对轻量级构件的嵌入式软件开发应用的研究.docx
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对轻量级构件的嵌入式软件开发应用的研究
对轻量级构件的嵌入式软件开发应用的研究
目录
第1章绪论
1.1课题背景
1.2国内外研究现状
1.3研究意义
1.4研究内容
1.5论文组织结构
第2章嵌入式系统及软件重用技术
2.1嵌入式系统
2.2软件复用技术
2.3嵌入式软件开发方法
第3章基于构件的软件开发技术
3.1基于构件的软件开发
3.2构件模型
3.2.1通用构件模型
3.2.2嵌入式构件模型介绍
第4章可配置构件模型
4.1面向特定领域的可配置构件模型
4.2构件化软件系统的组织
第5章软件构件的设计与应用
5.1构件开发
5.2串口构件
5.3定时器构件
5.4I2C构件
5.5构件的重用实例
第6章平板式跑步机系统实现
6.1基于可配置构件模型的软件开发流程
6.2平板式跑步机系统结构
6.3GUI构件
6.4OSD构件
6.5平板式跑步机系统实现及运行结果
第7章总结和展望
7.1总结
7.2未来工作展望
参考文献、声明、致谢
摘要：
近几年，嵌入式系统正以前所未有的速度向前发展。
随着嵌入式技术的发展，嵌入式应用的不断增长及嵌入式系统复杂性的不断提高，嵌入式软件的规模和复杂性也在不断提高。
面对竞争日益激烈的市场，如何快速、高效地开发嵌入式软件，保证产品的质量已成为一个严峻的挑战。
从长期的软件开发实践中，人们逐渐认识到软件复用是软件工程的重要领域，被认为是解决软件危机，提高软件生产率和软件质量的主要途径。
而基于构件的软件开发方法正是当前软件复用技术研究的焦点。
基于构件的软件开发使传统的“算法+数据结构”的开发模式改变成为“构件开发+基于构件的组装”的开发模式。
可重用的构件对象都是标准化的，所以基于构件的软件开发方法比其它软件重用方法能够更好的提高重用性，节约开发成本。
针对嵌入式系统资源有限、平台具有差异性、可靠性要求高等软硬件特点，通过对嵌入式软件开发的可重用技术研究，针对具有GUI界面的单片机软件开发，提出了一种适用于该领域软件开发的可配置构件模型。
配置属性的使用增强了代码构件的灵活性和适应性，并采用合适的软件体系结构，使开发的嵌入式软件具有较好的可移植性及易重用性等特点。
在此模型的基础上，研究了嵌入式软件的构件化方法以及组装应用系统的实践，详细地定义了构件的接口,使其与构件的实现体分开，达到易重用性的目的；通过封装底层接口获得很好的移植性，通过可选接口实现构件的易维护性。
关键词：
构件，软件复用，基于构件的软件开发，可配置构件模型，软件体系结构
第1章绪论
1.1课题背景
计算机技术被广泛地应用社会的各行各业，促进了整体信息化水平的建设，极大地提高了社会生产力，丰富了人们的生活，其主要因素在于通过软件的灵活性实现了各种能够代替人类劳动的功能，从而减轻人类的工作量。
然而，软件本身具有不直观和抽象的特点，随着人们将越来越多的功能通过软件来实现，软件需求量迅速增加，软件规模快速增长，带来了软件复杂程度的增加和程序代码的几何级增长。
庞大的软件开发和维护费用，加上不可避免的软件质量下降，最终导致软件危机的产生。
解决软件危机面临着包括两方面的难题：
一方面，如何开发软件，以满足不断增长、日趋复杂的功能需求；另一方面：
如何维护数量不断膨胀的软件产品。
为此，人们已经尝试了多种技术手段来提高开发效率与软件质量、降低开发成本。
在长期的软件工程实践中，人们逐渐认识到软件重用（SoftwareReuse）是能够满足软件产业需要，达到提高软件生产效率和保证软件质量的方法。
为了更好地贯彻软件重用的思想，人们通过分析传统工业以及计算机硬件工业的成功模式发现，它们都采用了通过生产符合标准的零部件，然后利用这些标准的零部件来生产产品。
