嵌入式組件技術(shù)的研究及應用

摘 要：嵌入式系統不斷增大的復雜度和市場(chǎng)實(shí)效性的要求推動(dòng)了基于組件的開(kāi)發(fā)技術(shù)(Componet-based Develop-ment，CBD)向嵌入式軟件領(lǐng)域的轉移。通過(guò)深入分析通用組件的設計原則和嵌入式系統的特性要求，提出了符合嵌入式系統的組件設計原則，并且根據嵌入式組件的特點(diǎn)，提出了一種基于“組件樹(shù)”的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)方法，使組件技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在嵌入式系統中得到了很好的體現，為CBD技術(shù)向嵌入式領(lǐng)域的’轉移提供了一種有效的途徑。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統；組件；CBD；軟件開(kāi)發(fā)

0 引 言
基于組件的開(kāi)發(fā)(Component Based Development,CBD)技術(shù)在軟件工程中占有舉足輕重的地位，并且在許多工程應用領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的成功。在通用計算機軟件、電子商務(wù)、Internet和分布式計算環(huán)境中CBD技術(shù)已經(jīng)得到了成熟的應用。但是，在其他一些領(lǐng)域，如嵌入式系統中，CBD的應用還及其有限。由于不同嵌入式系統的需求和硬件平臺各異，要開(kāi)發(fā)出適用于所有系統的通用組件是極其困難的，目前只能夠針對特定應用領(lǐng)域和平臺研究開(kāi)發(fā)適用的組件。正是由于嵌入式系統的差異性、專(zhuān)門(mén)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(kāi)發(fā)，就必須采取適用的組件技術(shù)和系統開(kāi)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中的應用。通過(guò)分析嵌入式系統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計原則，并基于嵌入式組件的特點(diǎn)，提出一種面向組件的嵌入式軟件系統開(kāi)發(fā)方法。表明盡管嵌入式系統與通用計算平臺具有很大的差異，但是組件技術(shù)仍然可以成功地應用于嵌入式領(lǐng)域。

l 嵌入式系統和組件技術(shù)
1．1 嵌入式系統
嵌入式系統是滿(mǎn)足專(zhuān)門(mén)需求的小型計算機系統。例如，車(chē)載控制系統、工業(yè)控制系統、移動(dòng)電話(huà)或者傳感控制系統。嵌入式系統的范圍極其廣泛，從微型計算設備到復雜的大型監控設備都屬于嵌入式系統的范疇。實(shí)時(shí)性是大多數嵌入式系統的特性，是在系統設計時(shí)需要考慮的重要概念。對于實(shí)時(shí)性的要求，不同嵌入式系統可以分為軟實(shí)時(shí)系統(Solt Time System)和硬實(shí)時(shí)系統(Hard Time System)。嵌入式系統一般還要求有很好的穩定性和可靠性。由于功能專(zhuān)一，需求多樣和系統小型化，這就要求系統的成本低廉，從而限制了系統的硬件性能。由于嵌入式系統的資源限制和實(shí)時(shí)性要求，軟件開(kāi)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的方法，利用高效的程序語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。隨著(zhù)系統復雜性不斷增加，對系統的需求分析，模型設計，早期的錯誤檢測，開(kāi)發(fā)周期，可維護性等方面提出了新的要求。因此推動(dòng)了先進(jìn)的軟件工程方法向嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的轉移。
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)。組件可以認為是能夠用于構建大型系統的自包含的部件或子系統。在軟件工程中，一個(gè)組件與一個(gè)微型應用程序類(lèi)似，即都是已經(jīng)編譯鏈接好，并可以使用的二進(jìn)制代碼，應用程序由多個(gè)這樣的組件打包而得到。在需要對應用程序進(jìn)行修改或改進(jìn)時(shí)，只需要將構成此應用程序組件中的某個(gè)用新版本替換掉即可。這樣，使用組件技術(shù)的系統就具有很好的靈活性和可移植性。另外強大的組件庫能夠為開(kāi)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(kāi)發(fā)周期。使用組件的種種優(yōu)點(diǎn)直接來(lái)源于可以將它們動(dòng)態(tài)地插入或卸出的應用。為了實(shí)現這種功能，所有的組件必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是組件必須動(dòng)態(tài)鏈接；二是它們必須隱藏其內部實(shí)現細節。另外，利用組件還能幫助開(kāi)發(fā)人員根據所使用的組件功能預測和驗證系統的功能特性。正是由于組件具有諸多優(yōu)點(diǎn)，基于組件的開(kāi)發(fā)技術(shù)才引起了軟件工程領(lǐng)域的廣泛應用，并且逐漸將它引入迅猛發(fā)展的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中。

