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

引 言

近些年來(lái)，隨著嵌入式產(chǎn)品需求的不斷增加，嵌入式軟件正變得越來(lái)越復(fù)雜，而產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期也越來(lái)越短。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)迫切需要更高效的軟件重用手段。

隨著軟件復(fù)用研究成為熱點(diǎn)，其核心技術(shù)——構(gòu)件化軟件開(kāi)發(fā)方法(CBD)引起了軟件工程領(lǐng)域的高度關(guān)注，并且在工程應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大的成功。這種開(kāi)發(fā)方法已在辦公應(yīng)用、電子商務(wù)、因特網(wǎng)及分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中廣泛使用；但在嵌入式領(lǐng)域，構(gòu)件技術(shù)仍處于起步階段，目前沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一通用的構(gòu)件規(guī)范。盡管如此，由于基于構(gòu)件的軟件設(shè)計(jì)方法能夠極好地滿足嵌入式軟件幾乎所有的特性(如定制、裁剪、動(dòng)態(tài)演變等)，有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，這種設(shè)計(jì)方法無(wú)疑將給嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)巨大的好處。

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(pán)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(guò)接口對(duì)外界提供服務(wù)或向外界請(qǐng)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(duì)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(duì)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(wèn)題。

構(gòu)件具備以下幾個(gè)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(duì)象，例如JavaBean；在軟件體系結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件即結(jié)構(gòu)單元，例如結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言ADL。這些構(gòu)件模型適合更高層的應(yīng)用軟件，但不適合在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中占主導(dǎo)地位的底層系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)。

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。

這里，從嵌入式構(gòu)件的定義出發(fā)，將參考文獻(xiàn)中通用軟件構(gòu)件模型作適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，使其成為適用于嵌入式系統(tǒng)的基本構(gòu)件模型。

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l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，即對(duì)外提供的服務(wù)；屬性描述了構(gòu)件的基本信息；接口將構(gòu)件與外界連接，在得到自己需要的服務(wù)后，為外界提供服務(wù)，每一種接口對(duì)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。常見(jiàn)的描述屬性有以下幾種。

名稱：構(gòu)件以名稱作為標(biāo)識(shí)。

標(biāo)識(shí)：每個(gè)構(gòu)件都對(duì)應(yīng)唯一的ID號(hào)，區(qū)別于其他構(gòu)件。

類型：將構(gòu)件歸類，便于檢索與管理。

版本號(hào)：用于構(gòu)件的更新。

編程語(yǔ)言：表示構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言。

構(gòu)件描述信息：簡(jiǎn)述構(gòu)件功能。

表示形式：一個(gè)構(gòu)件可以是源代碼、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、靜態(tài)鏈接庫(kù)，以及文檔、圖表等形式。

(2)約束屬性

約束屬性描述構(gòu)件所依賴的環(huán)境。約束屬性可分為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(kù)等。專有約束屬性包括特殊硬件需求、時(shí)間約束和內(nèi)存需求等。

(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(lái)開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)，必須考慮構(gòu)件的QoS屬性，以評(píng)估它所提供的性能指標(biāo)。常見(jiàn)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是一個(gè)可移植、占先式、實(shí)時(shí)的多任務(wù)內(nèi)核，以任務(wù)為基本處理單位，能同時(shí)管理高達(dá)63個(gè)任務(wù)。它實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，對(duì)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(yǔ)言編寫(xiě)，只有少部分微處理器專用的代碼用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，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(duì)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(wèn)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。例如，鍵盤(pán)為一構(gòu)件系統(tǒng)，顯示器也為一構(gòu)件系統(tǒng)。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(wèn)題中抽象出來(lái)，同時(shí)對(duì)各個(gè)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行相對(duì)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。