这些零部件就称为构件，并且构件概念已经应用到各行各业，特别是在建筑业和制造业已经相当成熟，在相对年轻的软件产业中，通过模仿这种模式，也逐渐形成了基于构件的软件开发（Component-BasedSoftwareDevelopment，CBSD）方式，但理论和实践还在不断成熟。
在基于构件的软件开发方式中，所有被重用的对象都按照一定标准封装成构件（Component），软件的开发就变成了组装这些预先建造好的、标准化的构件的过程。
在嵌入式应用软件的开发实践中，经常使用同种外设、中断或某个功能模块，这些程序代码往往可以重复使用，有时只需要修改相关的参数配置即可重用。
但传统的软件开发方式使得嵌入式软件的开发周期长，成本高，软件不通用，重复开发多。
所以嵌入式系统的软件开发也面临着软件模块如何重用的问题。
而且由于嵌入式系统的基本特点——实时性、资源有限、专用性等因素，许多问题比一般通用软件更难以解决。
如：
资源极度有限，要求嵌入式软件必须简洁高效，但是这种要求很多时候要依赖设计者的个人技巧才能达到，过多使用这些技巧往往使软件的可维护性变差；嵌入式产品更新速度快，要求产品的成本更低以及研发周期缩短，从而导致软件质量下降。
因此，针对嵌入式软件系统开发中出现的各种情况，探索适合该领域软件开发的新技术己经势在必行。
基于构件的软件开发正是在这种背景下引入到嵌入式软件设计中的。
1.2国内外研究现状
1968年，在NATO软件工程会议上，Mcllicy在其论文“大量生产的软件组件”中提出了软件复用的概念。
九十年代，面向对象技术出现并逐渐成为软件开发的主流技术，为软件复用提供了基本支持，软件复用技术研究成为热点。
软件系统的开发者希望软件的开发过程能像工业制造产品那样即插即用各种应用软件，这种即插即用的应用软件被称为构件或软件构件，由此就产生了构件技术。
由于嵌入式实时软件开发面临的问题与通用软件类似，因此人们自然地将基于构件的软件开发技术引入到嵌入式软件开发领域中，形成基于构件的嵌入式软件开发技术。
根据嵌入式系统的基本特点，国内外的相关研究工作主要有：
嵌入式软件运行环境的构件化模型、嵌入式软件的构件化开发方法学和开发环境以及嵌入式应用软件的构件化开发实践。
其中，嵌入式应用软件的构件化开发实践是目前研究的重要内容之一。
例如：
朱立新等人针对特定应用讨论了利用构件技术构建嵌入式实时操作系统的问题；周功建等人在OSGi（一个构件化的软件体系结构）平台上研究了构件化的嵌入式软件的演化问题；SheikhIAhamde等实现了一个用于移动嵌入式系统的构件化的嵌入式数据库。
这些实际的构件化嵌入式软件的应用实践说明了两个方面的问题：
一方面证明了基于构件的软件开发技术在嵌入式软件开发过程中的优越性，另一方面根据这些具体的实际应用归纳出基于构件的软件开发技术在嵌入式软件的开发过程中存在的问题，探寻相应的解决办法，完善相关理论。
目前，国际上非嵌入式领域典型的组件体系结构包括CORBA、COM/DCOM和JavaBeans/EJB，国内较知名的是北京大学的青鸟系统。
而在嵌入式领域，由于嵌入式软件具有面向特定应用的特点，没有哪一个构件模型能完全适合所有的嵌入式软件开发。
因此，在应用构件技术开发嵌入式软件时就出现了不同的构件模型，要根据嵌入式软件应用的领域及其特点设计构件模型。
国外已经提出的嵌入式构件模型有：
Philips公司针对消费电子领域设计的构件模型Koala；ABB公司针对现场设备设计的构件模型PECOS；Arcticus系统公司用于建筑设备的构件模型Rubus。
国内相关的研究尚处于起步阶段，主要有科泰世纪公司的ezCOM模型，科银京成公司推出的DeltaSystem平台和嵌入式应用组件及嵌入式测试工具GanunaRAY等产品；电子科技大学邓勇等人应用于智能家电控制的嵌入式软件源码构件模型等等。
消费电子产品的一个发展趋势是具有亲和力的人机交互界面，而面对目前市场上存在的丰富的图库，资源有限的单片机系统心有余而力不足。
程序编程人员通常采用自己设计的GUI库，能够具有更好的灵活性。
