的開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破。嵌入式軟件語言及開發(fā)新范式將加快推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)完成從技術(shù)迭代到價(jià)值落地的全面躍升，為各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供更堅(jiān)實(shí)的底層支撐。