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正交性在嵌入式软件系统设计中的应用

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2009-09-17   阅读:1851

  1  嵌入式软件系统设计的正交性
  其实,在软件系统设计领域同样或多或少存在“正交”的思想。一个常被引用的模式是Smalltalk编程语言(Krasner和 Pope,1988)的模型视图控制器(ModelViewController)框架。该模式强制性地将软件系统的输入、处理和输出分开,形成数据模型、视图、控制器三大模块,如图1所示。图中“数据模型”包括程序的设计部分,“视图”表示用户界面,“控制器”定义用户和视图的交互方式。

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                     图1  模型视图控制器框架
  其中每部分都是一个独立的对象,每个对象有自己处理数据的规则。这种功能的分离恰巧促成各个模块的正交性、减少它们之间的冗余,因此也使该框架成为应用最为广泛的模式之一。
  1.1  设计正交嵌入式软件系统
  毫无疑问,正交的思想使得系统设计更加清晰和方便。那么如何才能更好地使嵌入式软件系统具有“正交性”呢?
  (1)  设计具有正交性的系统体系结构
  进行系统设计首先要进行系统的体系结构设计。系统的宏观设计同样也体现正交性思想,如图2所示。

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                             图2  系统体系结构
  其中,底层驱动与RTOS是唯一与系统硬件相联系的模块,直接负责与硬件打交道,对硬件进行管理与控制,并为其上层模块提供所需的驱动支持;调度程序在RTOS支持下,根据系统需求对不同的任务模块进行实时调度与管理,确保所有任务能顺利、均衡地执行;最上层的任务模块具有不同的功能,以满足用户需求,它们各自独立、正交、不存在冗余,同时提供相应数据接口,以便与其他模块通信,形成有机整体。
  整个系统体系结构同样体现了正交思想,各个层的不同模块负责相互独立、正交的任务。从垂直角度看上去,该体系结构同正交小波一样,可以用多尺度空间思想表示,如图3所示。越核心的地方,功能轮廓越粗略;越到外层,越体现细节、越贴近用户需求。

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                   图3  多尺度嵌入式软件体系结构
  (2)  保持模块间的松耦合
  划分软件模块时很重要的一个原则是:尽可能地保证各模块间的松耦合和模块内部的高聚合。这实际上就实现了系统的正交化,减少了模块间的冗余与关联。理想的系统结构呈树状,如图4所示。

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               图4  嵌入式系统的理想树状结构
  整个系统呈树状结构,模块间的连接只能存在上下级之间的调用关系,不能有同级模块之间的横向关系,即不能出现网状结构或交叉调用关系。
  如图4所示,通过调用I2C总线读写子模块可以实现I2C一主多从通信子模块以及RTC和EEPROM的读写子模块,但是这些子模块之间彼此不能互相调用。所以,当系统对EEPROM没有需求时,可以方便地将EEPROM读写子模块移除,而不会影响到其他模块。
  (3)  保持任务间的松耦合
  嵌入式系统中常常会用到RTOS,根据系统需求确定不同的任务以及任务执行的频率或次序。在满足需求的前提下,尽可能地保证每个任务有固定的执行周期,因为这样可以让任务按照既定频率执行,减少任务间的通信和调用,同时也增强了系统的可预见性。
  例如,系统SPI通信解析任务(即ProcSPI任务)的执行频率为10 Hz,为了保证通信正常,需要一个任务实时检测SPI通信是否出现故障(即FaultSPI任务)。为说明简便,假设SPI通信故障的唯一来源是数据解析时校验不通过,并且当出错概率超过50%时即可判定SPI通信故障。图5所示为FaultSPI任务被调用的2种方式。
  图中,MCscheduler为系统调度程序,能以固定频率调用不同的任务。图5(a)表明每次解析SPI数据时,都直接触发FaultSPI 任务。显然,根据需求,该方式做了许多无用的判断。图5(b)表明FaultSPI任务由系统调度程序以1 Hz的频率调用。该任务只需要确定SPI数据有5次以上校验错误,即可判断SPI通信故障。这种方式消除了2个任务的直接调用关系,即保持了任务间的松耦合。
  (4)  合并同类项
  以模块或文件为单位,每个模块或文件面向独立的设备或需求,每个模块又由许多子模块构成,这些子模块尽可能负责独立、单一的任务或功能。如 GetTime()、SetTime()、GetFault()、PushFault()等,这些子模块可能会调用相同的函数或方法,也可能会使用同一个属性变量,如果将这些子模块归在一起,封装成一个文件,那么这些被调用的函数、方法或变量就不需要“extern”声明(C语言中),因此对于其他文件是隐藏的、不可见的,增加了系统的安全性;另外,当不需要该功能或设备时,可以方便地将该文件从项目中移除,而不会影响到其他模块的工作。
  (5)  避免编写相似函数
  功能相似的函数往往很难保持正交性,所以应该避免相似函数的出现,或者将其统一成一个函数。比如,一个系统存在着多种通信方式,而在通信过程中,常常需要开发者确定自己的通信协议以及校验方式;如果每一种通信方式都编写自己的校验函数,则增加代码量的同时,也使得系统通信校验函数过于零散;在设计时,可以考虑统一系统中的通信校验方式,编写一个校验函数,以支持各类通信的校验。这样既能使系统简洁,同时也便于维护。
  1.2  正交嵌入式系统的好处
  正交思想几乎触及到自然科学的各个领域,利用该思想来进行嵌入式软件系统设计同样存在诸多优点。

