關鍵詞 面向對象嵌入式 LIML 統一建模語言
引 言
面向對象開發(fā)方法無疑是當前最流行的軟件開發(fā)方法。這歸功于面向對象開發(fā)的眾多優(yōu)點：可靠性高，所開發(fā)的程序更健壯；由于面向對象編程的可重用性，可以在應用程序中大量采用成熟的類庫，從而縮短了開發(fā)時間；繼承和封裝使得應用程序的修改帶來的影響更加局部化，應用程序更易于維護、更新和升級。另外，UML建模語言和Rosc等CASE工具為面向對象的流行也起了很太作用，這些工具允許應用規(guī)范的面向對象分析和設計的方法與理論，遠離糾纏不清的源代碼，使得構建和設計變得更直觀、更容易理解與修改，從而大大提高開發(fā)效率。
嵌入式系統的應用越來越廣泛，嵌入式計算機在數量上遠遠超過了各種通用計算機。嵌入式軟件的開發(fā)與PC軟件的開發(fā)相比存在一些特別的地方；①嵌入式軟件代碼往往要求高質量、高可靠性；②嵌入式軟件要求盡可能短的二進制代碼長度和數據長度，盡管半導體技術的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數應用中，存儲空間仍然是寶貴的；③嵌入式系統往往存在實時性的要求。這些特別要求使得面向對象開發(fā)不太適合嵌入式系統。匯編語言是一種非結構化的語言，對于大型的結構化程序設計已經完全不能勝任了，而C語言相比其他高級語言具有明顯的性能優(yōu)勢，這些原因使得C語言成為嵌入式系統開發(fā)的最佳選擇。
隨著后PC時代的到來，嵌入式應用迅速增長，應用的復雜性也急劇增加，C語言對應的傳統結構化設計方法已不能滿足嵌入式軟件設計和開發(fā)的需要。能不能把面向對象開發(fā)與C語言的優(yōu)點結合起來?對這個問題，已經有人提出過一些方法，主要集中在用C語言來實現C++的語法，如用結構來模擬類，用函數指針來表示成員函數。這些方法使得本來語法就已經很復雜的C語言更加麻煩，同時沒有了C語言快速、高效的優(yōu)點。這里提出一種新的方法：用面向對象方法進行分析和設計，最后直接用C語言進行編碼。
1 應用實例
繞線機控制系統是一個控制兩個電機的單片機控制系統，我們使用本文提出的新開發(fā)方法進行這個系統的開發(fā)。系統采用瑞薩公司H8／300H系列的16位單片機H8／3062，整個系統硬件結構如圖l所示。單片機通過I／O口與Flash芯片、控制面板、揚聲器以及電機驅動電路相連，并通過光電編碼盤檢測直流電機轉動的圈數。
作為面向對象建模的工業(yè)標準，UML幾乎被所有面向對象的軟件項目所使用。這個項目也使用UML來建模，用到的CASE工具是Rose。UML提供了5類圖進行不同階段的建模：用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖、實現圖。在開發(fā)過程中，可根據不同階段的具體要求，選擇不同的圖形來描述系統的靜態(tài)結構模型或者動態(tài)行為模型。一般過程是：①用UML的用例模型確定目標系統的主要功能和行為，以便準確、完整地識別系統的需求；②通過對用例模型的分析，從用例的描述中識別反映問題域本質的類和對象，并利用UML的類圖以及類之間的關系揭示系統的結構和組成；③利用UML動態(tài)模型中的順序圖、協作圖、狀態(tài)圖和活動圖描述系統結構元素的動態(tài)特性和行為。
1．1 需求過程
系統主要運行過程：①開機時，步進電機自動對原點；②修改參數設置時，單片機把修改值存入Flash；③啟動鍵按下時，直流電機開始轉動繞線，單片機通過光電編碼盤檢測轉動圈數，并控制步進電機按照設置的參數排線，繞線完成后自動停止；④暫停鍵按下時，直流電機停止繞線，步進電機排完已轉的舀數后停止；⑤復歸鍵按下時，系統重啟。
系統的參與者只有用戶1個，通過對系統需求的分析，可以識別3個主要用例：開機、機器設置和繞線控制。通過對用例的進一步分解，得出系統的用例圖，如圖2所示。
1．2 設計過程
完成需求分析之后，進入設計階段。這個階段中，以需求分析結果為基礎，找出系統所需要的類和對象以及其相互關系。針對嵌入式系統的特點，面向對象的一些高級特性不能使用，動態(tài)創(chuàng)建對象、派生和多態(tài)這樣的特性會大大降低系統速度并增大代碼空間和數據空間，對瑞薩H8／3062，這款單片機只有128KB的ROM和4KB的RAM，節(jié)省每一個字節(jié)都顯得非常重要。