我們把構(gòu)件系統(tǒng)構(gòu)造成抽象層次中的不同部分，最抽象(最接近應(yīng)用領(lǐng)域)的位于“頂部”，最具體(最接近硬件)的位于“底部”。這樣，可以將構(gòu)件系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上構(gòu)造為6個(gè)獨(dú)立的層次：應(yīng)用層、用戶接口層、通信層、OS層、硬件抽象層和配置描述層。

每個(gè)層次為一個(gè)構(gòu)件子系統(tǒng)，每個(gè)構(gòu)件子系統(tǒng)內(nèi)包含有一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件。通過(guò)構(gòu)件間的依賴關(guān)系來(lái)定位和拼接構(gòu)件，組裝構(gòu)件子系統(tǒng)，最終生成所需要的構(gòu)件系統(tǒng)。其中，配置描述層記錄構(gòu)件系統(tǒng)屬性、結(jié)構(gòu)說(shuō)明、相關(guān)參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)類型定義，以及構(gòu)件系統(tǒng)中各構(gòu)件的依賴關(guān)系。配置描述層作用于其他各個(gè)層次，記錄了構(gòu)件系統(tǒng)所需的一切信息，使得構(gòu)件系統(tǒng)的移植更為方便，同時(shí)也易于構(gòu)件的查詢、檢索、維護(hù)及出入庫(kù)管理。

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(duì)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(wú)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。

層(即構(gòu)件子系統(tǒng))的接口是所包含的構(gòu)件接口的組合。分層接口從上層看是透明的，對(duì)下層則是不透明的。在層接口處定義的構(gòu)件僅對(duì)整個(gè)層次結(jié)構(gòu)中該層或者該層之上的構(gòu)件可見(jiàn)。只要符合一定的條件，每一層都可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)程度的復(fù)用，只需要替換相關(guān)的構(gòu)件即可。

這里，特別要提到“原型”的概念。在各個(gè)層中，每個(gè)垂直切片僅實(shí)現(xiàn)與切片的目的相關(guān)的部分。這種實(shí)現(xiàn)方案稱為“迭代式原型(iterative prototyping)”，每個(gè)切片稱為一個(gè)“原型(prototype)”。實(shí)現(xiàn)原型時(shí)，每個(gè)原型都在其前驅(qū)所實(shí)現(xiàn)的特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)造。原型的序列根據(jù)邏輯上特性的優(yōu)先順序來(lái)確定。本體系結(jié)構(gòu)引入原型的概念，每個(gè)原型包含來(lái)自各層的一個(gè)或者多個(gè)構(gòu)件，后面的原型構(gòu)造于先前原型所提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上。每個(gè)原型將實(shí)現(xiàn)一種特定的功能，逐漸增加功能，最終實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用程序。

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(pán)構(gòu)件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

嵌入式構(gòu)件從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，大部分的工作就是對(duì)輸入／輸出部分進(jìn)行處理。其構(gòu)件主要有鍵盤(pán)、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(duì)嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這部分的重要性是不言而喻的。其中，鍵盤(pán)更是嵌入式應(yīng)用程序最常用的器件，因此本文以鍵盤(pán)為例，依據(jù)上述體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建了鍵盤(pán)應(yīng)用模型，配置實(shí)現(xiàn)了鍵盤(pán)功能。

圖2為鍵盤(pán)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(wèn)的類和對(duì)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(wú)需考慮服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式。同時(shí)，由于低一些的層中提供了定義良好的接口集合，可以用不同的底層實(shí)現(xiàn)來(lái)替換它們，這樣，整個(gè)構(gòu)件系統(tǒng)就能更方便地移植到其他的物理環(huán)境中。

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(jí)向上層傳遞，經(jīng)過(guò)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(guò)程其實(shí)也是一個(gè)原型的形成過(guò)程，即最終實(shí)現(xiàn)了一鍵盤(pán)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(kāi)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(jiǎn)便。隨后在該集成環(huán)境上，配置鍵盤(pán)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(pán)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。

結(jié) 語(yǔ)

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(pán)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(lái)的發(fā)展方向。