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浅谈嵌入式软件系统设计中的正交性

时间:08-05 来源: 点击:
  摘要 嵌入式软件系统设计领域存在"正交"的思想。本文结合实际项目经验,总结了软件系统正交化的方法,同时较全面地分析了正交性给嵌入式软件设计带来的诸多方便,最后回顾"正交"思想对不同自然科学领域的积极影响与启发。

  关键词 嵌入式软件设计 正交性 小波

  1 小波漫谈

  小波变换是20世纪最辉煌的科学成就之一,已经广泛应用于信号处理、图像分析、非线性科学、地球科学、音乐雷达、CT成像、地震勘探、天体识别、量子场论、机械故障诊断、分形等科技领域。

  20世纪初,哈尔(Alfred Haar)对在函数空间中寻找一个与傅里叶类似的基非常感兴趣。1909年他最早发现和使用了小波,后来这被命名为哈尔小波(Haar wavelets)。20世纪 70年代,当时在法国石油公司工作的地球物理学家 Jean Morlet提出了小波变换 WT(Wavelet Transform)的概念。 进入 20世纪 80年代,法国科学家 Y.Meyer和他的同事开始研究系统的小波分析方法。1985年,Daubechies提出"正交小波基",并构造具有紧支撑的光滑小波,以及随后 Mallat提出的多分辨分析及快速小波变换,将小波研究推向高潮。小波分析己经成为目前发展最快和最引入注目的学科之一,几乎涉及信息领域的所有学科。

  为何"正交小波基"与多分辨分析的提出成为小波分析发展史中的重大突破成就?主要原因之一是:变换系数没有冗余,能够将信号分解成互不影响的正交子信号,这样就可以根据需求方便地对所需特征的子信号进行分析,从而很好地反映信号的细节。

  2 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。

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。

  2.1 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。


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。

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。

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。

  2.2 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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