MCU嵌入式系統(tǒng)的領(lǐng)域分析

1 前言

　　MCU(Micro Controller Unit)，又稱單片機(jī) (Single Chip Microcomputer)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的 CPU、RAM、ROM、定時(shí)數(shù)器和多種 I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)。當(dāng)前 MCU嵌入式系統(tǒng)之間各自封閉開發(fā)，不同系統(tǒng)之間的重復(fù)工作比較多，大大增加了軟件開發(fā)的成本和周期，同時(shí)系統(tǒng)的可靠性卻得不到保證，MCU嵌入式開發(fā)面臨著軟件規(guī)模和復(fù)雜性迅速擴(kuò)大、開發(fā)時(shí)間緊張，同時(shí)又要保證開發(fā)質(zhì)量的問題。因此，迫切需要新的嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)。

　　1968年，Mellroy在其論文“大量生產(chǎn)的軟件構(gòu)件”中首次提出軟件復(fù)用的思想，其目的在于探索利用“為了復(fù)用目的而設(shè)計(jì)的軟件成分”生產(chǎn)軟件的過程，得到人們的高度關(guān)注。在各種軟件重用方法中，基于構(gòu)件的軟件開發(fā)技術(shù) (Component-Based Software Development CBSD)也是人們研究的熱點(diǎn)，并且在實(shí)踐中也取得了良好的效果。

　　構(gòu)件化的軟件過程可以分成領(lǐng)域工程(開發(fā)構(gòu)件)和應(yīng)用過程(使用構(gòu)件開發(fā)應(yīng)用程序)兩個(gè)獨(dú)立的子過程。領(lǐng)域工程是可復(fù)用軟件資產(chǎn)生產(chǎn)的主要技術(shù)手段，它包含領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設(shè)計(jì)和領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn) 3個(gè)階段。在整個(gè)軟件的復(fù)用過程中，領(lǐng)域分析是其關(guān)鍵，只有通過領(lǐng)域分析才能得到相似系統(tǒng)中的可復(fù)用資產(chǎn)（領(lǐng)域模型、軟件體系結(jié)構(gòu)、可復(fù)用構(gòu)件等）從而進(jìn)一步支持領(lǐng)域中新系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)用。因此形成在 MCU嵌入式系統(tǒng)中的有效的領(lǐng)域分析方法是極為重要的。

　　2 MCU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式及現(xiàn)狀

　　2. 1MCU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的模式

　　目前 MCU嵌入式系統(tǒng)的軟件流程基本以包含人機(jī)界面處理的主流程 (緩處理)、外部非同步中斷處理(急處理)、時(shí)序輸入為中心，再加上機(jī)芯控制處理 (按照一定規(guī)則處理)等各種其他控制組成。MCU每完成一種功能，其處理過程都遵循 IPO模式(Input,Process,Output)，如圖 1所示。

圖1 IPO現(xiàn)狀

　　對(duì)于每個(gè)模式來說，它的輸入?yún)?shù)，輸出結(jié)果都是固定的格式，所以對(duì)于一個(gè)成熟的模式來說，它的行為是確定的，約束是明確的。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，可以很明顯地觀察到 MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域所具有的內(nèi)聚性，和穩(wěn)定性。

　　因?yàn)轭I(lǐng)域的內(nèi)聚性，我們可以使用相對(duì)較少的、有限的可復(fù)用信息來反應(yīng)整個(gè)領(lǐng)域的需求，以及應(yīng)用。因?yàn)轭I(lǐng)域的穩(wěn)定性，我們通過領(lǐng)域工程所得到的成果，可以對(duì)進(jìn)行領(lǐng)域工程所花費(fèi)的人力、物力在將來的工作中得到補(bǔ)償。

