基于UC/OS-II的嵌入式構件系統設計

近些年來(lái)，隨著(zhù)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(zhù)軟件復用研究成為熱點(diǎn)，其核心技術(shù)——構件化軟件開(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)方法已在辦公應用、電子商務(wù)、因特網(wǎng)及分布式網(wǎng)絡(luò )應用中廣泛使用；但在嵌入式領(lǐng)域，構件技術(shù)仍處于起步階段，目前沒(méi)有一個(gè)統一通用的構件規范。盡管如此，由于基于構件的軟件設計方法能夠極好地滿(mǎn)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，這種設計方法無(wú)疑將給嵌入式系統的開(kāi)發(fā)帶來(lái)巨大的好處。

本文嘗試將構件化軟件設計思想引入嵌入式軟件設計中，提出了一種適用于嵌入式軟件的基于構件的軟件體系結構，并且在常用輸入設備鍵盤(pán)的應用實(shí)踐中，驗證了此體系結構的可行性。

1 嵌入式構件技術(shù)

1．1 構 件

構件可以視為一個(gè)通過(guò)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)構件可以組成一個(gè)更高層次的構件，構件比對象提供了更高的設計抽象。構件是二進(jìn)制可替換的，這個(gè)特點(diǎn)使它們與“類(lèi)”有著(zhù)顯著(zhù)的不同。當創(chuàng )建了一個(gè)構件的修訂版本時(shí)，它可以替代同一構件的原先版本，而不必重新編譯其他構件。通常，只要一個(gè)構件滿(mǎn)足相同的接口，就可替換另一個(gè)構件，而不必對其他構件做任何修改。因此，構件能夠很好地解決更新、維護、分布和復用等諸多問(wèn)題。

構件具備以下幾個(gè)基本特征：可復用性、可封裝性、組裝性、可定制性、自治性、粗粒度、集成特征、接口連接機制。目前，構建模型大致可分為2類(lèi)：在面向對象的程序設計中，構件即對象，例如JavaBean；在軟件體系結構中，構件即結構單元，例如結構描述語(yǔ)言ADL。這些構件模型適合更高層的應用軟件，但不適合在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中占主導地位的底層系統軟件的開(kāi)發(fā)。

1.2 嵌入式構件

1．2．1 嵌入式構件模型

嵌入式構件為實(shí)現一定嵌入式系統功能的一組封裝的、規范的、可重用的、具有嵌入特性的軟件單元，是組成嵌入式系統的功能單位。它是被標準化的、具有重用性、支持QoS的、能夠提供實(shí)時(shí)應用的軟件資源。

這里，從嵌入式構件的定義出發(fā)，將參考文獻中通用軟件構件模型作適當的擴展，使其成為適用于嵌入式系統的基本構件模型。

每個(gè)嵌入式構件由4部分構成：構件體、屬性、接口、依賴(lài)關(guān)系。圖1為基本構件的示意圖。構件體實(shí)現構件的基本功能，即對外提供的服務(wù)；屬性描述了構件的基本信息；接口將構件與外界連接，在得到自己需要的服務(wù)后，為外界提供服務(wù)，每一種接口對應一個(gè)不同的服務(wù)；依賴(lài)關(guān)系標識構件間的所有關(guān)系，用于實(shí)現構件間的拼接。

1．2．2 嵌入式構件屬性

屬性是描述構件某個(gè)方面特征的元數據。屬性定義了構件查找的方法，可以根據任意一條屬性記錄快速找到符合條件的構件。由于嵌入式構件的特殊性，可以將嵌入式軟件構件的屬性分為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件都具有的公共屬性。常見(jiàn)的描述屬性有以下幾種。

