嵌入式組件技術的研究及應用

0 引 言

基于組件的開發(fā)(Component Based Development，CBD)技術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域已經(jīng)取得了重大的成功。在通用計算機軟件、電子商務、Internet和分布式計算環(huán)境中CBD技術已經(jīng)得到了成熟的應用。但是，在其他一些領域，如嵌入式系統(tǒng)中，CBD的應用還及其有限。由于不同嵌入式系統(tǒng)的需求和硬件平臺各異，要開發(fā)出適用于所有系統(tǒng)的通用組件是極其困難的，目前只能夠針對特定應用領域和平臺研究開發(fā)適用的組件。正是由于嵌入式系統(tǒng)的差異性、專門性與組件技術的通用性之間的矛盾，所以要利用組件進行嵌入式軟件開發(fā)，就必須采取適用的組件技術和系統(tǒng)開發(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(tǒng)中的應用。通過分析嵌入式系統(tǒng)中對組件的要求和通用組件技術的差異，提出了嵌入式組件的設計原則，并基于嵌入式組件的特點，提出一種面向組件的嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)方法。表明盡管嵌入式系統(tǒng)與通用計算平臺具有很大的差異，但是組件技術仍然可以成功地應用于嵌入式領域。

1嵌入式系統(tǒng)和組件技術

1.1嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是滿足專門需求的小型計算機系統(tǒng)。例如，車載控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、移動電話或者傳感控制系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的范圍極其廣泛，從微型計算設備到復雜的大型監(jiān)控設備都屬于嵌入式系統(tǒng)的范疇。實時性是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的特性，是在系統(tǒng)設計時需要考慮的重要概念。對于實時性的要求，不同嵌入式系統(tǒng)可以分為軟實時系統(tǒng)(Soft Time System)和硬實時系統(tǒng)(Hard Time System)。嵌入式系統(tǒng)一般還要求有很好的穩(wěn)定性和可靠性。由于功能專一，需求多樣和系統(tǒng)小型化，這就要求系統(tǒng)的成本低廉，從而限制了系統(tǒng)的硬件性能。由于嵌入式系統(tǒng)的資源限制和實時性要求，軟件開發(fā)人員往往不能夠利用先進的通用軟件工程技術，而必須使用一些非正規(guī)的方法，利用高效的程序語言進行開發(fā)。隨著系統(tǒng)復雜性不斷增加，對系統(tǒng)的需求分析，模型設計，早期的錯誤檢測，開發(fā)周期，可維護性等方面提出了新的要求。因此推動了先進的軟件工程方法向嵌入式開發(fā)領域的轉(zhuǎn)移。

1.2組件技術

組件技術就是一種軟件工程中的先進技術。組件可以認為是能夠用于構建大型系統(tǒng)的自包含的部件或子系統(tǒng)。在軟件工程中，一個組件與一個微型應用程序類似，即都是已經(jīng)編譯鏈接好，并可以使用的二進制代碼，應用程序由多個這樣的組件打包而得到。在需要對應用程序進行修改或改進時，只需要將構成此應用程序組件中的某個用新版本替換掉即可。這樣，使用組件技術的系統(tǒng)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發(fā)周期。使用組件的種種優(yōu)點直接來源于可以將它們動態(tài)地插入或卸出的應用。為了實現(xiàn)這種功能，所有的組件必須滿足兩個條件：一是組件必須動態(tài)鏈接;二是它們必須隱藏其內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)。另外，利用組件還能幫助開發(fā)人員根據(jù)所使用的組件功能預測和驗證系統(tǒng)的功能特性。正是由于組件具有諸多優(yōu)點，基于組件的開發(fā)技術才引起了軟件工程領域的廣泛應用，并且逐漸將它引入迅猛發(fā)展的嵌入式軟件開發(fā)領域中。

2嵌入式系統(tǒng)組件的設計原則

2.1接口設計原則

適用于嵌入式系統(tǒng)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現(xiàn)相分離的封裝特性。組件的接口是組件功能的體現(xiàn)，系統(tǒng)中的其他部分或者組件正是通過接口使用組件提供的功能。但是對于嵌入式系統(tǒng)而言，有一些額外的系統(tǒng)特性或約束和系統(tǒng)功能是同樣重要的(如實時性)，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(tǒng)特性，即加入約束條件。這樣在系統(tǒng)設計階段，利用組件進行設計不但能夠驗證功能需求，而且還能預測和分析系統(tǒng)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)對象接口方式實現(xiàn)的。組件完全以動態(tài)形式綁定，獨立于接口的定義。這樣為組件復用、系統(tǒng)升級提供了強大的靈活性。但是，這種靈活性在嵌入式系統(tǒng)中會帶來性能的下降和風險的上升，影響系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。因為所有組件都在運行期綁定，這樣必然會增加冗余代碼，并且讓系統(tǒng)行為變得難以預測。因此，通用組件的動態(tài)特性在嵌入式系統(tǒng)中特別是小型系統(tǒng)中是不可行的。由于實時性和硬件資源限制，在嵌入式系統(tǒng)中，組件鏈接和組合最好在系統(tǒng)設計期靜態(tài)而不是運行期動態(tài)地進行。進行組件的靜態(tài)綁定，可以通過系統(tǒng)建模工具對一個基于組件的系統(tǒng)設計產(chǎn)生一個總體視圖，這樣能夠?qū)ο到y(tǒng)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制可執(zhí)行文件形式發(fā)布，而應該采用高級語言或更為抽象的建模語言(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(tǒng)中的組件原則

