嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中組件技術(shù)的研究及應(yīng)用

　　0 引 言

　　基于組件的開發(fā)(Component Based Development，CBD)技術(shù)在軟件工程中占有舉足輕重的地位，并且在許多工程應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的成功。在通用計算機(jī)軟件、電子商務(wù)、Internet和分布式計算環(huán)境中CBD技術(shù)已經(jīng)得到了成熟的應(yīng)用。但是，在其他一些領(lǐng)域，如嵌入式系統(tǒng)中，CBD的應(yīng)用還及其有限。由于不同嵌入式系統(tǒng)的需求和硬件平臺各異，要開發(fā)出適用于所有系統(tǒng)的通用組件是極其困難的，目前只能夠針對特定應(yīng)用領(lǐng)域和平臺研究開發(fā)適用的組件。正是由于嵌入式系統(tǒng)的差異性、專門性與組件技術(shù)的通用性之間的矛盾，所以要利用組件進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)，就必須采取適用的組件技術(shù)和系統(tǒng)開發(fā)方法。

　　在此，主要介紹了面向組件軟件工程的總體原則及其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過分析嵌入式系統(tǒng)中對組件的要求和通用組件技術(shù)的差異，提出了嵌入式組件的設(shè)計原則，并基于嵌入式組件的特點，提出一種面向組件的嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)方法。表明盡管嵌入式系統(tǒng)與通用計算平臺具有很大的差異，但是組件技術(shù)仍然可以成功地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。

　　1嵌入式系統(tǒng)和組件技術(shù)

　　1.1嵌入式系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)是滿足專門需求的小型計算機(jī)系統(tǒng)。例如，車載控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、移動電話或者傳感控制系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的范圍極其廣泛，從微型計算設(shè)備到復(fù)雜的大型監(jiān)控設(shè)備都屬于嵌入式系統(tǒng)的范疇。實時性是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的特性，是在系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的重要概念。對于實時性的要求，不同嵌入式系統(tǒng)可以分為軟實時系統(tǒng)(Soft Time System)和硬實時系統(tǒng)(Hard Time System)。嵌入式系統(tǒng)一般還要求有很好的穩(wěn)定性和可靠性。由于功能專一，需求多樣和系統(tǒng)小型化，這就要求系統(tǒng)的成本低廉，從而限制了系統(tǒng)的硬件性能。由于嵌入式系統(tǒng)的資源限制和實時性要求，軟件開發(fā)人員往往不能夠利用先進(jìn)的通用軟件工程技術(shù)，而必須使用一些非正規(guī)的方法，利用高效的程序語言進(jìn)行開發(fā)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加，對系統(tǒng)的需求分析，模型設(shè)計，早期的錯誤檢測，開發(fā)周期，可維護(hù)性等方面提出了新的要求。因此推動了先進(jìn)的軟件工程方法向嵌入式開發(fā)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)移。

　　1.2組件技術(shù)

　　組件技術(shù)就是一種軟件工程中的先進(jìn)技術(shù)。組件可以認(rèn)為是能夠用于構(gòu)建大型系統(tǒng)的自包含的部件或子系統(tǒng)。在軟件工程中，一個組件與一個微型應(yīng)用程序類似，即都是已經(jīng)編譯鏈接好，并可以使用的二進(jìn)制代碼，應(yīng)用程序由多個這樣的組件打包而得到。在需要對應(yīng)用程序進(jìn)行修改或改進(jìn)時，只需要將構(gòu)成此應(yīng)用程序組件中的某個用新版本替換掉即可。這樣，使用組件技術(shù)的系統(tǒng)就具有很好的靈活性和可移植性。另外強(qiáng)大的組件庫能夠為開發(fā)人員提供功能豐富的組件支持，從而大大縮短軟件的開發(fā)周期。使用組件的種種優(yōu)點直接來源于可以將它們動態(tài)地插入或卸出的應(yīng)用。為了實現(xiàn)這種功能，所有的組件必須滿足兩個條件：一是組件必須動態(tài)鏈接；二是它們必須隱藏其內(nèi)部實現(xiàn)細(xì)節(jié)。另外，利用組件還能幫助開發(fā)人員根據(jù)所使用的組件功能預(yù)測和驗證系統(tǒng)的功能特性。正是由于組件具有諸多優(yōu)點，基于組件的開發(fā)技術(shù)才引起了軟件工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，并且逐漸將它引入迅猛發(fā)展的嵌入式軟件開發(fā)領(lǐng)域中。