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                                图5  FaultSPI任务调用方式
  (1)   方便单元测试
  在整个软件开发周期中,软件的测试工作占据着相当重要的比例,甚至会超过整个周期的50%。倘若等到所有代码都编写完成之后才开始测试工作,那么,软件系统不同层面以及各个任务模块中的众多Bug,常常会使程序员无法理清思路,从而不能判断问题的根源。所以在进行系统集成测试之前,应该将各个模块的Bug减少到最低,这也就需要在编写各个模块时,进行有效的单元测试。而保证单元测试顺利有效进行的前提是,该模块有很高的独立性,这也正是正交性解决的问题。图6所示为嵌入式软件系统的测试流程。

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                    图6  嵌入式软件系统测试流程
  (2)  更易于维护
  常常有软件系统维护的人员发现了系统存在的问题,却不敢轻易改动,特别是系统底层部分。原因很简单:系统一直运行良好,没有出错,而且由于没有完整的文档说明,担心改动之后会出现新的问题。这种忧虑折射出的是:程序员对眼前软件系统是否具备较好正交性的疑虑。所以一个具有较好正交性的嵌入式软件系统,能够让软件维护人员更快、更顺利地接手,提高维护效率的同时保证很高的正确性。
  (3)  便于移植
  硬件的更新速度相当之快,要降低产品升级成本、加快升级速度,必须让软件系统具备很好的可移植性,特别是嵌入式软件系统中与硬件没有直接关联的应用层部分。一个正交嵌入式系统正好从垂直方向保证了系统各层之间的独立性,很好地将应用层与物理层分离开来。
  (4)  便于协同开发
  DSP与ARM较传统MCU的优势之一,是使用了流水线技术,使指令能并行执行。对于软件,同样希望能并行协同开发。正交嵌入式系统各个模块相互独立,只要定义好各模块的接口,软件开发人员并不需要等待其他模块完成就能开展工作。图7所示为正交嵌入式软件系统的开发模式。
  正交的嵌入式软件系统,能够非常方便地将系统分为互不干扰的独立模块。每个软件开发人员或开发团队负责不同的模块,并行地开展工作。开发人员在开发过程中能够互相沟通(如图7中虚线箭头所示),甚至可以随时协助同伴攻克难题。

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                         图7  正交软件系统开发模式
  2  小结
  在众多研究领域,人们很早就开始借助正交性思想来帮助解决种种问题。从欧氏空间线性变换到经典力学中物体受力分析,从傅里叶变换到信号处理,从小波分析到地震勘探、量子场论、信号处理(包括图像和语音)、机械故障诊断以及JPEG2000标准的制定。这些都是借助正交性思想,将对象分成多个相对独立的部分,进而对各部分单独进行研究,从而化繁为简。在嵌入式软件设计中,也存在类似的思想,正交的嵌入式软件系统能够降低系统各模块间的依赖性,从而使系统更易于维护、方便测试,也更加容易实现系统的移植。从软件开发过程的角度来看,正交性思想还能够帮助研发团队并行作业、协同开发,减少了等待时间,大大提高开发效率,因此该思想值得软件设计人员探讨和利用。