抽象工具排解系統設計復雜性
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作者：Robert Cravotta
時(shí)間：2005-09-04
來(lái)源：EDN電子設計技術(shù)
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抽象工具排解系統設計復雜性
嵌入式開(kāi)發(fā)工具不斷包含更高層次的抽象來(lái)平衡設計復雜性的增長(cháng)
要點(diǎn)
● 抽象通過(guò)隱藏細節來(lái)降低復雜性。
● 抽象不會(huì )減少某項設計的細節數量。
● 自動(dòng)化開(kāi)發(fā)工具可簡(jiǎn)化以前的創(chuàng )新設計思路和實(shí)現方法，并使之商品化。
● 抽象隱藏細節，但不應該妨礙您檢查細節。
復雜性是相對的。如果您無(wú)法在特定環(huán)境內描繪問(wèn)題的特性并了解問(wèn)題，那么復雜性就會(huì )使您無(wú)法解決問(wèn)題。同時(shí)，復雜性為你提供制造出與眾不同產(chǎn)品的機會(huì )。再則，復雜性如果被你攻克，就會(huì )成為您搞出與眾不同設計的基礎，并成為競爭對手的障礙，盡管是臨時(shí)障礙。如果沒(méi)有足夠的復雜性，就很難提供獨特的增值功能， 這是因為競爭對手可以很容易地仿制您的開(kāi)發(fā)成果，并在他們的產(chǎn)品中增加這些功能。
一條工程經(jīng)驗法則是：設計小組能夠以最低成本，在最短的開(kāi)發(fā)時(shí)間內交付組合有最佳功能的產(chǎn)品，條件是他們只關(guān)注其中的兩個(gè)要素，犧牲第三個(gè)要素。在一個(gè)競爭的領(lǐng)域內，至關(guān)重要的是要實(shí)現所有這三個(gè)要素，這又會(huì )提高設計成果的總復雜性（附文《無(wú)法滿(mǎn)足的胃口》）。幸好，您不必徹底了解產(chǎn)品的每一個(gè)細節就能使用它。使用能支持特定領(lǐng)域的抽象工具或能為自己正在研制的系統創(chuàng )建特定抽象的工具，就是一種降低設計復雜性、提高開(kāi)發(fā)效率的技術(shù)。
抽象是對某系統的細節進(jìn)行組織的過(guò)程，這樣您就可以專(zhuān)注于總體情況的關(guān)鍵要素。抽象并不會(huì )減少——甚至還可能增加——您必須為某項設計而要處理的細節數量。然而，抽象能夠組織這些細節，以便您能減少你為設計中任何一部分必須考慮的細節數量。建立有用抽象的挑戰性在于根據環(huán)境和誰(shuí)將使用這些抽象，確定哪些性能是必不可少的，哪些性能是可以忽略的。抽象是智能框架，從多個(gè)方面對某個(gè)系統進(jìn)行抽象也許是很有用的。設計師和用戶(hù)也許需要使用同一系統的不同抽象。對于分層抽象來(lái)說(shuō)，工作在每個(gè)抽象層次的設計師也許需要與一組不同的細節打交道。
對某個(gè)系統適當地進(jìn)行抽象，可以為設計小組的每名成員降低系統復雜性，這是因為您可以避免每位設計師去考慮不相關(guān)的細節。實(shí)際上，您是在簡(jiǎn)化和限定每一位設計師必須面對的條件范圍。抽象某個(gè)系統，可能有利于匯總系統微觀(guān)行為，以便能在宏觀(guān)層次揭示微觀(guān)行為，使之概念化，再進(jìn)行處置。有時(shí)，不必了解各事件的具體順序就可以從存儲器中提取數據，或對這些數據進(jìn)行算術(shù)運算。然而有些時(shí)候，例如，當您的系統對連續數據流進(jìn)行實(shí)時(shí)的計算密集型操作時(shí)，了解并控制這兩種機制的細節對于項目的成功是至關(guān)重要的。