　　2.2 MCU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)狀

　　MCU的應(yīng)用能夠深入人類生活的各個(gè)方面，關(guān)鍵的原因在于能夠通過對(duì)軟件的靈活定制以達(dá)到不同的功能從而針對(duì)不同的應(yīng)用。隨著功能的日益增長(zhǎng)，MCU嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)難度也隨之加大。如果內(nèi)藏 ROM容量在 8K字節(jié)之內(nèi)，有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員可以單獨(dú)一人花費(fèi) 2-3月用匯編語言進(jìn)行軟件開發(fā)，而超過 16K的 ROM想要單獨(dú)完成會(huì)更有困難。特別在消費(fèi)電子領(lǐng)域，產(chǎn)品的更新?lián)Q代從以前的年為單位到現(xiàn)在的以月甚至以周為單位，這導(dǎo)致在以產(chǎn)品質(zhì)量為生命的企業(yè)中，發(fā)生質(zhì)量問題而不得不大量召回產(chǎn)品造成巨大損失的情況屢見不鮮。值得注意的是，在開發(fā)中，有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者通常會(huì)選擇性的復(fù)用以前的工作成果（代碼、軟件體系、工具、文檔），但這種復(fù)用一般是個(gè)人的，復(fù)用的來源也是個(gè)人以前的經(jīng)驗(yàn)成果。在一個(gè)特定的領(lǐng)域中，例如一個(gè)企業(yè)中，這樣的復(fù)用是經(jīng)常性的，它們有著以下的特點(diǎn)：

　　·一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)可復(fù)用的資源和復(fù)用的機(jī)遇是非常多的，但通常情況下無法對(duì)可復(fù)用資源進(jìn)行管理，無法決定何時(shí)復(fù)用以及復(fù)用的方式，從而無法對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行有效控制。

　　·一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)掌握某種復(fù)用資源的往往是個(gè)體，復(fù)用資源無法共享，造成資源的浪費(fèi)和生產(chǎn)力不能進(jìn)一步的提高。

　　·由于掌握資源的個(gè)體的離開，導(dǎo)致資源的損失 ;新加入的個(gè)體無法系統(tǒng)地取得這些資源，而導(dǎo)致工作效率的降低。

　　這種復(fù)用被稱為個(gè)人復(fù)用(ad-hoc reuse)。如果能夠?qū)︻I(lǐng)域內(nèi)資源進(jìn)行有效的整合，通過更有效的方式進(jìn)行管理、復(fù)用，將能進(jìn)一步提高軟件產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量，這種方式被稱為系統(tǒng)復(fù)用 (systematic reuse)。領(lǐng)域工程正為解決這一系列的問題提出了解決方案。

　　3 領(lǐng)域工程與領(lǐng)域分析

　　3. 1領(lǐng)域的含義

　　領(lǐng)域是指一組具有相似或相近軟件需求的應(yīng)用系統(tǒng)所覆蓋的功能、問題、問題解決方案或知識(shí)區(qū)域。領(lǐng)域可分為水平領(lǐng)域和垂直領(lǐng)域：水平領(lǐng)域是指根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部模塊的功能性分類而得到的相似問題空間，如數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、工作流系統(tǒng)等 ;垂直領(lǐng)域是指具有相似業(yè)務(wù)需求的一組相似應(yīng)用系統(tǒng)所覆蓋的業(yè)務(wù)區(qū)域，而我們的 MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域則屬于垂直領(lǐng)域。

　　3.2領(lǐng)域工程

　　領(lǐng)域工程是為一組相似或相近系統(tǒng)的應(yīng)用工程建立基本能力和必備基礎(chǔ)的過程，它覆蓋了建立可重用的軟件構(gòu)件的所有活動(dòng)。領(lǐng)域工程對(duì)領(lǐng)域中的系統(tǒng)進(jìn)行分析，識(shí)別這些應(yīng)用的共同特征和可變特征，對(duì)刻畫這些特征的對(duì)象和操作進(jìn)行選擇和抽象，形成領(lǐng)域模型，依據(jù)領(lǐng)域模型產(chǎn)生領(lǐng)域中應(yīng)用共同具有的體系結(jié)構(gòu)，即特定領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu) (Domain Specific Software Architecture DSSA)，并以此為基礎(chǔ)，識(shí)別、開發(fā)和組織可復(fù)用構(gòu)件。