隨著嵌入式技術的不斷發(fā)展，許多功能復雜的大型嵌入式系統(tǒng)也隨之出現(xiàn)。對于這些系統(tǒng)硬件資源和實時性已經(jīng)不是首要的考慮因素，如何有效控制系統(tǒng)復雜性和降低高昂的開發(fā)成本已成為最主要的問題。所以對于這樣的大型嵌入式系統(tǒng)，通用組件幾乎可以毫無障礙地在系統(tǒng)中發(fā)揮作用，極大地簡化了開發(fā)難度，減少了開發(fā)工作量和開發(fā)周期。如微軟的嵌入式系統(tǒng)Windows CE就是這項技術的成功應用，系統(tǒng)功能和應用功能完全以組件方式列出，開發(fā)人員只需要簡單地添加和刪除就能將一項復雜功能加入或移除系統(tǒng)鏡像，并且支持功能強大的COM組件庫，為應用程序的開發(fā)提供了非常便利的工具。當然，那些要求強實時的大型嵌入式系統(tǒng)也不應該使用通用組件技術，應該根據(jù)具體的系統(tǒng)特性使用精簡版本來進行系統(tǒng)開發(fā)。

3面向嵌入式組件的系統(tǒng)開發(fā)過程

由以上分析可以看出，由于嵌入式系統(tǒng)的功能和性能要求，以及硬件資源限制和復雜性控制需求，適用于嵌入式軟件系統(tǒng)的組件體現(xiàn)了接口定義約束、靜態(tài)綁定和抽象語言的發(fā)布形式等特性。那么正是由于這些特性的存在，適用于通用組件的軟件開發(fā)方法就不能直接應用于嵌入式軟件開發(fā)過程，而需要一種適合于嵌入式組件特性的系統(tǒng)開發(fā)方法。下面介紹面向嵌入式組件的開發(fā)過程，它能夠有效地利用和體現(xiàn)嵌入式組件的特性。[!--empirenews.page--]

整個開發(fā)過程如圖1所示。根據(jù)組成與分解、抽象與具體的兩個基本開發(fā)思想建立了一個二維坐標系，橫坐標為抽象與具體;縱坐標為分解與組合。兩個坐標軸將整個開發(fā)空間分成了4部分，即建模過程的4個基本步驟：分解、實體化、組合、確認。

分解 整個開發(fā)過程從圖1的左上角開始。黑色方框代表了最初的待實現(xiàn)系統(tǒng)，即開發(fā)人員經(jīng)過需求分析所建立的系統(tǒng)模型。通過系統(tǒng)功能域的劃分，將系統(tǒng)進行分解，在每一個功能域都包含了與該功能相關的所有邏輯組件。每一個邏輯組件再作為一個子系統(tǒng)遞歸地進行分解，直到組件達到了可重用組件的粒度。分解過程只是從抽象和邏輯角度決定組件的功能形式。

實體化 將具有最小粒度的不能再分解的邏輯組件進行實體化。由于這些邏輯組件已經(jīng)具有了明確的功能或者直接就是已有的組件，所以可以很容易地將這些邏輯組件轉(zhuǎn)化為實際組件，如圖1中右下角的黑粗線方框所示。

組合 將重用的或者是將實現(xiàn)的實際組件，根據(jù)抽象模型，通過組件接口組合起來，該過程完全是分解的逆過程。如圖2所示。

驗證 對實體化以后再構建起來的系統(tǒng)與最初的待實現(xiàn)系統(tǒng)進行對比，利用組件的功能和約束特性預測整個系統(tǒng)的功能和性能，從而驗證系統(tǒng)設計的正確性。

面向嵌入式組件開發(fā)的整個過程體現(xiàn)為一個樹形結構，相當于一棵組件樹。樹的每一片葉子都代表一個組件，而每一個組件都可以視為一棵子樹，遞歸地利用該開發(fā)過程。整個過程總是不斷利用已有組件或者明確可實現(xiàn)的小粒度組件的組合對設計進行驗證，由于組件接口和實現(xiàn)已經(jīng)靜態(tài)綁定，每一個組件在運行時的功能在設計期就能完全確定，這樣能幫助開發(fā)人員在最早的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)設計上的缺陷，及時對設汁進行修改。

4 結 語

如今，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應用于生活的方方面面。CBD技術無疑會對嵌入式領域的發(fā)展起到重要的作用。這里通過深入分析通用組件的設計原則和嵌入式系統(tǒng)的特性要求，提出了適合于嵌入式系統(tǒng)的組件設計原則和開發(fā)方法，使組件技術的優(yōu)點在嵌入式系統(tǒng)中得到了很好的體現(xiàn)，為CBD技術向嵌入式領域的轉(zhuǎn)移提供了一種有效的途徑。

當然，要使CBD技術得以在嵌入式系統(tǒng)中充分的利用，還有一些問題有待推進和解決。例如，目前還缺乏廣泛使用的適合于嵌入式系統(tǒng)的組件技術標準，大多數(shù)的組件技術還不能夠支持對嵌入式系統(tǒng)性能特性(如實時性)的定義和分析，并且應用于具有特定系統(tǒng)性能要求的嵌入式系統(tǒng)的組件組合方法和系統(tǒng)設計時的功能預測和驗證手段都還有待于發(fā)展。此外，幫助嵌入式開發(fā)人員進行組件和系統(tǒng)建模、分析和驗證的輔助工具還需要進一步的開發(fā)和引入。