抽象某個(gè)系統可以幫助您鑒別、隔離并管理一個(gè)系統的邏輯部件之間在計算和接口兩個(gè)方面的相關(guān)性，這樣您就能在各部分中解決大問(wèn)題。如果您缺乏恰當的詞匯和其它符號工具來(lái)表述某個(gè)問(wèn)題，您就會(huì )在解決該問(wèn)題時(shí)面臨嚴重的障礙。恰當地抽象某個(gè)系統，可以為您提供詞匯和符號集，從而在設計小組成員之間就各個(gè)部分及其相互關(guān)系進(jìn)行有意義的溝通。恰當的詞匯和符號集是適用于特定應用和特定領(lǐng)域的。一個(gè)標準的或通用的符號集可能無(wú)法使您充分表述您正在努力解決的系統和問(wèn)題，它可能會(huì )使您偏向采用一種次優(yōu)方法。
工具、工具、工具
產(chǎn)品設計正在一代一代地增加占用更多處理能力的復雜功能，而產(chǎn)品設計周期比以往任何時(shí)候都短。為了跟上這些設計日益提高的復雜性，開(kāi)發(fā)小組可以依靠以下手段：重復使用既有設計；獲得第三方知識產(chǎn)權 (IP) 的許可證；使用各種抽象或隱藏目標平臺實(shí)現細節的工具。匯編器、編譯器、建模工具、代碼發(fā)生器、操作系統和外設驅動(dòng)程序都能隱藏目標處理平臺的細節，而且一般都能提高設計師的工作效率。這幾類(lèi)工具通常不提供應用級抽象；它們按分層方式工作，從而抽象目標實(shí)現細節并使之自動(dòng)化，而無(wú)需了解系統的行為。
另一類(lèi)代碼發(fā)生器，比如 Celoxica 公司和 Stretch 公司的產(chǎn)品，有助于把 C 源碼自動(dòng)轉換成硬件塊。這些工具使您能夠保持一致的軟件開(kāi)發(fā)方法，并仍能受益于采用并行單元的硬件處理速度加快。AccelChip 公司和 Catalytic 公司的代碼發(fā)生器工作于更高的層次，直接依靠 Matlab 文件，來(lái)生成可合成的 RTL，或把浮點(diǎn)模型轉換成定點(diǎn)目標代碼。
應用抽象工具試圖使系統行為與實(shí)現方法無(wú)關(guān)。Aonix公司、The MathWorks公司、National Instruments公司、Teja 公司提供的工具，能為十分關(guān)鍵的信號安全處理或高度并行的多處理器應用系統提供特定域抽象。特定域抽象工具包括合適的符號工具和結構，而這些工具與結構使您能更自然地表述和探索該域中的設計方法，不過(guò)在目標域之外，它們的用處通常是有限的。通用抽象工具，如 I-Logix 公司和 IBM 公司的 UML（統一建模語(yǔ)言）工具， 使您能夠創(chuàng )建自己的抽象，而且在更廣的應用范圍內都很有用，但要依靠您運用您的工程專(zhuān)業(yè)知識來(lái)構建有意義的特定域抽象。
圖 1，UML 是OMG公司 的模型驅動(dòng)體系結構的基礎。與平臺無(wú)關(guān)的模型包含系統行為，而特定平臺模型根據特定平臺映射規則和與平臺無(wú)關(guān)模型的標記，包含實(shí)現細則。
MDA（模型驅動(dòng)的體系結構）開(kāi)發(fā)工具使系統行為細節的建模與實(shí)現方法細節的建模無(wú)關(guān)，具體做法是將這些模型分割成與UML 平臺無(wú)關(guān)的模型和特定平臺模型（圖 1）。與平臺無(wú)關(guān)模型不包括技術(shù)實(shí)現細節，側重于描述系統的功能和行為。MDA 開(kāi)發(fā)工具應用映射模板來(lái)產(chǎn)生特定平臺模型。為了實(shí)現這種轉換，您必須精確調節與平臺無(wú)關(guān)的模型，并對它做注釋?zhuān)员慵舆M(jìn)語(yǔ)義學(xué)和規則，用以生成代碼。MDA 開(kāi)發(fā)工具根據這些模型產(chǎn)生機器生成的代碼，您可以對照行為模型來(lái)測試已生成代碼的正確性。如果您改變行為模型或實(shí)現模型，則重新生成的代碼始終會(huì )利用這些變化。
只要對較低層次實(shí)現細節的生成進(jìn)行抽象和自動(dòng)化，這些工具就能提供一種使設計能在各種目標平臺之間移植，并使設計塊能被反復使用的機制。然而，抽象只能實(shí)現移植機制。例如，如果目標處理器沒(méi)有代碼生成器，您就必須人工移植設計實(shí)現。除了這些益處之外，隨著(zhù)更高層次的工具在目標級變得更成熟、更便于使用、更有效，能夠維持既有設計細節并實(shí)質(zhì)性參與嵌入式設計的人數會(huì )相應增多（圖 2）。擁有技巧和知識以便使用較低級別工具進(jìn)行設計的人現在要比能使用較高級工具進(jìn)行設計的人少。