　　2嵌入式系統(tǒng)組件的設(shè)計原則

　　2.1接口設(shè)計原則

　　適用于嵌入式系統(tǒng)中的組件遵從大部分的通用組件設(shè)計原則，特別是組件的接口和實現(xiàn)相分離的封裝特性。組件的接口是組件功能的體現(xiàn)，系統(tǒng)中的其他部分或者組件正是通過接口使用組件提供的功能。但是對于嵌入式系統(tǒng)而言，有一些額外的系統(tǒng)特性或約束和系統(tǒng)功能是同樣重要的(如實時性)，那么接口僅包含組件本身的功能特性就不完備，它還必須包含額外的系統(tǒng)特性，即加入約束條件。這樣在系統(tǒng)設(shè)計階段，利用組件進(jìn)行設(shè)計不但能夠驗證功能需求，而且還能預(yù)測和分析系統(tǒng)特性需求。

　　2.2組件綁定與發(fā)布原則

　　在通用組件的設(shè)計中，接口是以支持運行期綁定的多態(tài)對象接口方式實現(xiàn)的。組件完全以動態(tài)形式綁定，獨立于接口的定義。這樣為組件復(fù)用、系統(tǒng)升級提供了強(qiáng)大的靈活性。但是，這種靈活性在嵌入式系統(tǒng)中會帶來性能的下降和風(fēng)險的上升，影響系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。因為所有組件都在運行期綁定，這樣必然會增加冗余代碼，并且讓系統(tǒng)行為變得難以預(yù)測。因此，通用組件的動態(tài)特性在嵌入式系統(tǒng)中特別是小型系統(tǒng)中是不可行的。由于實時性和硬件資源限制，在嵌入式系統(tǒng)中，組件鏈接和組合最好在系統(tǒng)設(shè)計期靜態(tài)而不是運行期動態(tài)地進(jìn)行。進(jìn)行組件的靜態(tài)綁定，可以通過系統(tǒng)建模工具對一個基于組件的系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生一個總體視圖，這樣能夠?qū)ο到y(tǒng)性能有更好的預(yù)測和優(yōu)化。所以組件的形式不應(yīng)該再使用通用組件中的二進(jìn)制可執(zhí)行文件形式發(fā)布，而應(yīng)該采用高級語言或更為抽象的建模語言(如UML)定義組件的形式，這樣可以讓組件在編譯期或者在設(shè)計的早期就可以綁定鏈接，而不是像通用組件那樣的遲綁定(Late Binding)。

　　2.3 大型嵌入式系統(tǒng)中的組件原則

　　隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，許多功能復(fù)雜的大型嵌入式系統(tǒng)也隨之出現(xiàn)。對于這些系統(tǒng)硬件資源和實時性已經(jīng)不是首要的考慮因素，如何有效控制系統(tǒng)復(fù)雜性和降低高昂的開發(fā)成本已成為最主要的問題。所以對于這樣的大型嵌入式系統(tǒng)，通用組件幾乎可以毫無障礙地在系統(tǒng)中發(fā)揮作用，極大地簡化了開發(fā)難度，減少了開發(fā)工作量和開發(fā)周期。如微軟的嵌入式系統(tǒng)Windows CE就是這項技術(shù)的成功應(yīng)用，系統(tǒng)功能和應(yīng)用功能完全以組件方式列出，開發(fā)人員只需要簡單地添加和刪除就能將一項復(fù)雜功能加入或移除系統(tǒng)鏡像，并且支持功能強(qiáng)大的COM組件庫，為應(yīng)用程序的開發(fā)提供了非常便利的工具。當(dāng)然，那些要求強(qiáng)實時的大型嵌入式系統(tǒng)也不應(yīng)該使用通用組件技術(shù)，應(yīng)該根據(jù)具體的系統(tǒng)特性使用精簡版本來進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