　　在進(jìn)行領(lǐng)域工程的活動(dòng)中，通過對(duì)領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的交叉對(duì)比，能夠形成一系列的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)件的選用，以及新構(gòu)件的產(chǎn)生形成規(guī)約，從而指導(dǎo)和規(guī)范新產(chǎn)品的開發(fā)。同時(shí)，由于這些選擇是經(jīng)過了長(zhǎng)期時(shí)間和實(shí)踐的論證，所以這些標(biāo)準(zhǔn)也是具有科學(xué)性的。當(dāng)我們要進(jìn)行同一領(lǐng)域新系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)，只需要根據(jù)領(lǐng)域模型，確實(shí)新的需求規(guī)約，再根據(jù)特定領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu)形成新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并依據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)選取，構(gòu)造構(gòu)件，組裝到新系統(tǒng)中。這樣新系統(tǒng)的質(zhì)量以及開發(fā)效率都將得到可靠的保障，公司也能通過對(duì)行為的規(guī)范對(duì)整個(gè)開發(fā)流程進(jìn)行管理、監(jiān)控。

　　3.3領(lǐng)域分析的含義及方法

　　在系統(tǒng)化的軟件復(fù)用中，充分的可復(fù)用信息的存在是非常重要的。這些信息需要被顯示地表示，以便在開發(fā)過程中被復(fù)用。這些可復(fù)用信息，和為方便地定位和操作它們的一些輔助信息一起構(gòu)成了復(fù)用基礎(chǔ)設(shè)施。領(lǐng)域分析的目的是為了建立這些可復(fù)用的基礎(chǔ)設(shè)施，它的含義是指“識(shí)別、捕獲和組織特定領(lǐng)域中一類相似系統(tǒng)內(nèi)對(duì)象、操作等可復(fù)用信息的過程”。

　　領(lǐng)域分析的三個(gè)關(guān)鍵過程為：①領(lǐng)域邊界確立：通過對(duì)已有技術(shù)資料，典型系統(tǒng)的分析上，綜合領(lǐng)域?qū)＜业囊庖姡x出領(lǐng)域分析的范圍和邊界，同時(shí)收集開展領(lǐng)域分析工作的必要信息；②領(lǐng)域建模階段：根據(jù)在領(lǐng)域邊界確立階段得到的領(lǐng)域邊界以及收集到的領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)信息，利用相應(yīng)的建模知識(shí)和工具建立具備描述領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)和能力共性與變化性特征的領(lǐng)域模型；③軟件體系結(jié)構(gòu)建模階段：通過已經(jīng)得到領(lǐng)域模型，以及領(lǐng)域內(nèi)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立描述領(lǐng)域內(nèi)特定問題解決方案的軟件體系結(jié)構(gòu)模型（DSSA）。[!--empirenews.page--]
4　MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域分析方法

　　4.1 MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)域邊界確定

　　在這里，并不是打算選擇一個(gè)適合所有 MCU系統(tǒng)開發(fā)的領(lǐng)域，而是選擇一個(gè)相對(duì)狹小的領(lǐng)域，如家電制造行業(yè)中的空調(diào)行業(yè)。在這樣的行業(yè)中，由于產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的基本功能在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)基本固定，客戶的需要相對(duì)穩(wěn)定，使得針對(duì)同類產(chǎn)品的領(lǐng)域中，有很多的功能是相同的，軟件的體系結(jié)構(gòu)是相同的。這為領(lǐng)域分析提供了非常有利的條件。在對(duì)這些領(lǐng)域進(jìn)行分析的時(shí)候，資料主要來源于本領(lǐng)域中的典型系統(tǒng)、領(lǐng)域?qū)＜业慕ㄗh、工程師的經(jīng)驗(yàn)、客戶需求、硬件廠商提供的開發(fā)包、控制理論、該領(lǐng)域的發(fā)展歷史以及發(fā)展趨勢(shì)等。當(dāng)收集完這些資源后也就夠成了領(lǐng)域分析的上下文環(huán)境，也就是領(lǐng)域的邊界。

