Como o desenvolvimento embarcado evoluiu nas últimas duas décadas

Como acontece com qualquer área de desenvolvimento, o desenvolvimento de sistemas embarcados é como o oceano:as correntes profundas permanecem as mesmas, subjacentes a uma superfície que raramente permanece. Correndo o risco de me afogar na comparação, meu ponto é que as bases do desenvolvimento embarcado são fundamentalmente as mesmas agora que eram quando os engenheiros tinham que girar os interruptores em microcomputadores com fio para executar o código de máquina. Como aqueles engenheiros, ainda estamos tentando monitorar eventos externos e responder de forma adequada. A maneira como chegamos lá está sempre mudando.

Superficialmente, o hardware, software e métodos usados ​​para construir sistemas embarcados estão cada vez melhores - ou pelo menos diferentes. Como uma espécie de medida dessa mudança, as pesquisas da Embedded de 1999, 2009 e 2019 oferecem um instantâneo de como o desenvolvimento embarcado evoluiu nas últimas duas décadas.

Na verdade, as próprias perguntas da pesquisa refletem parte dessa mudança. A pesquisa de 1999 teve grandes seções com perguntas sobre compiladores cruzados, metodologias de design orientado a objetos e emuladores in-circuit, mas relativamente pouco sobre sistemas operacionais. Em 2009, a pesquisa descartou essas seções específicas e incluiu mais sobre design de multiprocessador, sistemas operacionais e Linux especificamente incorporado, mas tópicos como a Internet das Coisas (IoT) e inteligência artificial (IA) não estavam no radar de ninguém. Na pesquisa de 2019, esses tópicos e, juntamente com a segurança, mostraram tanto interesse generalizado quanto uso ativo.

É difícil tentar comparar os detalhes dessas pesquisas, porque as metodologias de pesquisa mudaram significativamente em 2009. Em alguns casos, a mesma pergunta geral foi expandida para questões de múltipla escolha, onde mais de uma resposta era permitida. Isso adiciona incerteza a qualquer interpretação. Você verá isso na discussão sobre recursos de design. Além disso, alguns dos resultados abaixo carecem de dados correspondentes da pesquisa de 1999, então você verá apenas 2009 e 2019 para eles. Finalmente, tenha em mente que a margem de erro nos resultados normalmente varia de cerca de 3% a mais de 6%, portanto, comparações detalhadas são arriscadas. Finalmente, como alguém que explorou as lamentáveis ​​profundezas (aquela metáfora novamente) da manipulação estatística, tendo feito pesquisas quantitativas e benchmarking de desempenho do sistema em carreiras anteriores, esses números são apenas para fins de entretenimento . Eu certamente os achei assim.

Foco e recursos dos aplicativos

Como os principais segmentos de aplicativos para designs incorporados mudaram na última década? Embora industrial e de consumo tenham permanecido entre os cinco primeiros, os designs para aplicações automotivas e de IoT começaram a dominar (Tabela 1). É provavelmente uma aposta segura que projeta para o que chamamos de datacomm em 2009 foram incluídos em comunicações em 2019.

Tabela 1:5 principais segmentos de aplicativos (% de entrevistados)
20092019Industrial30Industrial32Datacomm24Consumer29Consumer22IoT25Instrumentos eletrônicos16Comunicação19Aerospace16Automotive17
Como a natureza dos projetos mudou nas últimas duas décadas? A pesquisa de 1999 fez várias perguntas sobre a construção de tecnologias da Web em designs. O que é particularmente interessante no estudo da pesquisa de 1999 é que 43% dos entrevistados disseram que não planejavam fazer isso, mas 14% disseram que sim. Não sei o que exatamente significa "tecnologias da Web" nessa questão, mas espero que ninguém esteja tentando incorporar um servidor httpd em seus sistemas.

De maneira mais geral, a Tabela 2 mostra como os três principais recursos de design evoluíram. A única mudança real foi um grande aumento nos designs conectados de 35% no início do milênio para um pouco mais de 90% há uma década. (Eu diria que a metodologia de pesquisa deixou em rede e sem fio como potencialmente intercambiáveis, mas que sua soma estatisticamente mostrou o mesmo nível de conectado designs em 2009 e 2019.)

Da mesma forma, os desenvolvedores embarcados vêm construindo designs alimentados por bateria há pelo menos uma década. Às vezes, a indústria esquece que o design movido a bateria existia bem antes do surgimento da IoT e dos wearables.

Tabela 2:Principais recursos de design (% de entrevistados)
199920092019 conectado em rede 355949 sem fio n / a3342 alimentado por bateria n / a3534
Linguagem de programação

É bom lembrar que C / C ++ nem sempre foi a linguagem dominante para o desenvolvimento embarcado (Figura 1). Considere algumas das outras respostas enterradas em cada pesquisa, e é provável que o surgimento de processadores de alto desempenho reduziu a necessidade de código de nível de montagem. Bem, isso e o fato de que apenas cerca de 37% dos projetos chegaram dentro do cronograma - um número que não mudou significativamente em 2019, apesar do desejo declarado em 2009 de consertar o processo de desenvolvimento (ver Figura 6 abaixo).

clique para ampliar a imagem

Figura 1:Principais linguagens de desenvolvimento (% de entrevistados).

