分析基于μC/OS-II的嵌入式構(gòu)件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

μC/OS-II 是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它適用于多種微處理器，微控制器和數(shù)字處理芯片。在所有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，μC/OS-II的源代碼幾乎是最整潔、編寫最一致的。自1992年問世以來，μC/OS-II已經(jīng)被應(yīng)用到數(shù)以百計(jì)的產(chǎn)品中。本文嘗試將構(gòu)件化軟件設(shè)計(jì)思想引入嵌入式軟件設(shè)計(jì)中，提出了一種適用于嵌入式軟件的基于構(gòu)件的軟件體系結(jié)構(gòu)，并且在常用輸入設(shè)備鍵盤的應(yīng)用實(shí)踐中，驗(yàn)證了此體系結(jié)構(gòu)的可行性。

1 嵌入式構(gòu)件技術(shù)

1．1 構(gòu) 件

構(gòu)件可以視為一個(gè)通過接口對外界提供服務(wù)或向外界請求服務(wù)的黑盒，多個(gè)構(gòu)件可以組成一個(gè)更高層次的構(gòu)件，構(gòu)件比對象提供了更高的設(shè)計(jì)抽象。構(gòu)件是二進(jìn)制可替換的，這個(gè)特點(diǎn)使它們與“類”有著顯著的不同。當(dāng)創(chuàng)建了一個(gè)構(gòu)件的修訂版本時(shí)，它可以替代同一構(gòu)件的原先版本，而不必重新編譯其他構(gòu)件。通常，只要一個(gè)構(gòu)件滿足相同的接口，就可替換另一個(gè)構(gòu)件，而不必對其他構(gòu)件做任何修改。因此，構(gòu)件能夠很好地解決更新、維護(hù)、分布和復(fù)用等諸多問題。

構(gòu)件基本特征：可復(fù)用性、可封裝性、組裝性、可定制性、自治性、粗粒度、集成特征、接口連接機(jī)制。目前，構(gòu)建模型大致可分為2類：在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，構(gòu)件即對象；在軟件體系結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件即結(jié)構(gòu)單元。

1.2 嵌入式構(gòu)件

1．2．1 嵌入式構(gòu)件模型

嵌入式構(gòu)件為實(shí)現(xiàn)一定嵌入式系統(tǒng)功能的一組封裝的、規(guī)范的、可重用的、具有嵌入特性的軟件單元，是組成嵌入式系統(tǒng)的功能單位。它是被標(biāo)準(zhǔn)化的、具有重用性、支持QoS的、能夠提供實(shí)時(shí)應(yīng)用的軟件資源。

每個(gè)嵌入式構(gòu)件由4部分構(gòu)成：構(gòu)件體、屬性、接口、依賴關(guān)系。圖1為基本構(gòu)件的示意圖。構(gòu)件體實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的基本功能；屬性描述了構(gòu)件的基本信息；接口將構(gòu)件與外界連接，為外界提供服務(wù)，每一種接口對應(yīng)一個(gè)不同的服務(wù)；依賴關(guān)系標(biāo)識(shí)構(gòu)件間的所有關(guān)系，用于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間的拼接。

1．2．2 嵌入式構(gòu)件屬性

屬性是描述構(gòu)件某個(gè)方面特征的元數(shù)據(jù)。屬性定義了構(gòu)件查找的方法，可以根據(jù)任意一條屬性記錄快速找到符合條件的構(gòu)件。由于嵌入式構(gòu)件的特殊性，可以將嵌入式軟件構(gòu)件的屬性分為3種：描述屬性、約束屬性和服務(wù)質(zhì)量(QoS)屬性。

(1)描述屬性

描述屬性指的是一般構(gòu)件都具有的公共屬性。

(2)約束屬性

約束屬性描述構(gòu)件所依賴的環(huán)境。約束屬性分為2類：描述絕大多數(shù)構(gòu)件都具有的公有約束屬性和描述單獨(dú)構(gòu)件特殊需求的專有約束屬性。公有約束屬性包括CPU類型、操作系統(tǒng)、依賴的類庫等。

(3)QoS屬性

QoS屬性是嵌入式軟件構(gòu)件最重要的要素。為了選取合適的構(gòu)件來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，必須考慮構(gòu)件的QoS屬性，以*估它所提供的性能指標(biāo)。常見的QoS屬性包括平均執(zhí)行時(shí)間、最差執(zhí)行時(shí)間、最優(yōu)執(zhí)行時(shí)間、內(nèi)存消耗、功耗、健壯性、可靠性和安全性等。

2 嵌入式軟件構(gòu)件設(shè)計(jì)

2．1 μC／OS—II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

μC／0S—II實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，對處理器以及ROM、RAM資源的要求不高；另外，它的代碼大部分用ANSI C語言編寫，只有少部分微處理器專用的代碼用匯編語言編寫，有利于程序的移植。

2．2 基于構(gòu)件的嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)

一個(gè)構(gòu)件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由一系列定義的構(gòu)件框架和針對該框架設(shè)計(jì)的構(gòu)件間的相互作用關(guān)系組成。體系結(jié)構(gòu)是所要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體規(guī)劃，它為構(gòu)件的組裝提供基礎(chǔ)框架和接口規(guī)范。

