MCU嵌入式系統(tǒng)的領域分析方法

　　1 前言

　　MCU(Micro Controller Unit)，又稱單片機 (Single Chip Microcomputer)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的 CPU、RAM、ROM、定時數(shù)器和多種 I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機。當前 MCU嵌入式系統(tǒng)之間各自封閉開發(fā)，不同系統(tǒng)之間的重復工作比較多，大大增加了軟件開發(fā)的成本和周期，同時系統(tǒng)的可靠性卻得不到保證，MCU嵌入式開發(fā)面臨著軟件規(guī)模和復雜性迅速擴大、開發(fā)時間緊張，同時又要保證開發(fā)質(zhì)量的問題。因此，迫切需要新的嵌入式軟件開發(fā)技術。

　　1968年，Mellroy在其論文“大量生產(chǎn)的軟件構件”中首次提出軟件復用的思想，其目的在于探索利用“為了復用目的而設計的軟件成分”生產(chǎn)軟件的過程，得到人們的高度關注。在各種軟件重用方法中，基于構件的軟件開發(fā)技術 (Component-Based Software Development CBSD)也是人們研究的熱點，并且在實踐中也取得了良好的效果。

　　構件化的軟件過程可以分成領域工程(開發(fā)構件)和應用過程(使用構件開發(fā)應用程序)兩個獨立的子過程。領域工程是可復用軟件資產(chǎn)生產(chǎn)的主要技術手段，它包含領域分析、領域設計和領域實現(xiàn) 3個階段。在整個軟件的復用過程中，領域分析是其關鍵，只有通過領域分析才能得到相似系統(tǒng)中的可復用資產(chǎn)（領域模型、軟件體系結構、可復用構件等）從而進一步支持領域中新系統(tǒng)開發(fā)的復用。因此形成在 MCU嵌入式系統(tǒng)中的有效的領域分析方法是極為重要的。

　　2 MCU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式及現(xiàn)狀

　　2. 1MCU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的模式

　　目前 MCU嵌入式系統(tǒng)的軟件流程基本以包含人機界面處理的主流程 (緩處理)、外部非同步中斷處理(急處理)、時序輸入為中心，再加上機芯控制處理 (按照一定規(guī)則處理)等各種其他控制組成。MCU每完成一種功能，其處理過程都遵循 IPO模式(Input,Process,Output)，如圖 1所示。

圖1 IPO現(xiàn)狀

　　對于每個模式來說，它的輸入?yún)?shù)，輸出結果都是固定的格式，所以對于一個成熟的模式來說，它的行為是確定的，約束是明確的。因為這些特點，可以很明顯地觀察到 MCU嵌入式系統(tǒng)領域所具有的內(nèi)聚性，和穩(wěn)定性。

　　因為領域的內(nèi)聚性，我們可以使用相對較少的、有限的可復用信息來反應整個領域的需求，以及應用。因為領域的穩(wěn)定性，我們通過領域工程所得到的成果，可以對進行領域工程所花費的人力、物力在將來的工作中得到補償。

　　2.2 MCU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)狀

　　MCU的應用能夠深入人類生活的各個方面，關鍵的原因在于能夠通過對軟件的靈活定制以達到不同的功能從而針對不同的應用。隨著功能的日益增長，MCU嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)難度也隨之加大。如果內(nèi)藏 ROM容量在 8K字節(jié)之內(nèi)，有經(jīng)驗的技術人員可以單獨一人花費 2-3月用匯編語言進行軟件開發(fā)，而超過 16K的 ROM想要單獨完成會更有困難。特別在消費電子領域，產(chǎn)品的更新?lián)Q代從以前的年為單位到現(xiàn)在的以月甚至以周為單位，這導致在以產(chǎn)品質(zhì)量為生命的企業(yè)中，發(fā)生質(zhì)量問題而不得不大量召回產(chǎn)品造成巨大損失的情況屢見不鮮。值得注意的是，在開發(fā)中，有經(jīng)驗的開發(fā)者通常會選擇性的復用以前的工作成果（代碼、軟件體系、工具、文檔），但這種復用一般是個人的，復用的來源也是個人以前的經(jīng)驗成果。在一個特定的領域中，例如一個企業(yè)中，這樣的復用是經(jīng)常性的，它們有著以下的特點：

