嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的正交性分析

嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域存在“正交”的思想。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了軟件系統(tǒng)正交化的方法，同時(shí)較全面地分析了正交性給嵌入式軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)的諸多方便，最后回顧“正交”思想對(duì)不同自然科學(xué)領(lǐng)域的積極影響與啟發(fā)。

關(guān)鍵詞? 嵌入式軟件設(shè)計(jì)? 正交性? 小波

1? 小波漫談

　　小波變換是20世紀(jì)最輝煌的科學(xué)成就之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、圖像分析、非線性科學(xué)、地球科學(xué)、音樂(lè)雷達(dá)、CT成像、地震勘探、天體識(shí)別、量子場(chǎng)論、機(jī)械故障診斷、分形等科技領(lǐng)域。

　　20世紀(jì)初，哈爾(Alfred Haar)對(duì)在函數(shù)空間中尋找一個(gè)與傅里葉類似的基非常感興趣。1909年他最早發(fā)現(xiàn)和使用了小波，后來(lái)這被命名為哈爾小波(Haar wavelets)。20世紀(jì) 70年代，當(dāng)時(shí)在法國(guó)石油公司工作的地球物理學(xué)家 Jean Morlet提出了小波變換 WT(Wavelet Transform)的概念。 進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代，法國(guó)科學(xué)家 Y.Meyer和他的同事開(kāi)始研究系統(tǒng)的小波分析方法。1985年，Daubechies提出“正交小波基”，并構(gòu)造具有緊支撐的光滑小波，以及隨后Mallat提出的多分辨分析及快速小波變換，將小波研究推向高潮。小波分析己經(jīng)成為目前發(fā)展最快和最引入注目的學(xué)科之一，幾乎涉及信息領(lǐng)域的所有學(xué)科。

　　為何“正交小波基”與多分辨分析的提出成為小波分析發(fā)展史中的重大突破成就？主要原因之一是：變換系數(shù)沒(méi)有冗余，能夠?qū)⑿盘?hào)分解成互不影響的正交子信號(hào)，這樣就可以根據(jù)需求方便地對(duì)所需特征的子信號(hào)進(jìn)行分析，從而很好地反映信號(hào)的細(xì)節(jié)。

2? 嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正交性

　　其實(shí)，在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域同樣或多或少存在“正交”的思想。一個(gè)常被引用的模式是Smalltalk編程語(yǔ)言（Krasner和Pope，1988）的模型視圖控制器(ModelViewController)框架。該模式強(qiáng)制性地將軟件系統(tǒng)的輸入、處理和輸出分開(kāi)，形成數(shù)據(jù)模型、視圖、控制器三大模塊，如圖1所示。圖中“數(shù)據(jù)模型”包括程序的設(shè)計(jì)部分，“視圖”表示用戶界面，“控制器”定義用戶和視圖的交互方式。

圖1? 模型視圖控制器框架

　　其中每部分都是一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象，每個(gè)對(duì)象有自己處理數(shù)據(jù)的規(guī)則。這種功能的分離恰巧促成各個(gè)模塊的正交性、減少它們之間的冗余，因此也使該框架成為應(yīng)用最為廣泛的模式之一。

2.1? 設(shè)計(jì)正交嵌入式軟件系統(tǒng)

　　毫無(wú)疑問(wèn)，正交的思想使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加清晰和方便。那么如何才能更好地使嵌入式軟件系統(tǒng)具有“正交性”呢？

（1） ?設(shè)計(jì)具有正交性的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的宏觀設(shè)計(jì)同樣也體現(xiàn)正交性思想，如圖2所示。

圖2? 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　其中，底層驅(qū)動(dòng)與RTOS是唯一與系統(tǒng)硬件相聯(lián)系的模塊，直接負(fù)責(zé)與硬件打交道，對(duì)硬件進(jìn)行管理與控制，并為其上層模塊提供所需的驅(qū)動(dòng)支持；調(diào)度程序在RTOS支持下，根據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)不同的任務(wù)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度與管理，確保所有任務(wù)能順利、均衡地執(zhí)行；最上層的任務(wù)模塊具有不同的功能，以滿足用戶需求，它們各自獨(dú)立、正交、不存在冗余，同時(shí)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)接口，以便與其他模塊通信，形成有機(jī)整體。

　　整個(gè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)同樣體現(xiàn)了正交思想，各個(gè)層的不同模塊負(fù)責(zé)相互獨(dú)立、正交的任務(wù)。從垂直角度看上去，該體系結(jié)構(gòu)同正交小波一樣，可以用多尺度空間思想表示，如圖3所示。越核心的地方，功能輪廓越粗略；越到外層，越體現(xiàn)細(xì)節(jié)、越貼近用戶需求。

圖3? 多尺度嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)

（2） ?保持模塊間的松耦合

　　劃分軟件模塊時(shí)很重要的一個(gè)原則是：盡可能地保證各模塊間的松耦合和模塊內(nèi)部的高聚合。這實(shí)際上就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的正交化，減少了模塊間的冗余與關(guān)聯(lián)。理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈樹(shù)狀，如圖4所示。