这些GUI库可重用性好，只要对GUI构件进行必要的参数配置，就能简便快捷地构建应用系统。
而在具有GUI的消费电子产品的软件开发中，还没有享有基于构件的软件开发技术所带来高效率、高可靠性的优势。
1.3研究意义
在嵌入式软件开发实践中，不管是底层的驱动开发，还是上层的应用控制系统，都存在大量可以重用的代码片段，而在软件开发的过程并没有考虑对这些片段的整理、存储和重用，从而导致每次做嵌入式软件开发时都要从头做起，使已有成果无法得到利用。
通过大量PC软件开发实践证明，基于构件的软件开发已成为提高软件重用性的最佳选择。
构件是一个可重用的基本单元，构件之间能够通信、互相协作，并能与系统其它部分交互。
构件技术应用于软件系统设计和开发，降低了系统的复杂度，提高了软件的可重用性，实现了独立的构件开发，缩短了系统开发周期，提高了软件的可靠性。
基于构件的软件工程将成为今后软件开发的趋势。
目前常用的构件模型均是适用于硬件资源比较丰富的软件开发领域，针对应用广泛的单片机程序开发领域，国内外相应的嵌入式构件模型却极少，构件化的高效开发模式并未应用于其开发过程之中。
此外，具有GUI界面需求的单片机软件系统广泛应用在工业控制、机顶盒等领域。
因此，本文立足于基于源代码的嵌入式构件模型、源代码构件及其应用的研究，以特定领域为研究对象，以希在嵌入式构件技术方面的理论研究尽一份绵薄之力。
本论文的研究工作具有一定的理论意义和实用价值。
1.4研究内容
本课题针对在嵌入式软件领域，很多嵌入式产品是具有GUI界面的软件设计，总结出该领域的共同特征，进行领域工程的设计，针对该领域提出可配置构件模型。
在此基础上，研究可配置构件模型的接口和属性，介绍软件构件生成过程及应用系统的实现。
本论文的研究内容包括：
（1）对基于构件的软件工程的主要内容和嵌入式软件开发方法进行了系统的研究，明确了本文要重点研究的内容——如何利用基于构件的软件开发方法提高嵌入式软件的开发效率。
（2）对嵌入式软件的软件结构设计及其共性特点等方面的内容进行重点研究。
分析现有的构件化模型，提出一种适用于特定领域的嵌入式软件开发的构件模型——可配置构件模型。
（3）对特定领域提出的可配置构件模型进行分析，采用分层结构和MVC结构相结合的软件结构作为基于可配置构件模型的软件体系结构。
（4）根据本文提出的构件模型和软件体系结构，分别在不同平台应用现有构件和在同一平台实现一个应用实例，验证基于构件软件开发方法的高效性。
1.5论文组织结构
论文共分为七章，系统介绍了软件构件化思想在嵌入式软件设计中的研究和应用。
主要内容如下：
第一章绪论。
介绍整篇论文的研究背景、国内外研究现状、研究意义和研究内容。
第二章嵌入式系统及软件重用技术。
介绍嵌入式系统的软硬件结构、软件设计方法及软件重用技术的相关理论。
第三章基于构件的软件开发技术。
介绍基于构件的软件开发的相关理论及现有构件模型的特点。
第四章可配置构件模型。
在分析现有构件模型的基础上，提出适合具有GUI界面的嵌入式软件开发的构件模型。
系统的阐述可配置构件模型的组成要素、实现过程及采用的软件体系结构。
第五章软件构件的设计与应用。
针对嵌入式软件开发过程中通用模块，制定出软件构件。
根据提出的可配置构件模型，详细阐述构件的接口定义及其内部实现结构。
用实例说明基于构件的软件开发对嵌入式软件开发带来的高效率及高可靠性的优势。
第六章平板式跑步机系统实现。
介绍了基于构件的软件开发流程、软件系统的功能结构及软件体系结构，并给出GUI构件及OSD构件的详细设计过程包括接口和属性的定义，然后结合通用构件手工组装实现应用软件系统来阐述基于可配置构件的开发方法在嵌入式软件开发中的应用，
第七章总结和展望。
总结基于构件的软件开发的发展趋势和本人在平板式跑步机实现的过程中承担的工作，并指出基于可配置构件的软件开发技术中一些可
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