　　?一個領域內(nèi)可復用的資源和復用的機遇是非常多的，但通常情況下無法對可復用資源進行管理，無法決定何時復用以及復用的方式，從而無法對產(chǎn)品的質(zhì)量進行有效控制。

　　?一個領域內(nèi)掌握某種復用資源的往往是個體，復用資源無法共享，造成資源的浪費和生產(chǎn)力不能進一步的提高。

　　?由于掌握資源的個體的離開，導致資源的損失 ;新加入的個體無法系統(tǒng)地取得這些資源，而導致工作效率的降低。

　　這種復用被稱為個人復用(ad-hoc reuse)。如果能夠對領域內(nèi)資源進行有效的整合，通過更有效的方式進行管理、復用，將能進一步提高軟件產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量，這種方式被稱為系統(tǒng)復用 (systematic reuse)。領域工程正為解決這一系列的問題提出了解決方案。

　　3 領域工程與領域分析

　　3. 1領域的含義

　　領域是指一組具有相似或相近軟件需求的應用系統(tǒng)所覆蓋的功能、問題、問題解決方案或知識區(qū)域。領域可分為水平領域和垂直領域：水平領域是指根據(jù)應用系統(tǒng)內(nèi)部模塊的功能性分類而得到的相似問題空間，如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、工作流系統(tǒng)等 ;垂直領域是指具有相似業(yè)務需求的一組相似應用系統(tǒng)所覆蓋的業(yè)務區(qū)域，而我們的 MCU嵌入式系統(tǒng)領域則屬于垂直領域。

　　3.2領域工程

　　領域工程是為一組相似或相近系統(tǒng)的應用工程建立基本能力和必備基礎的過程，它覆蓋了建立可重用的軟件構件的所有活動。領域工程對領域中的系統(tǒng)進行分析，識別這些應用的共同特征和可變特征，對刻畫這些特征的對象和操作進行選擇和抽象，形成領域模型，依據(jù)領域模型產(chǎn)生領域中應用共同具有的體系結構，即特定領域的軟件體系結構 (Domain Specific Software Architecture DSSA)，并以此為基礎，識別、開發(fā)和組織可復用構件。

　　在進行領域工程的活動中，通過對領域相關知識進行系統(tǒng)的交叉對比，能夠形成一系列的標準。這些標準對構件的選用，以及新構件的產(chǎn)生形成規(guī)約，從而指導和規(guī)范新產(chǎn)品的開發(fā)。同時，由于這些選擇是經(jīng)過了長期時間和實踐的論證，所以這些標準也是具有科學性的。當我們要進行同一領域新系統(tǒng)的開發(fā)時，只需要根據(jù)領域模型，確實新的需求規(guī)約，再根據(jù)特定領域的軟件體系結構形成新的系統(tǒng)設計，并依據(jù)相關的標準選取，構造構件，組裝到新系統(tǒng)中。這樣新系統(tǒng)的質(zhì)量以及開發(fā)效率都將得到可靠的保障，公司也能通過對行為的規(guī)范對整個開發(fā)流程進行管理、監(jiān)控。

　　3.3領域分析的含義及方法

　　在系統(tǒng)化的軟件復用中，充分的可復用信息的存在是非常重要的。這些信息需要被顯示地表示，以便在開發(fā)過程中被復用。這些可復用信息，和為方便地定位和操作它們的一些輔助信息一起構成了復用基礎設施。領域分析的目的是為了建立這些可復用的基礎設施，它的含義是指“識別、捕獲和組織特定領域中一類相似系統(tǒng)內(nèi)對象、操作等可復用信息的過程”。

　　領域分析的三個關鍵過程為：①領域邊界確立：通過對已有技術資料，典型系統(tǒng)的分析上，綜合領域專家的意見，定義出領域分析的范圍和邊界，同時收集開展領域分析工作的必要信息；②領域建模階段：根據(jù)在領域邊界確立階段得到的領域邊界以及收集到的領域內(nèi)相關信息，利用相應的建模知識和工具建立具備描述領域內(nèi)應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)和能力共性與變化性特征的領域模型；③軟件體系結構建模階段：通過已經(jīng)得到領域模型，以及領域內(nèi)設計的相關標準建立描述領域內(nèi)特定問題解決方案的軟件體系結構模型（DSSA）。