　　3面向嵌入式組件的系統(tǒng)開發(fā)過程

　　由以上分析可以看出，由于嵌入式系統(tǒng)的功能和性能要求，以及硬件資源限制和復(fù)雜性控制需求，適用于嵌入式軟件系統(tǒng)的組件體現(xiàn)了接口定義約束、靜態(tài)綁定和抽象語言的發(fā)布形式等特性。那么正是由于這些特性的存在，適用于通用組件的軟件開發(fā)方法就不能直接應(yīng)用于嵌入式軟件開發(fā)過程，而需要一種適合于嵌入式組件特性的系統(tǒng)開發(fā)方法。下面介紹面向嵌入式組件的開發(fā)過程，它能夠有效地利用和體現(xiàn)嵌入式組件的特性。

　　整個開發(fā)過程如圖1所示。根據(jù)組成與分解、抽象與具體的兩個基本開發(fā)思想建立了一個二維坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)為抽象與具體；縱坐標(biāo)為分解與組合。兩個坐標(biāo)軸將整個開發(fā)空間分成了4部分，即建模過程的4個基本步驟：分解、實體化、組合、確認(rèn)。

　　分解 整個開發(fā)過程從圖1的左上角開始。黑色方框代表了最初的待實現(xiàn)系統(tǒng)，即開發(fā)人員經(jīng)過需求分析所建立的系統(tǒng)模型。通過系統(tǒng)功能域的劃分，將系統(tǒng)進(jìn)行分解，在每一個功能域都包含了與該功能相關(guān)的所有邏輯組件。每一個邏輯組件再作為一個子系統(tǒng)遞歸地進(jìn)行分解，直到組件達(dá)到了可重用組件的粒度。分解過程只是從抽象和邏輯角度決定組件的功能形式。

　　實體化 將具有最小粒度的不能再分解的邏輯組件進(jìn)行實體化。由于這些邏輯組件已經(jīng)具有了明確的功能或者直接就是已有的組件，所以可以很容易地將這些邏輯組件轉(zhuǎn)化為實際組件，如圖1中右下角的黑粗線方框所示。

　　組合 將重用的或者是將實現(xiàn)的實際組件，根據(jù)抽象模型，通過組件接口組合起來，該過程完全是分解的逆過程。如圖2所示。

　　驗證 對實體化以后再構(gòu)建起來的系統(tǒng)與最初的待實現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行對比，利用組件的功能和約束特性預(yù)測整個系統(tǒng)的功能和性能，從而驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

　　面向嵌入式組件開發(fā)的整個過程體現(xiàn)為一個樹形結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一棵組件樹。樹的每一片葉子都代表一個組件，而每一個組件都可以視為一棵子樹，遞歸地利用該開發(fā)過程。整個過程總是不斷利用已有組件或者明確可實現(xiàn)的小粒度組件的組合對設(shè)計進(jìn)行驗證，由于組件接口和實現(xiàn)已經(jīng)靜態(tài)綁定，每一個組件在運行時的功能在設(shè)計期就能完全確定，這樣能幫助開發(fā)人員在最早的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的缺陷，及時對設(shè)汁進(jìn)行修改。

　　4 結(jié) 語

　　如今，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于生活的方方面面。CBD技術(shù)無疑會對嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展起到重要的作用。這里通過深入分析通用組件的設(shè)計原則和嵌入式系統(tǒng)的特性要求，提出了適合于嵌入式系統(tǒng)的組件設(shè)計原則和開發(fā)方法，使組件技術(shù)的優(yōu)點在嵌入式系統(tǒng)中得到了很好的體現(xiàn)，為CBD技術(shù)向嵌入式領(lǐng)域的轉(zhuǎn)移提供了一種有效的途徑。

　　當(dāng)然，要使CBD技術(shù)得以在嵌入式系統(tǒng)中充分的利用，還有一些問題有待推進(jìn)和解決。例如，目前還缺乏廣泛使用的適合于嵌入式系統(tǒng)的組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)的組件技術(shù)還不能夠支持對嵌入式系統(tǒng)性能特性(如實時性)的定義和分析，并且應(yīng)用于具有特定系統(tǒng)性能要求的嵌入式系統(tǒng)的組件組合方法和系統(tǒng)設(shè)計時的功能預(yù)測和驗證手段都還有待于發(fā)展。此外，幫助嵌入式開發(fā)人員進(jìn)行組件和系統(tǒng)建模、分析和驗證的輔助工具還需要進(jìn)一步的開發(fā)和引入。