作者：代文豪、羅克露、雷健 在不斷的發(fā)展的 MCU 嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中，軟件危機所帶來的危害也日漸顯現(xiàn)。如何利用軟件重用的相關(guān)方法來解決這一問題成為當今研究的熱點。領(lǐng)域分析是識別、捕捉、組織、分析和表示軟件域中相關(guān)信息，確定軟件的體系結(jié)構(gòu)、框架和構(gòu)件，以支持軟件重用的軟件工程過程，是解決重用問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對領(lǐng)域分析的相關(guān)概念、方法、過程以及產(chǎn)品的研究，從而得出在 MCU 嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域進行領(lǐng)域分析的相關(guān)方法以及經(jīng)驗。 1、前言 MCU(Micro Controller Unit)，又稱單片機（Single Chip Microcomputer），是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的 CPU、RAM、ROM、定時數(shù)器和多種 I/O 接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機。當前 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)雜性迅速擴大、開發(fā)時間緊張，同時又要保證開發(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，并且在實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）兩個獨立的子過程。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)計和領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn) 3 個階段。在整個軟件的復(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 2.1 MCU 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界面處理的主流程（緩處理）、外部非同步中斷處理（急處理）、時序輸入為中心，再加上機芯控制處理（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 模式 對于每個模式來說，它的輸入?yún)?shù)，輸出結(jié)果都是固定的格式，所以對于一個成熟的模式來說，它的行為是確定的，約束是明確的。因為這些特點，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。 因為領(lǐng)域的內(nèi)聚性，我們可以使用相對較少的、有限的可復(fù)用信息來反應(yīng)整個領(lǐng)域的需求，以及應(yīng)用。因為領(lǐng)域的穩(wěn)定性，我們通過領(lǐng)域工程所得到的成果，可以對進行領(lǐng)域工程所花費的人力、物力在將來的工作中得到補償。 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方面，關(guān)鍵的原因在于能夠通過對軟件的靈活定制以達到不同的功能從而針對不同的應(yīng)用。隨著功能的日益增長，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)驗的技術(shù)人員可以單獨一人花費2-3 月用匯編語言進行軟件開發(fā)，而超過16K 的ROM 想要單獨完成會更有困難。特別在消費電子領(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)驗的開發(fā)者通常會選擇性的復(fù)用以前的工作成果（代碼、軟件體系、工具、文檔），但這種復(fù)用一般是個人的，復(fù)用的來源也是個人以前的經(jīng)驗成果。在一個特定的領(lǐng)域中，例如一個企業(yè)中，這樣的復(fù)用是經(jīng)常性的，它們有著以下的特點： 1、一個領(lǐng)域內(nèi)可復(fù)用的資源和復(fù)用的機遇是非常多的，但通常情況下無法對可復(fù)用資源進行管理，無法決定何時復(fù)用以及復(fù)用的方式，從而無法對產(chǎn)品的質(zhì)量進行有效控制。 2、一個領(lǐng)域內(nèi)掌握某種復(fù)用資源的往往是個體，復(fù)用資源無法共享，造成資源的浪費和生產(chǎn)力不能進一步的提高。 3、由于掌握資源的個體的離開，導(dǎo)致資源的損失；新加入的個體無法系統(tǒng)地取得這些資源，而導(dǎo)致工作效率的降低。 這種復(fù)用被稱為個人復(fù)用（ad-hoc reuse）。如果能夠?qū)︻I(lǐng)域內(nèi)資源進行有效的整合，通過更有效的方式進行管理、復(fù)用，將能進一步提高軟件產(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。領(lǐng)域工程對領(lǐng)域中的系統(tǒng)進行分析，識別這些應(yīng)用的共同特征和可變特征，對刻畫這些特征的對象和操作進行選擇和抽象，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)，識別、開發(fā)和組織可復(fù)用構(gòu)件。 在進行領(lǐng)域工程的活動中，通過對領(lǐng)域相關(guān)知識進行系統(tǒng)的交叉對比，能夠形成一系列的標準。這些標準對構(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，由于這些選擇是經(jīng)過了長期時間和實踐的論證，所以這些標準也是具有科學性的。當我們要進行同一領(lǐng)域新系統(tǒng)的開發(fā)時，只需要根據(jù)領(lǐng)域模型，確實新的需求規(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，并依據(jù)相關(guān)的標準選取，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，公司也能通過對行為的規(guī)范對整個開發(fā)流程進行管理、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“識別、捕獲和組織特定領(lǐng)域中一類相似系統(tǒng)內(nèi)對象、操作等可復(fù)用信息的過程” 。 領(lǐng)域分析的三個關(guān)鍵過程為：①領(lǐng)域邊界確立：通過對已有技術(shù)資料，典型系統(tǒng)的分析上，綜合領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?，定義出領(lǐng)域分析的范圍和邊界，同時收集開展領(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)計的相關(guān)標準建立描述領(lǐng)域內(nèi)特定問題解決方案的軟件體系結(jié)構(gòu)模型（DSSA）。 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適合所有MCU 系統(tǒng)開發(fā)的領(lǐng)域，而是選擇一個相對狹小的領(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)品要實現(xiàn)的基本功能在很長一段時間內(nèi)基本固定，客戶的需要相對穩(wěn)定，使得針對同類產(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。在對這些領(lǐng)域進行分析的時候，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、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)展趨勢等。當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，前者是一種對解決方案的描述，后者是對領(lǐng)域知識的補充。對于我們所選擇的領(lǐng)域來說，一個具體行業(yè)的軟件體系結(jié)構(gòu)本身就是相對穩(wěn)定的，對于具體的每款產(chǎn)品，實現(xiàn)的功能會有一些細小的差別。常見的情況是，當一個原型機出現(xiàn)后，會在原型機上進行諸多的改款，以適應(yīng)市場客戶不同的需要。所以針對于這樣的領(lǐng)域特點，我們對這階段的過程有如下的建議： 1、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。但各個組織也可以根據(jù)自身的特點來組織選擇領(lǐng)域模型。 2、領(lǐng)域字典：領(lǐng)域字典是通過和領(lǐng)域?qū)＜业膶υ?，以及對相關(guān)的標準進行分析而得到。領(lǐng)域字典的作用是為領(lǐng)域的參與者提供一個準確方便的交流環(huán)境。 3、統(tǒng)一的標識：利用一種標準化的，通用的符號系統(tǒng)對領(lǐng)域內(nèi)的概念進行描述。 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)）不是單個系統(tǒng)的表示，而是能夠適應(yīng)領(lǐng)域中多個系統(tǒng)的需求的一個高層次的設(shè)計。它包含構(gòu)件以及構(gòu)件互聯(lián)的規(guī)則。當開發(fā)本領(lǐng)域的一個新系統(tǒng)時，可以使用這些構(gòu)件，并且按照這些規(guī)則構(gòu)成滿足當前系統(tǒng)需求的特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在DSSA 中有個比較重要的概念就是參考體系結(jié)構(gòu)，它的目的是實現(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）