基于μC／OS—II的嵌入式構件系統設計

引 言

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l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。

硬件抽象層實(shí)現硬件的驅動(dòng)、I／O控制，可以用于同一種硬件平臺的很多應用中。OS層主要用于與操作系統相關(guān)的操作，包括系統任務(wù)的創(chuàng )建、消息的創(chuàng )建等。通信層實(shí)現數據的傳遞、數據格式的轉換。

用戶(hù)接口層提供與底層應用相關(guān)的基本操作函數、對外接口函數，實(shí)現上下層之間的互操作。應用層位于頂層，用于實(shí)現用戶(hù)的應用程序。用戶(hù)無(wú)需關(guān)心底層的硬件結構，直接使用用戶(hù)接口層提供的基本操作函數，即可編程實(shí)現自己需要的功能。

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

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)現與切片的目的相關(guān)的部分。這種實(shí)現方案稱(chēng)為“迭代式原型(iterative prototyping)”，每個(gè)切片稱(chēng)為一個(gè)“原型(prototype)”。實(shí)現原型時(shí)，每個(gè)原型都在其前驅所實(shí)現的特性的基礎上進(jìn)行構造。原型的序列根據邏輯上特性的優(yōu)先順序來(lái)確定。本體系結構引入原型的概念，每個(gè)原型包含來(lái)自各層的一個(gè)或者多個(gè)構件，后面的原型構造于先前原型所提供的服務(wù)的基礎上。每個(gè)原型將實(shí)現一種特定的功能，逐漸增加功能，最終實(shí)現用戶(hù)應用程序。

分層的結構設計保持了頂層與低層很好的一致性，實(shí)現了橫向分離；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。

3 嵌入式構件系統的實(shí)現

3．1 鍵盤(pán)構件系統的實(shí)現

嵌入式構件從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，大部分的工作就是對輸入／輸出部分進(jìn)行處理。其構件主要有鍵盤(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了整個(gè)操作系統的相當部分，對嵌入式操作系統來(lái)說(shuō)，這部分的重要性是不言而喻的。其中，鍵盤(pán)更是嵌入式應用程序最常用的器件，因此本文以鍵盤(pán)為例，依據上述體系結構構建了鍵盤(pán)應用模型，配置實(shí)現了鍵盤(pán)功能。

圖2為鍵盤(pán)構件系統分層體系結構。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(fǎng)問(wèn)的類(lèi)和對象。虛線(xiàn)箭頭表示的是依賴(lài)關(guān)系，每層都依賴(lài)于其下一層的包，且構件與構件之間也存在著(zhù)依賴(lài)關(guān)系。上層調用位于下層具體一些的層次中的服務(wù)，這種單向依賴(lài)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)現來(lái)替換它們，這樣，整個(gè)構件系統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據的傳遞方向，數據在硬件抽象層取得后，逐級向上層傳遞，經(jīng)過(guò)層層處理、轉換，最終到達應用層，被用戶(hù)程序所用。而此處，數據的傳輸過(guò)程其實(shí)也是一個(gè)原型的形成過(guò)程，即最終實(shí)現了一鍵盤(pán)響應處理任務(wù)。

3．2 構件生成集成環(huán)境的實(shí)現

基于構件系統體系結構，本文擬開(kāi)發(fā)了一構件生成集成環(huán)境，如圖3所示。該環(huán)境可以實(shí)現構件系統的自配置、自拼接、源代碼自生成，結構清晰，使用簡(jiǎn)便。隨后在該集成環(huán)境上，配置鍵盤(pán)構件系統，自動(dòng)生成源代碼，并在博創(chuàng )ARM300實(shí)驗平臺上實(shí)現了鍵盤(pán)響應，很好地驗證了此體系結構的可行性及優(yōu)越性。

結 語(yǔ)

本文擴展了通用軟件構件的概念，提出了適用于嵌入式系統的構件模型；并在此基礎上設計了嵌入式軟件6層體系結構，采用了分層的結構設計，實(shí)現了橫向分離，而“原型”的引用使得各層縱向相連。此體系結構不僅實(shí)現了軟硬件分離，同時(shí)也實(shí)現了功能的分離，有利于實(shí)現穩定性好的嵌入式系統。最后，本文在鍵盤(pán)應用實(shí)例中驗證了其可行性。隨著(zhù)嵌入式系統的硬件發(fā)展，以及基于構件的軟件設計方法自身的不斷完善，基于構件的軟件設計方法必將是未來(lái)的發(fā)展方向。