軟件設(shè)計模式在嵌入式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、軟件設(shè)計模式在嵌入式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：本文探討了軟件設(shè)計模式在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過分析并實際解決嵌入 式控制系統(tǒng)所面臨的主要問題，確立嵌入式控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，并對嵌入式軟件 的復(fù)用進行了有效的嘗試和探索。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；軟件架構(gòu)；設(shè)計模式。Abstract:This paper discusses the application of software design pattern in embedded system,and establishes the software architecture ofthe embedded control system,which is

2、based on analyzing and solving the main problems faced by the embedded control system.At last,the paper makes an effective attempt and exploration for reusing of the embedded software.Key words:embedded system;software architecture;design pattern.引言。按照傳統(tǒng)意義的定義，嵌入式系統(tǒng)為以應(yīng)用為中心，計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬 件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、

3、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計 算機系統(tǒng)。由于硬件平臺的諸多約束以及對應(yīng)用系統(tǒng)特定功能的適應(yīng)性要求，一般 的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計力求簡單、可靠，而軟件與硬件的結(jié)合非常緊密，極具個性化色彩，軟件的可復(fù)用性、可擴展性、可移植性等在設(shè)計過程中往往不是考慮的主要因素。然而，隨著芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，一方面，目前硬件平臺能力已經(jīng)得到了極大 的提高，大多數(shù)領(lǐng)域使用的芯片具有更強的處理能力，并且集成了多種接口，使嵌 入式系統(tǒng)滿足更為復(fù)雜的應(yīng)用需求成為可能，軟件實現(xiàn)的功能也更為復(fù)雜；另一方 面，基于應(yīng)用的需求，對產(chǎn)品的可靠性、成本、更新?lián)Q代的要求也在提高，嵌入式 軟件的可復(fù)用性、可擴展性以及可移植性逐

4、漸成為設(shè)計時必須要考慮的問題。參考目前的桌面通用計算機軟件可以預(yù)見，通過建立可復(fù)用面向?qū)ο蟮那度胧?軟件架構(gòu)，能夠增強嵌入式軟件的可復(fù)用性、可擴展性和可移植性，降低研發(fā)周期 和成本。1軟件框架和設(shè)計模式。軟件框架(Software Framework ),通常指的是實現(xiàn)某個業(yè)界標準或完成特 定基本任務(wù)的軟件組件規(guī)范，也指實現(xiàn)某個軟件組件規(guī)范時提供所要求的基礎(chǔ)功能 的軟件產(chǎn)品。軟件框架的功能類似于基礎(chǔ)設(shè)施，與具體的軟件應(yīng)用無關(guān)，只是提供 并實現(xiàn)最基礎(chǔ)的軟件架構(gòu)和體系。軟件設(shè)計師通常根據(jù)特定的軟件框架實現(xiàn)更為復(fù) 雜的系統(tǒng)應(yīng)用和業(yè)務(wù)邏輯。簡而言之，框架就是制定一套規(guī)范，使所有程序員在該規(guī)范下工作。在

5、軟件的研發(fā)過程中，框架明確定義軟件的模塊化規(guī)范、模塊之間的交互、對外接口方法, 以及高層事物的對象操作、邏輯和流程，以便于具體應(yīng)用實現(xiàn)者能夠集中精力于應(yīng) 用本身的特定細節(jié)。顯然，無論是對于桌面通用計算機軟件還是嵌入式系統(tǒng)軟件，軟件框架作為軟 件運行的基礎(chǔ)，都是十分重要的。好的軟件框架可以使系統(tǒng)具有更好的可復(fù)用性、 擴展性和移植性，進而提升系統(tǒng)的可靠性并降低成本。良好的軟件框架共同的設(shè)計 決策，十分強調(diào)設(shè)計復(fù)用，因此框架設(shè)計中必然使用設(shè)計模式。設(shè)計模式(Design Pattern )是由Erich Gamma等人1990年從建筑設(shè)計領(lǐng)域引 入的概念。設(shè)計模式并不直接完成程序代碼的編寫，而是描述