No final de 2009, os sistemas operacionais (SO) de código aberto estavam começando a substituir o uso de um SO comercial. Em 2019, essa tendência continuou. O que é interessante aqui é que o deslocamento do sistema operacional comercial não foi apenas devido ao aumento dos sistemas operacionais de código aberto. OSs personalizados / internos também continuaram a ter maior uso (Figura 2).

clique para ampliar a imagem

Figura 2:Tipo de sistema operacional (% de entrevistados).

Arquitetura do processador

Embora o uso de arquiteturas de 32 bits tenha permanecido o mesmo na última década, as arquiteturas de 64 bits ganharam significativamente (Figura 3). Alguém poderia suspeitar que esta é uma tendência evolutiva simples conforme os desenvolvedores mudam para larguras de bits mais amplas - de 8 bits a 16 bits e 32 bits a 64 bits - conforme os desenvolvedores procuram por maior desempenho do processador e ciclos de memória mais eficientes, incluindo busca de instruções .

clique para ampliar a imagem

Figura 3:Arquiteturas de processador (% de entrevistados).

Processadores separados vs. dispositivos multicore

Talvez a tendência mais clara em 2010 tenha sido a redução do design de vários chips de processador para dispositivos com vários núcleos - de vários chips com o mesmo processador para um dispositivo homogêneo com vários núcleos ou de vários chips com diferentes processadores para um dispositivo heterogêneo com vários núcleos (Figura 4).

clique para ampliar a imagem

Figura 4:Chips de processador individual versus processadores multicore (% de entrevistados).

Drivers de decisão do processador

O principal fator que conduz a escolha do processador não mudou em duas décadas (Figura 5). A disponibilidade de ferramentas de desenvolvimento de software ainda é a primeira escolha. Alternar o código de máquina em um painel simplesmente não é uma boa ideia para ninguém. O que é interessante aqui é que a familiaridade com a arquitetura perdeu grande importância desde o início do milênio, e tanto o custo quanto os recursos de IO / periféricos continuaram a cair em importância (relativa).

clique para ampliar a imagem

Figura 5:Fatores de escolha do processador (% de entrevistados).

Desafios de tecnologia

Finalmente, como as percepções mudaram sobre os principais desafios tecnológicos que estão por vir? Se olharmos para os cinco principais desafios listados nas pesquisas de 2009 e 2019, a integração, a complexidade do código e as ferramentas de software continuaram como principais preocupações. O que é interessante aqui é que as preocupações declaradas sobre o processo de desenvolvimento desapareceram na última década, sendo substituídas por preocupações com baixo consumo de energia e segurança. Na verdade, o aumento das preocupações com a segurança e as medidas tomadas para mitigar as ameaças formaram uma grande parte da pesquisa de 2019. Em 2009, apenas 3% dos entrevistados declararam a segurança como uma preocupação. Conforme observado anteriormente, a baixa taxa estatisticamente semelhante no desempenho do projeto no prazo em 2009 e 2019 sugere que a mudança na importância relativa em 2019 no que diz respeito ao processo de desenvolvimento tem menos a ver com qualquer sucesso aparente a esse respeito e mais a ver com o surgimento de preocupações mais críticas.

clique para ampliar a imagem

Figura 6:Principais desafios de tecnologia (% de entrevistados).

Então, o que tudo isso significa para 2020?

Podemos extrapolar esses resultados para sugerir que questões como ferramentas de desenvolvimento de software e gerenciamento de tamanho de código permanecerão importantes, e as características do processador, como desempenho e periféricos, cairão em importância relativa. Por outro lado, o surgimento em 2020 de apenas algumas novas tecnologias, como ferramentas de desenvolvimento sem código, computação quântica e núcleos de IA que suportam modelos de rede neural treináveis ​​em campo, parecem apresentar causa para uma mudança dramática nos desafios de design. Mas eles vão?

Os sistemas embarcados ainda exigirão ferramentas para escrever (ou gerar) código e provavelmente precisarão fazê-lo para projetos de hardware de multiprocessador heterogêneo mais complexos. Esses projetos ainda precisarão interagir com o mundo físico, mas a natureza das interfaces pode se distanciar ainda mais das interfaces com fio de sensores ou dispositivos de pares cooperativos. A demanda por mais funcionalidade continuará a aumentar, levando à necessidade de mais desempenho e recursos aprimorados de hardware capaz de executar aplicativos mais sofisticados. Em última análise, os projetos de sistemas embarcados para esta nova década ainda precisarão interagir de forma mais eficiente com as fontes de dados, executar códigos mais complexos com latência mínima e lidar com ameaças de segurança mais sofisticadas - ao mesmo tempo em que consomem corrente mínima de fontes de energia ultrabaixa. Provavelmente usaremos abordagens muito diferentes, mas os objetivos permanecerão os mesmos.

Examine as três pesquisas citadas aqui para 1999, 2009 e 2019 e diga-nos as próprias conclusões ou previsões na seção de comentários abaixo.