2 嵌入式系統組件的設計原則
2．1 接口設計原則
適用于嵌入式系統中的組件遵從大部分的通用組件設計原則，特別是組件的接口和實(shí)現相分離的封裝特性。組件的接口是組件功能的體現，系統中的其他部分或者組件正是通過(guò)接口使用組件提供的功能。但是對于嵌入式系統而言，有一些額外的系統特性或約束和系統功能是同樣重要的(如實(shí)時(shí)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特性，即加入約束條件。這樣在系統設計階段，利用組件進(jìn)行設計不但能夠驗證功能需求，而且還能預測和分析系統特性需求。
2．2 組件綁定與發(fā)布原則
在通用組件的設計中，接口是以支持運行期綁定的多態(tài)對象接口方式實(shí)現的。組件完全以動(dòng)態(tài)形式綁定，獨立于接口的定義。這樣為組件復用、系統升級提供了強大的靈活性。但是，這種靈活性在嵌入式系統中會(huì )帶來(lái)性能的下降和風(fēng)險的上升，影響系統的實(shí)時(shí)性和穩定性。因為所有組件都在運行期綁定，這樣必然會(huì )增加冗余代碼，并且讓系統行為變得難以預測。因此，通用組件的動(dòng)態(tài)特性在嵌入式系統中特別是小型系統中是不可行的。由于實(shí)時(shí)性和硬件資源限制，在嵌入式系統中，組件鏈接和組合最好在系統設計期靜態(tài)而不是運行期動(dòng)態(tài)地進(jìn)行。進(jìn)行組件的靜態(tài)綁定，可以通過(guò)系統建模工具對一個(gè)基于組件的系統設計產(chǎn)生一個(gè)總體視圖，這樣能夠對系統性能有更好的預測和優(yōu)化。所以組件的形式不應該再使用通用組件中的二進(jìn)制可執行文件形式發(fā)布，而應該采用高級語(yǔ)言或更為抽象的建模語(yǔ)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 大型嵌入式系統中的組件原則
隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，許多功能復雜的大型嵌入式系統也隨之出現。對于這些系統硬件資源和實(shí)時(shí)性已經(jīng)不是首要的考慮因素，如何有效控制系統復雜性和降低高昂的開(kāi)發(fā)成本已成為最主要的問(wèn)題。所以對于這樣的大型嵌入式系統，通用組件幾乎可以毫無(wú)障礙地在系統中發(fā)揮作用，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)難度，減少了開(kāi)發(fā)工作量和開(kāi)發(fā)周期。如微軟的嵌入式系統Windows CE就是這項技術(shù)的成功應用，系統功能和應用功能完全以組件方式列出，開(kāi)發(fā)人員只需要簡(jiǎn)單地添加和刪除就能將一項復雜功能加入或移除系統鏡像，并且支持功能強大的COM組件庫，為應用程序的開(kāi)發(fā)提供了非常便利的工具。當然，那些要求強實(shí)時(shí)的大型嵌人式系統也不應該使用通用組件技術(shù)，應該根據具體的系統特性使用精簡(jiǎn)版本來(lái)進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)。