要點(diǎn)
● 抽象通過(guò)隱藏細節來(lái)降低復雜性。
● 抽象不會(huì )減少某項設計的細節數量。
● 自動(dòng)化開(kāi)發(fā)工具可簡(jiǎn)化以前的創(chuàng )新設計思路和實(shí)現方法，并使之商品化。
● 抽象隱藏細節，但不應該妨礙您檢查細節。
復雜性是相對的。如果您無(wú)法在特定環(huán)境內描繪問(wèn)題的特性并了解問(wèn)題，那么復雜性就會(huì )使您無(wú)法解決問(wèn)題。同時(shí)，復雜性為你提供制造出與眾不同產(chǎn)品的機會(huì )。再則，復雜性如果被你攻克，就會(huì )成為您搞出與眾不同設計的基礎，并成為競爭對手的障礙，盡管是臨時(shí)障礙。如果沒(méi)有足夠的復雜性，就很難提供獨特的增值功能， 這是因為競爭對手可以很容易地仿制您的開(kāi)發(fā)成果，并在他們的產(chǎn)品中增加這些功能。
一條工程經(jīng)驗法則是：設計小組能夠以最低成本，在最短的開(kāi)發(fā)時(shí)間內交付組合有最佳功能的產(chǎn)品，條件是他們只關(guān)注其中的兩個(gè)要素，犧牲第三個(gè)要素。在一個(gè)競爭的領(lǐng)域內，至關(guān)重要的是要實(shí)現所有這三個(gè)要素，這又會(huì )提高設計成果的總復雜性（附文《無(wú)法滿(mǎn)足的胃口》）。幸好，您不必徹底了解產(chǎn)品的每一個(gè)細節就能使用它。使用能支持特定領(lǐng)域的抽象工具或能為自己正在研制的系統創(chuàng )建特定抽象的工具，就是一種降低設計復雜性、提高開(kāi)發(fā)效率的技術(shù)。
抽象是對某系統的細節進(jìn)行組織的過(guò)程，這樣您就可以專(zhuān)注于總體情況的關(guān)鍵要素。抽象并不會(huì )減少——甚至還可能增加——您必須為某項設計而要處理的細節數量。然而，抽象能夠組織這些細節，以便您能減少你為設計中任何一部分必須考慮的細節數量。建立有用抽象的挑戰性在于根據環(huán)境和誰(shuí)將使用這些抽象，確定哪些性能是必不可少的，哪些性能是可以忽略的。抽象是智能框架，從多個(gè)方面對某個(gè)系統進(jìn)行抽象也許是很有用的。設計師和用戶(hù)也許需要使用同一系統的不同抽象。對于分層抽象來(lái)說(shuō)，工作在每個(gè)抽象層次的設計師也許需要與一組不同的細節打交道。
對某個(gè)系統適當地進(jìn)行抽象，可以為設計小組的每名成員降低系統復雜性，這是因為您可以避免每位設計師去考慮不相關(guān)的細節。實(shí)際上，您是在簡(jiǎn)化和限定每一位設計師必須面對的條件范圍。抽象某個(gè)系統，可能有利于匯總系統微觀(guān)行為，以便能在宏觀(guān)層次揭示微觀(guān)行為，使之概念化，再進(jìn)行處置。有時(shí)，不必了解各事件的具體順序就可以從存儲器中提取數據，或對這些數據進(jìn)行算術(shù)運算。然而有些時(shí)候，例如，當您的系統對連續數據流進(jìn)行實(shí)時(shí)的計算密集型操作時(shí)，了解并控制這兩種機制的細節對于項目的成功是至關(guān)重要的。
抽象某個(gè)系統可以幫助您鑒別、隔離并管理一個(gè)系統的邏輯部件之間在計算和接口兩個(gè)方面的相關(guān)性，這樣您就能在各部分中解決大問(wèn)題。如果您缺乏恰當的詞匯和其它符號工具來(lái)表述某個(gè)問(wèn)題，您就會(huì )在解決該問(wèn)題時(shí)面臨嚴重的障礙。恰當地抽象某個(gè)系統，可以為您提供詞匯和符號集，從而在設計小組成員之間就各個(gè)部分及其相互關(guān)系進(jìn)行有意義的溝通。恰當的詞匯和符號集是適用于特定應用和特定領(lǐng)域的。一個(gè)標準的或通用的符號集可能無(wú)法使您充分表述您正在努力解決的系統和問(wèn)題，它可能會(huì )使您偏向采用一種次優(yōu)方法。
