MCU嵌入式系統的領(lǐng)域分析方法

　　1 前言

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

　　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(guò)程，得到人們的高度關(guān)注。在各種軟件重用方法中，基于構件的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù) (Component-Based Software Development CBSD)也是人們研究的熱點(diǎn)，并且在實(shí)踐中也取得了良好的效果。

　　構件化的軟件過(guò)程可以分成領(lǐng)域工程(開(kāi)發(fā)構件)和應用過(guò)程(使用構件開(kāi)發(fā)應用程序)兩個(gè)獨立的子過(guò)程。領(lǐng)域工程是可復用軟件資產(chǎn)生產(chǎn)的主要技術(shù)手段，它包含領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設計和領(lǐng)域實(shí)現 3個(gè)階段。在整個(gè)軟件的復用過(guò)程中，領(lǐng)域分析是其關(guān)鍵，只有通過(guò)領(lǐng)域分析才能得到相似系統中的可復用資產(chǎn)（領(lǐng)域模型、軟件體系結構、可復用構件等）從而進(jìn)一步支持領(lǐng)域中新系統開(kāi)發(fā)的復用。因此形成在 MCU嵌入式系統中的有效的領(lǐng)域分析方法是極為重要的。

　　2 MCU嵌入式系統開(kāi)發(fā)模式及現狀

　　2. 1MCU嵌入式系統開(kāi)發(fā)的模式

　　目前 MCU嵌入式系統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(shí)序輸入為中心，再加上機芯控制處理 (按照一定規則處理)等各種其他控制組成。MCU每完成一種功能，其處理過(guò)程都遵循 IPO模式(Input,Process,Output)，如圖 1所示。

圖1 IPO現狀

　　對于每個(gè)模式來(lái)說(shuō)，它的輸入參數，輸出結果都是固定的格式，所以對于一個(gè)成熟的模式來(lái)說(shuō)，它的行為是確定的，約束是明確的。因為這些特點(diǎn)，可以很明顯地觀(guān)察到 MCU嵌入式系統領(lǐng)域所具有的內聚性，和穩定性。

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

　　2.2 MCU嵌入式系統開(kāi)發(fā)的現狀

　　MCU的應用能夠深入人類(lèi)生活的各個(gè)方面，關(guān)鍵的原因在于能夠通過(guò)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(zhù)功能的日益增長(cháng)，MCU嵌入式系統的開(kāi)發(fā)難度也隨之加大。如果內藏 ROM容量在 8K字節之內，有經(jīng)驗的技術(shù)人員可以單獨一人花費 2-3月用匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，而超過(guò) 16K的 ROM想要單獨完成會(huì )更有困難。特別在消費電子領(lǐng)域，產(chǎn)品的更新?lián)Q代從以前的年為單位到現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(wèn)題而不得不大量召回產(chǎn)品造成巨大損失的情況屢見(jiàn)不鮮。值得注意的是，在開(kāi)發(fā)中，有經(jīng)驗的開(kāi)發(fā)者通常會(huì )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(gè)人的，復用的來(lái)源也是個(gè)人以前的經(jīng)驗成果。在一個(gè)特定的領(lǐng)域中，例如一個(gè)企業(yè)中，這樣的復用是經(jīng)常性的，它們有著(zhù)以下的特點(diǎn)：

　　?一個(gè)領(lǐng)域內可復用的資源和復用的機遇是非常多的，但通常情況下無(wú)法對可復用資源進(jìn)行管理，無(wú)法決定何時(shí)復用以及復用的方式，從而無(wú)法對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行有效控制。

　　?一個(gè)領(lǐng)域內掌握某種復用資源的往往是個(gè)體，復用資源無(wú)法共享，造成資源的浪費和生產(chǎn)力不能進(jìn)一步的提高。

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

　　這種復用被稱(chēng)為個(gè)人復用(ad-hoc reuse)。如果能夠對領(lǐng)域內資源進(jìn)行有效的整合，通過(guò)更有效的方式進(jìn)行管理、復用，將能進(jìn)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(chēng)為系統復用 (systematic reuse)。領(lǐng)域工程正為解決這一系列的問(wèn)題提出了解決方案。

　　3 領(lǐng)域工程與領(lǐng)域分析

　　3. 1領(lǐng)域的含義

　　領(lǐng)域是指一組具有相似或相近軟件需求的應用系統所覆蓋的功能、問(wèn)題、問(wèn)題解決方案或知識區域。領(lǐng)域可分為水平領(lǐng)域和垂直領(lǐng)域：水平領(lǐng)域是指根據應用系統內部模塊的功能性分類(lèi)而得到的相似問(wèn)題空間，如數據庫系統、工作流系統等 ;垂直領(lǐng)域是指具有相似業(yè)務(wù)需求的一組相似應用系統所覆蓋的業(yè)務(wù)區域，而我們的 MCU嵌入式系統領(lǐng)域則屬于垂直領(lǐng)域。

　　3.2領(lǐng)域工程

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

　　在進(jìn)行領(lǐng)域工程的活動(dòng)中，通過(guò)對領(lǐng)域相關(guān)知識進(jìn)行系統的交叉對比，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)生形成規約，從而指導和規范新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，由于這些選擇是經(jīng)過(guò)了長(cháng)期時(shí)間和實(shí)踐的論證，所以這些標準也是具有科學(xué)性的。當我們要進(jìn)行同一領(lǐng)域新系統的開(kāi)發(fā)時(shí)，只需要根據領(lǐng)域模型，確實(shí)新的需求規約，再根據特定領(lǐng)域的軟件體系結構形成新的系統設計，并依據相關(guān)的標準選取，構造構件，組裝到新系統中。這樣新系統的質(zhì)量以及開(kāi)發(fā)效率都將得到可靠的保障，公司也能通過(guò)對行為的規范對整個(gè)開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行管理、監控。

　　3.3領(lǐng)域分析的含義及方法

　　在系統化的軟件復用中，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(kāi)發(fā)過(guò)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(lǐng)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(lǐng)域中一類(lèi)相似系統內對象、操作等可復用信息的過(guò)程”。

　　領(lǐng)域分析的三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程為：①領(lǐng)域邊界確立：通過(guò)對已有技術(shù)資料，典型系統的分析上，綜合領(lǐng)域專(zhuān)家的意見(jiàn)，定義出領(lǐng)域分析的范圍和邊界，同時(shí)收集開(kāi)展領(lǐng)域分析工作的必要信息；②領(lǐng)域建模階段：根據在領(lǐng)域邊界確立階段得到的領(lǐng)域邊界以及收集到的領(lǐng)域內相關(guān)信息，利用相應的建模知識和工具建立具備描述領(lǐng)域內應用系統數據和能力共性與變化性特征的領(lǐng)域模型；③軟件體系結構建模階段：通過(guò)已經(jīng)得到領(lǐng)域模型，以及領(lǐng)域內設計的相關(guān)標準建立描述領(lǐng)域內特定問(wèn)題解決方案的軟件體系結構模型（DSSA）。