6、在各種不同的情況下，如何解決問題的一種方案。它是一套被反復(fù)使用、多數(shù)人知曉、經(jīng)過分類編目、代 碼設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)。使用設(shè)計模式是為了可重用代碼、讓代碼更容易被他人理解、 保證代碼的可靠性。毫無疑問，設(shè)計模式使代碼編制真正工程化，是軟件工程的基 石脈絡(luò)。2嵌入式傳感器控制系統(tǒng)的特點及軟件框架設(shè)計考慮。在涉及系統(tǒng)調(diào)度控制領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)中，由于需要實現(xiàn)的功能和接口日趨復(fù)雜，總結(jié)起來，具有如下特點：核心調(diào)度控制算法存在多樣性。在嵌入式控制系統(tǒng)中，尤其在涉及傳感器控制的系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)特定的功能需求、針對不同的應(yīng)用場景，傳感器資源的調(diào)度和控制，存在多種不同的策略和算法，而某種調(diào)度控制策略和算法只與應(yīng)用有

7、關(guān)，而與底層的硬件和所搭載的平臺無關(guān)。硬件接口多樣化。由于需要滿足不同應(yīng)用的工程實現(xiàn)環(huán)境，不同的嵌入式控制系統(tǒng)所面臨的硬件接口差異較大。目前，常用的硬件通信接口包括 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信接口、RS232/422串口通信接口、光纖總線接口、 1553B總線通信接口以及 CAN 總線通信接口等，各種硬件接口存在一定的差異性。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議多樣化。不同的嵌入式傳感器控制系統(tǒng)，可能會搭載在不同的 平臺上，而不同的平臺之間，其數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議也存在較大的差異。軟件模塊通信的松耦合性。即不同的嵌入式控制系統(tǒng)一般由相同的各種硬件、軟件調(diào)度邏輯算法集成，單一軟件模塊的功能普遍相同，具有很大的可復(fù)用性，如 何保證該軟

8、件模塊的松耦合性，是提高軟件復(fù)用度的關(guān)鍵點之一。而保證軟件模塊 的松耦合性的關(guān)鍵還在于與其他軟件模塊的通信具有松耦合性。綜上所述，嵌入式傳感器控制系統(tǒng)具有算法邏輯、硬件接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議多樣的特點，為了提高其可復(fù)用性、可擴展性和可移植性，在設(shè)計嵌入式軟件框架時， 必須考慮盡量提高模塊的內(nèi)聚性，降低模塊之間的耦合性。3嵌入式控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)方案。針對第2節(jié)所描述的嵌入式系統(tǒng)的特點，結(jié)合設(shè)計模式，對嵌入式控制系統(tǒng)的 軟件架構(gòu)設(shè)計進行了考慮和設(shè)計決策。核心調(diào)度控制算法多樣性問題的解決。為了解決核心調(diào)度算法多樣性的問題，使用Bridge模式將抽象部分和具體實現(xiàn)部分進行分離。這樣，當核心調(diào)度算法改變時，

9、嵌入式系統(tǒng)的其余部分不會受到影 響。Bridge模式主要由4種角色組成：抽象角色：它定義了抽象類的接口而且維護著一個指向?qū)崿F(xiàn)角色的引用； 精確角色：實現(xiàn)并擴充由抽象角色定義的接口； 實現(xiàn)角色：給出了實現(xiàn)類的接口, 這里的接口與抽象角色中的接口可以不一致；具體實現(xiàn)角色：給出了實現(xiàn)角色定 義接口的具體實現(xiàn)。Bridge模式下的類圖如圖1所示-XMraLiionRelineclbiLractionConcrete A bstract ionACone rctcAlKcractionB，操作1()+操作II )操作H )圖1日舊瓏模式下的類圖參照使用Bridge模式，將核心調(diào)度控制算法進行了抽象和封裝