工具、工具、工具
產(chǎn)品設計正在一代一代地增加占用更多處理能力的復雜功能，而產(chǎn)品設計周期比以往任何時(shí)候都短。為了跟上這些設計日益提高的復雜性，開(kāi)發(fā)小組可以依靠以下手段：重復使用既有設計；獲得第三方知識產(chǎn)權 (IP) 的許可證；使用各種抽象或隱藏目標平臺實(shí)現細節的工具。匯編器、編譯器、建模工具、代碼發(fā)生器、操作系統和外設驅動(dòng)程序都能隱藏目標處理平臺的細節，而且一般都能提高設計師的工作效率。這幾類(lèi)工具通常不提供應用級抽象；它們按分層方式工作，從而抽象目標實(shí)現細節并使之自動(dòng)化，而無(wú)需了解系統的行為。
另一類(lèi)代碼發(fā)生器，比如 Celoxica 公司和 Stretch 公司的產(chǎn)品，有助于把 C 源碼自動(dòng)轉換成硬件塊。這些工具使您能夠保持一致的軟件開(kāi)發(fā)方法，并仍能受益于采用并行單元的硬件處理速度加快。AccelChip 公司和 Catalytic 公司的代碼發(fā)生器工作于更高的層次，直接依靠 Matlab 文件，來(lái)生成可合成的 RTL，或把浮點(diǎn)模型轉換成定點(diǎn)目標代碼。
應用抽象工具試圖使系統行為與實(shí)現方法無(wú)關(guān)。Aonix公司、The MathWorks公司、National Instruments公司、Teja 公司提供的工具，能為十分關(guān)鍵的信號安全處理或高度并行的多處理器應用系統提供特定域抽象。特定域抽象工具包括合適的符號工具和結構，而這些工具與結構使您能更自然地表述和探索該域中的設計方法，不過(guò)在目標域之外，它們的用處通常是有限的。通用抽象工具，如 I-Logix 公司和 IBM 公司的 UML（統一建模語(yǔ)言）工具， 使您能夠創(chuàng )建自己的抽象，而且在更廣的應用范圍內都很有用，但要依靠您運用您的工程專(zhuān)業(yè)知識來(lái)構建有意義的特定域抽象。
圖 1，UML 是OMG公司 的模型驅動(dòng)體系結構的基礎。與平臺無(wú)關(guān)的模型包含系統行為，而特定平臺模型根據特定平臺映射規則和與平臺無(wú)關(guān)模型的標記，包含實(shí)現細則。
MDA（模型驅動(dòng)的體系結構）開(kāi)發(fā)工具使系統行為細節的建模與實(shí)現方法細節的建模無(wú)關(guān)，具體做法是將這些模型分割成與UML 平臺無(wú)關(guān)的模型和特定平臺模型（圖 1）。與平臺無(wú)關(guān)模型不包括技術(shù)實(shí)現細節，側重于描述系統的功能和行為。MDA 開(kāi)發(fā)工具應用映射模板來(lái)產(chǎn)生特定平臺模型。為了實(shí)現這種轉換，您必須精確調節與平臺無(wú)關(guān)的模型，并對它做注釋?zhuān)员慵舆M(jìn)語(yǔ)義學(xué)和規則，用以生成代碼。MDA 開(kāi)發(fā)工具根據這些模型產(chǎn)生機器生成的代碼，您可以對照行為模型來(lái)測試已生成代碼的正確性。如果您改變行為模型或實(shí)現模型，則重新生成的代碼始終會(huì )利用這些變化。
只要對較低層次實(shí)現細節的生成進(jìn)行抽象和自動(dòng)化，這些工具就能提供一種使設計能在各種目標平臺之間移植，并使設計塊能被反復使用的機制。然而，抽象只能實(shí)現移植機制。例如，如果目標處理器沒(méi)有代碼生成器，您就必須人工移植設計實(shí)現。除了這些益處之外，隨著(zhù)更高層次的工具在目標級變得更成熟、更便于使用、更有效，能夠維持既有設計細節并實(shí)質(zhì)性參與嵌入式設計的人數會(huì )相應增多（圖 2）。擁有技巧和知識以便使用較低級別工具進(jìn)行設計的人現在要比能使用較高級工具進(jìn)行設計的人少。
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