目前，嵌入式構(gòu)件技術(shù)研究的核心之一是構(gòu)件模型和軟件體系結(jié)構(gòu)(軟件構(gòu)架)這兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的問題。不同的構(gòu)件只能在相應(yīng)的軟件構(gòu)架中使用，因此基于構(gòu)件的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)也可認(rèn)為是基于體系結(jié)構(gòu)(構(gòu)架)的軟件設(shè)計(jì)，也稱之為基于“構(gòu)件一構(gòu)架”的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述的嵌入式基本構(gòu)件模型，本文提出了一適用于嵌入式系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)。其中，定義“構(gòu)件系統(tǒng)”為一特定應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)某一具體功能。另外，定義“構(gòu)件子系統(tǒng)”。它類似于UML中的包概念，代表元素的邏輯分組，將具體的應(yīng)用從實(shí)際問題中抽象出來，同時(shí)對各個(gè)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行相對分離，這樣做可以獨(dú)立地分析各個(gè)關(guān)注點(diǎn)，從而可以更好地分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。一個(gè)構(gòu)件子系統(tǒng)可以包含一個(gè)構(gòu)件或者是多個(gè)構(gòu)件的集合。

硬件抽象層實(shí)現(xiàn)硬件的驅(qū)動(dòng)、I／O控制，可以用于同一種硬件平臺(tái)的很多應(yīng)用中。OS層主要用于與操作系統(tǒng)相關(guān)的操作，包括系統(tǒng)任務(wù)的創(chuàng)建、消息的創(chuàng)建等。通信層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

用戶接口層提供與底層應(yīng)用相關(guān)的基本操作函數(shù)、對外接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)上下層之間的互操作。應(yīng)用層位于頂層，用于實(shí)現(xiàn)用戶的應(yīng)用程序。用戶無需關(guān)心底層的硬件結(jié)構(gòu)，直接使用用戶接口層提供的基本操作函數(shù)，即可編程實(shí)現(xiàn)自己需要的功能。

分層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持了頂層與低層很好的一致性，實(shí)現(xiàn)了橫向分離；同時(shí)，原型的引用使得各層間的連接更為緊密，縱向相連，從而得到集成度更高、更可靠的系統(tǒng)。

3 嵌入式構(gòu)件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3．1 鍵盤構(gòu)件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

嵌入式構(gòu)件從本質(zhì)上來說，大部分的工作就是對輸入／輸出部分進(jìn)行處理。其構(gòu)件主要有鍵盤、前向通道的處理(如A／D處理)、后向通道的處理(如D／A處理)、USB控制、網(wǎng)絡(luò)控制、液晶顯示等。輸入／輸出軟件的代碼占據(jù)了整個(gè)操作系統(tǒng)的相當(dāng)部分，對嵌入式操作系統(tǒng)來說，這部分的重要性是不言而喻的。其中，鍵盤更是嵌入式應(yīng)用程序最常用的器件，因此本文以鍵盤為例，依據(jù)上述體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建了鍵盤應(yīng)用模型，配置實(shí)現(xiàn)了鍵盤功能。

圖2為鍵盤構(gòu)件系統(tǒng)分層體系結(jié)構(gòu)。每層左邊顯示的“棒棒糖”形狀表示層的接口，接口是一組可以從外部訪問的類和對象。虛線箭頭表示的是依賴關(guān)系，每層都依賴于其下一層的包，且構(gòu)件與構(gòu)件之間也存在著依賴關(guān)系。上層調(diào)用位于下層具體一些的層次中的服務(wù)，這種單向依賴使得可以在不同的上下文中使用相同的服務(wù)，而無需考慮服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式。

另外，圖2中的寬箭頭表明了數(shù)據(jù)的傳遞方向，數(shù)據(jù)在硬件抽象層取得后，逐級向上層傳遞，經(jīng)過層層處理、轉(zhuǎn)換，最終到達(dá)應(yīng)用層，被用戶程序所用。而此處，數(shù)據(jù)的傳輸過程其實(shí)也是一個(gè)原型的形成過程，即最終實(shí)現(xiàn)了一鍵盤響應(yīng)處理任務(wù)。

3．2 構(gòu)件生成集成環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

基于構(gòu)件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，本文擬開發(fā)了一構(gòu)件生成集成環(huán)境，如圖3所示。該環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件系統(tǒng)的自配置、自拼接、源代碼自生成，結(jié)構(gòu)清晰，使用簡便。隨后在該集成環(huán)境上，配置鍵盤構(gòu)件系統(tǒng)，自動(dòng)生成源代碼，并在博創(chuàng)ARM300實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了鍵盤響應(yīng)，很好地驗(yàn)證了此體系結(jié)構(gòu)的可行性及優(yōu)越性。

本文擴(kuò)展了通用軟件構(gòu)件的概念，提出了適用于嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)件模型；并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了嵌入式軟件6層體系結(jié)構(gòu)，采用了分層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了橫向分離，而“原型”的引用使得各層縱向相連。此體系結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了軟硬件分離，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了功能的分離，有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性好的嵌入式系統(tǒng)。最后，本文在鍵盤應(yīng)用實(shí)例中驗(yàn)證了其可行性。隨著嵌入式系統(tǒng)的硬件發(fā)展，以及基于構(gòu)件的軟件設(shè)計(jì)方法自身的不斷完善，基于構(gòu)件的軟件設(shè)計(jì)方法必將是未來的發(fā)展方向。