10、，這樣即使在系 統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的過程中，核心調(diào)度控制算法發(fā)生了變化，對整個系統(tǒng)的影響也微乎其 微。由此，我們確立了應(yīng)用節(jié)點層的概念。由嵌入式系統(tǒng)軟件框架確定應(yīng)用節(jié)點的接口 規(guī)范，應(yīng)用開發(fā)人員開發(fā)并設(shè)計各類應(yīng)用節(jié)點，而各類應(yīng)用節(jié)點根據(jù)具體的調(diào)度控 制算法不同，完成不同的具體實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)下應(yīng)用節(jié)點層的類圖如圖2所不。圖2嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)下應(yīng)用節(jié)點層的類圖硬件接口多樣化問題的解決。由于嵌入式系統(tǒng)中涉及的硬件接口多種多樣，為了與核心調(diào)度算法邏輯進行隔 離，結(jié)合設(shè)計模式，使用 Factory模式完成各類硬件接口類的創(chuàng)建。Factory模式由3部分組成:工廠類角色：含有一定的商業(yè)邏輯和判斷邏輯；

11、抽象類產(chǎn)品角色：一般是 具體產(chǎn)品繼承的父類或者實現(xiàn)的接口；具體產(chǎn)品角色：工廠類所創(chuàng)建的對象就是 此角色的實例。Factory模式的類圖如圖3所示圖3 Factory模式的類圖參照使用Factory模式，確立了節(jié)點管理類，在節(jié)點管理中完成了對各種硬件 接口的抽象，并根據(jù)不同硬件接口，提供硬件接口的生成操作，即對不同的硬件接 口進行具體實現(xiàn)。其類圖如圖 4所示。i tXXX Node a - A“桑作1()圖d節(jié)點管理類的類圖數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議多樣化問題的解決。數(shù)據(jù)傳輸多樣化問題的本質(zhì)同系統(tǒng)核心調(diào)度控制算法的多樣性一樣，仍然使用 Birdge模式來解決這一問題，對數(shù)據(jù)傳輸解析協(xié)議進行了抽象，此處不再贅述

12、。軟件模塊通信的松耦合性問題的解決。為了使各個軟件模塊在通信過程中具有松耦合性，參照Observer模式，設(shè)計了節(jié)點通信層，各個軟件模塊的消息通信通過節(jié)點通信層完成傳遞，避免了相互之間 的耦合。Observer模式的組成部分包括：抽象目標角色：目標角色知道它的觀察者，可以有任意多個觀察者觀察同一 個目標，并且提供注冊和刪除觀察者對象的接口；抽象觀察者角色：為那些在目 標發(fā)生改變時需要獲得通知的對象定義一個更新接口 ：具體目標角色：將有關(guān)狀態(tài)存入各個具體觀察者角色對象，當它的狀態(tài)發(fā)生 改變時，向它的各個觀察者發(fā)出通知；具體觀察者角色：存儲有關(guān)狀態(tài)，這些狀 態(tài)應(yīng)與目標的狀態(tài)保持一致。Observe

13、r模式的類圖如圖5所示。5 Observer模式的類圖參照使用Observer模式，確立了節(jié)點通信層，各個應(yīng)用節(jié)點通過在節(jié)點通信層 進行消息的注冊，完成對應(yīng)消息的獲取和發(fā)送，從而解決了應(yīng)用節(jié)點之間的通信耦 合性問題。綜上所述，考慮到嵌入式控制系統(tǒng)的特點，確立了系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。該軟件架 構(gòu)如圖6所示。應(yīng)用節(jié)點通信層節(jié)點通信層節(jié)點殍理層虛損操作系統(tǒng)層圖6系統(tǒng)軟件醒構(gòu)圖其中軟件框架的層次劃分及功能描述如下：虛擬操作系統(tǒng)層完成對底層操作系統(tǒng)的封裝，以屏蔽上層應(yīng)用對于底層操作 系統(tǒng)的依賴；節(jié)點管理層完成各種節(jié)點的創(chuàng)建、維護和管理；節(jié)點通信層完成 上層各個應(yīng)用節(jié)點之間通信的封裝和功能實現(xiàn)；應(yīng)用節(jié)點層為上層應(yīng)用提供接口 規(guī)范，以明確統(tǒng)一上層應(yīng)用節(jié)點的接口規(guī)范。結(jié)語。通過建立統(tǒng)一的嵌入式軟件架構(gòu)，并借用成熟的軟件設(shè)計模式，能夠加大軟件 復(fù)用程度、