名稱(chēng)：構件以名稱(chēng)作為標識。
標識：每個(gè)構件都對應唯一的ID號，區別于其他構件。
類(lèi)型：將構件歸類(lèi)，便于檢索與管理。
版本號：用于構件的更新。
編程語(yǔ)言：表示構件的實(shí)現語(yǔ)言。
構件描述信息：簡(jiǎn)述構件功能。
表示形式：一個(gè)構件可以是源代碼、動(dòng)態(tài)鏈接庫、靜態(tài)鏈接庫，以及文檔、圖表等形式。

(2)約束屬性

約束屬性描述構件所依賴(lài)的環(huán)境。約束屬性可分為2類(lèi)：描述絕大多數構件都具有的公有約束屬性和描述單獨構件特殊需求的專(zhuān)有約束屬性。公有約束屬性包括 CPU類(lèi)型、操作系統、依賴(lài)的類(lèi)庫等。專(zhuān)有約束屬性包括特殊硬件需求、時(shí)間約束和內存需求等。

(3)QoS屬性

QoS屬性是嵌入式軟件構件最重要的要素。為了選取合適的構件來(lái)開(kāi)發(fā)嵌入式系統，必須考慮構件的QoS屬性，以評估它所提供的性能指標。常見(jiàn)的QoS屬性包括平均執行時(shí)間、最差執行時(shí)間、最優(yōu)執行時(shí)間、內存消耗、功耗、健壯性、可靠性和安全性等。

2 嵌入式軟件構件設計

2．1 μC／OS—II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統

μC／0S—II是一個(gè)可移植、占先式、實(shí)時(shí)的多任務(wù)內核，以任務(wù)為基本處理單位，能同時(shí)管理高達63個(gè)任務(wù)。它實(shí)時(shí)性強，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(yǔ)言編寫(xiě)，只有少部分微處理器專(zhuān)用的代碼用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，有利于程序的移植。

2．2 基于構件的嵌入式軟件體系結構

一個(gè)構件系統的體系結構由一系列定義的構件框架和針對該框架設計的構件間的相互作用關(guān)系組成。體系結構是所要實(shí)現系統的整體規劃，它為構件的組裝提供基礎框架和接口規范。

目前，嵌入式構件技術(shù)研究的核心之一是構件模型和軟件體系結構(軟件構架)這兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。不同的構件只能在相應的軟件構架中使用，因此基于構件的應用軟件設計也可認為是基于體系結構(構架)的軟件設計，也稱(chēng)之為基于“構件一構架”的應用軟件設計。

根據上述的嵌入式基本構件模型，本文提出了一適用于嵌入式系統的軟件體系結構。其中，定義“構件系統”為一特定應用，實(shí)現某一具體功能。例如，鍵盤(pán)為一構件系統，顯示器也為一構件系統。另外，定義“構件子系統”。它類(lèi)似于UML中的包概念，代表元素的邏輯分組，將具體的應用從實(shí)際問(wèn)題中抽象出來(lái)，同時(shí)對各個(gè)關(guān)注區域進(jìn)行相對分離，這樣做可以獨立地分析各個(gè)關(guān)注點(diǎn)，從而可以更好地分析系統的結構。一個(gè)構件子系統可以包含一個(gè)構件或者是多個(gè)構件的集合。

我們把構件系統構造成抽象層次中的不同部分，最抽象(最接近應用領(lǐng)域)的位于“頂部”，最具體(最接近硬件)的位于“底部”。這樣，可以將構件系統從結構上構造為6個(gè)獨立的層次：應用層、用戶(hù)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)構件子系統，每個(gè)構件子系統內包含有一個(gè)或多個(gè)構件。通過(guò)構件間的依賴(lài)關(guān)系來(lái)定位和拼接構件，組裝構件子系統，最終生成所需要的構件系統。其中，配置描述層記錄構件系統屬性、結構說(shuō)明、相關(guān)參數設置與系統類(lèi)型定義，以及構件系統中各構件的依賴(lài)關(guān)系。配置描述層作用于其他各個(gè)層次，記錄了構件系統所需的一切信息，使得構件系統的移植更為方便，同時(shí)也易于構件的查詢(xún)、檢索、維護及出入庫管理。

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