　　4.2 MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)域建模

　　領(lǐng)域模型的意義在于對(duì)領(lǐng)域的信息通過組織，以一種令人更容易接受的方式所表現(xiàn)出來。它包括形式化的模型和非形式化的信息，前者是一種對(duì)解決方案的描述，后者是對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的補(bǔ)充。對(duì)于我們所選擇的領(lǐng)域來說，一個(gè)具體行業(yè)的軟件體系結(jié)構(gòu)本身就是相對(duì)穩(wěn)定的，對(duì)于具體的每款產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)的功能會(huì)有一些細(xì)小的差別。常見的情況是，當(dāng)一個(gè)原型機(jī)出現(xiàn)后，會(huì)在原型機(jī)上進(jìn)行諸多的改款，以適應(yīng)市場(chǎng)客戶不同的需要。所以針對(duì)于這樣的領(lǐng)域特點(diǎn)，我們對(duì)這階段的過程有如下的建議：

　　·形式化的模型：采取面向特征的領(lǐng)域模型。特征的定義一般來說是用戶或客戶可感知的系統(tǒng)特點(diǎn)。但各個(gè)組織也可以根據(jù)自身的特點(diǎn)來組織選擇領(lǐng)域模型。

　　·領(lǐng)域字典：領(lǐng)域字典是通過和領(lǐng)域?qū)＜业膶?duì)話，以及對(duì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析而得到。領(lǐng)域字典的作用是為領(lǐng)域的參與者提供一個(gè)準(zhǔn)確方便的交流環(huán)境。

　　·統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)：利用一種標(biāo)準(zhǔn)化的，通用的符號(hào)系統(tǒng)對(duì)領(lǐng)域內(nèi)的概念進(jìn)行描述。

　　4.3 MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu)

　　DSSA(特定領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu) )不是單個(gè)系統(tǒng)的表示，而是能夠適應(yīng)領(lǐng)域中多個(gè)系統(tǒng)的需求的一個(gè)高層次的設(shè)計(jì)。它包含構(gòu)件以及構(gòu)件互聯(lián)的規(guī)則。當(dāng)開發(fā)本領(lǐng)域的一個(gè)新系統(tǒng)時(shí)，可以使用這些構(gòu)件，并且按照這些規(guī)則構(gòu)成滿足當(dāng)前系統(tǒng)需求的特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8。在 DSSA中有個(gè)比較重要的概念就是參考體系結(jié)構(gòu)，它的目的是實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)用。圖 2給出一種空調(diào)控制器領(lǐng)域的參考體系結(jié)構(gòu) (部分)。

圖2空調(diào)控制器領(lǐng)域的參考體系結(jié)構(gòu)(部分)

　　在上圖中，每一個(gè)方框代表一個(gè)構(gòu)件。它的下屬代表對(duì)上一個(gè)構(gòu)件分解而得出的子構(gòu)件。由多個(gè)子構(gòu)件可以構(gòu)成一個(gè)規(guī)模更大的構(gòu)件，這樣能夠支持更高效的復(fù)用。

　　在 DSSA中還包括有一些的需求規(guī)約，以及對(duì)接口的描述和標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于 MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，由于諸多外設(shè)的接口是存在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，所以如何讓控制這些硬件的軟件也能夠按照一個(gè)統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來編寫是必要而且可行的解決辦法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所編寫的軟件可以很容易地提取成構(gòu)件并使用在我們的系統(tǒng)之中。在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，從以下幾個(gè)方面對(duì)這種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約定是可行的：

　　·軟件的適用范圍：如 MCU類型、應(yīng)用方案等;

　　·外設(shè)的硬件特性及使用方式;

　　·外設(shè)控制流程的規(guī)范化：包括有算法和流程圖;

　　·接口參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化：命名規(guī)則、類型、長(zhǎng)度等;

　　·一些相關(guān)的注意事項(xiàng)：如為適合國(guó)家法規(guī)而作的一些限制、相關(guān)安全性的要求;

　　5 總結(jié)

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 作者通過對(duì)領(lǐng)域分析的概念，方法的介紹，針對(duì) MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的特點(diǎn)，引出一種適用于 MCU嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)域分析方法。該方法已經(jīng)應(yīng)用到作者現(xiàn)階段正在進(jìn)行的項(xiàng)目中。通過實(shí)踐已經(jīng)證明這是一條可行而有著巨大潛力的道路，如何結(jié)合更多的手段去達(dá)到我們的目的將是今后工作的重點(diǎn)。