通過對用例和系統結構分析，識別出來的類和關系如圖3所示。
出于可移植性的考慮，所有類被分成3個層次：
最頂層是功能邏輯類的抽象，MachineStting為機器設置類；Keys為按鍵類，Displayr為顯示類，MotorController為電機控制器類。這些邏輯上的類與硬件無關，便于以后硬件修改，同時使得開發(fā)繞線機的不同版本變得非常容易，如從平繞機到開發(fā)環(huán)行機，從二軸繞線機到開發(fā)三軸繞線機。
中間層是外圍硬件類的抽象，Flash為Flash存儲類，用于存儲設置的參數；Speaker為揚聲器類；Panel為面板類；DCMoto／為直流電機類；StepMotor為步進電機類。
最底層是單片機及其內部功能模塊類的抽象，H8／3062為單片機類，用于封裝輸入／輸出口；Timer_KeyShake為按鍵防抖定時器；Timer_DCMotor為直流電機PWM脈沖產生定時器；Timer_DCCapture為直流電機圈數捕獲定時器；Timer_StepMotor為步進電機PWM脈沖產生定時器。分這一層可以使得變換單片機類型非常容易，瑞薩H8／300H系列單片機在國內應用非常罕見，之所以選用這款是為了與國外產品的競爭，這樣可以更快、更好地打開國際銷路，但在選擇這款單片機的同時已經做好了移植到ARM內核單片機的準備。
為了理解系統的動態(tài)行為，還應該用順序圖、協作圖、狀態(tài)圖和活動圖對系統動態(tài)行為進行描述。狀態(tài)圖對嵌入式系統的設計尤其重要，這里用其對MotorController的狀態(tài)轉換進行描述，如圖4所示。
可以用時序圖等對用例進行進一步的分析，“啟動”按鍵按下后處理的時序圖如圖5所示。
建模過程不是一個直線過程。它往往是一個演化、迭代的過程，不斷地分析、評價、修改、再分析，才可能得到一個高質量的模型，為高質量的軟件打下基礎。
1．3 編碼過程
Rose具有自動生成C++框架代碼的功能。在Rose菜單中選擇Tools→ANSI C++→Generate Code，可以生成C++的框架代碼。
要用C編碼，需要把C++代碼稍作修改變成C代碼。由于沒有動態(tài)創(chuàng)建實體，所有的對象都是靜態(tài)的。這使得修改工作極其簡單——把“：：”改成“_”即可。修改后的“_”前面的部分可以看成是對象名，后面的部分看成是成員函數名，源文件的修改如圖6所示。
頭文件也需要做相應的修改，對變量的定義需要放到源文件里面，如圖7所示。
代碼修改完成后，剩下的就是C語言的編碼過程了。編碼時，當調用對象成員時，“．”操作符用“_”代替，則剛好對應上修改后的變量和函數。
2 進一步優(yōu)化程序的方法
為了進一步提高程序的速度，還應對程序進行專門的優(yōu)化，例如中斷處理程序里面一兩條指令引起的差異就非常明顯。下面介紹幾種優(yōu)化辦法。
①把成員函數定義成宏函數。由于面向對象數據隱藏的特點，對數據的操作需要以函數的形式提供，使得數據的操作效率變低。C++編程時，類的成員函數不能修改成宏，改為C函數后，就可以修改了；但這種優(yōu)化最好在調試結束后進行，因為宏函數不方便錯誤定位。修改方法如圖8所示。
②把成員函數定義成內聯函數，如圖9所示。
③程序中使用查表。對一些很消耗時間資源的非常復雜的運算，可以使用查表的方式。在步進電機的加減速控制中，加減速曲線一般采用指數曲線或者S曲線，運算量較大?？梢允孪劝亚€對應的定時器上界寄存器的值離線計算出來，并片j數組保存起來，需要時直接讀數組即可。這種方法通過犧牲空問來換取時間，但是犧牲的是相對寬余的ROM空間，還是比較劃算的。
結語
繞線機項目獲得了很好的效果，達到了系統的性能要求。測試時，發(fā)現的錯誤相比以前類似項目大大減少。更讓人興奮的是，測試中沒有發(fā)現任何大的軟件結構上的錯誤。這歸功于Rose的前期可視化建模功能。編碼之前可以很清楚地掌握系統的結構，這是面向對象設計相比傳統方法的優(yōu)勢。
應用結果表明，這種開發(fā)方法是很實用的，可以優(yōu)化程序結構、縮短開發(fā)周期，實現快速開發(fā)又不降低程序的效率；但這種方法的應用是有局限性的，對效率與空間要求不高的嵌入式系統，完全可以直接用C++編程，因此這種方法只適合于空間緊張、實時性要求比較高的系統。
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