圖4? 嵌入式系統(tǒng)的理想樹(shù)狀結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)系統(tǒng)呈樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，模塊間的連接只能存在上下級(jí)之間的調(diào)用關(guān)系，不能有同級(jí)模塊之間的橫向關(guān)系，即不能出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或交叉調(diào)用關(guān)系。

　　如圖4所示，通過(guò)調(diào)用I2C總線讀寫子模塊可以實(shí)現(xiàn)I2C一主多從通信子模塊以及RTC和EEPROM的讀寫子模塊，但是這些子模塊之間彼此不能互相調(diào)用。所以，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)EEPROM沒(méi)有需求時(shí)，可以方便地將EEPROM讀寫子模塊移除，而不會(huì)影響到其他模塊。

（3）? 保持任務(wù)間的松耦合

　　嵌入式系統(tǒng)中常常會(huì)用到RTOS，根據(jù)系統(tǒng)需求確定不同的任務(wù)以及任務(wù)執(zhí)行的頻率或次序。在滿足需求的前提下，盡可能地保證每個(gè)任務(wù)有固定的執(zhí)行周期，因?yàn)檫@樣可以讓任務(wù)按照既定頻率執(zhí)行，減少任務(wù)間的通信和調(diào)用，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可預(yù)見(jiàn)性。

　　例如，系統(tǒng)SPI通信解析任務(wù)（即ProcSPI任務(wù)）的執(zhí)行頻率為10 Hz，為了保證通信正常，需要一個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)檢測(cè)SPI通信是否出現(xiàn)故障（即FaultSPI任務(wù)）。為說(shuō)明簡(jiǎn)便，假設(shè)SPI通信故障的唯一來(lái)源是數(shù)據(jù)解析時(shí)校驗(yàn)不通過(guò)，并且當(dāng)出錯(cuò)概率超過(guò)50%時(shí)即可判定SPI通信故障。圖5所示為FaultSPI任務(wù)被調(diào)用的2種方式。

　　圖中，MCscheduler為系統(tǒng)調(diào)度程序，能以固定頻率調(diào)用不同的任務(wù)。圖5（a）表明每次解析SPI數(shù)據(jù)時(shí)，都直接觸發(fā)FaultSPI任務(wù)。顯然，根據(jù)需求，該方式做了許多無(wú)用的判斷。圖5（b）表明FaultSPI任務(wù)由系統(tǒng)調(diào)度程序以1 Hz的頻率調(diào)用。該任務(wù)只需要確定SPI數(shù)據(jù)有5次以上校驗(yàn)錯(cuò)誤，即可判斷SPI通信故障。這種方式消除了2個(gè)任務(wù)的直接調(diào)用關(guān)系，即保持了任務(wù)間的松耦合。

（4）? 合并同類項(xiàng)

　　以模塊或文件為單位，每個(gè)模塊或文件面向獨(dú)立的設(shè)備或需求，每個(gè)模塊又由許多子模塊構(gòu)成，這些子模塊盡可能負(fù)責(zé)獨(dú)立、單一的任務(wù)或功能。如GetTime()、SetTime()、GetFault()、PushFault()等，這些子模塊可能會(huì)調(diào)用相同的函數(shù)或方法，也可能會(huì)使用同一個(gè)屬性變量，如果將這些子模塊歸在一起，封裝成一個(gè)文件，那么這些被調(diào)用的函數(shù)、方法或變量就不需要“extern”聲明(C語(yǔ)言中)，因此對(duì)于其他文件是隱藏的、不可見(jiàn)的，增加了系統(tǒng)的安全性；另外，當(dāng)不需要該功能或設(shè)備時(shí)，可以方便地將該文件從項(xiàng)目中移除，而不會(huì)影響到其他模塊的工作。

（5）? 避免編寫相似函數(shù)

　　功能相似的函數(shù)往往很難保持正交性，所以應(yīng)該避免相似函數(shù)的出現(xiàn)，或者將其統(tǒng)一成一個(gè)函數(shù)。比如，一個(gè)系統(tǒng)存在著多種通信方式，而在通信過(guò)程中，常常需要開(kāi)發(fā)者確定自己的通信協(xié)議以及校驗(yàn)方式；如果每一種通信方式都編寫自己的校驗(yàn)函數(shù)，則增加代碼量的同時(shí)，也使得系統(tǒng)通信校驗(yàn)函數(shù)過(guò)于零散；在設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮統(tǒng)一系統(tǒng)中的通信校驗(yàn)方式，編寫一個(gè)校驗(yàn)函數(shù)，以支持各類通信的校驗(yàn)。這樣既能使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，同時(shí)也便于維護(hù)。

2.2? 正交嵌入式系統(tǒng)的好處

　　正交思想幾乎觸及到自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，利用該思想來(lái)進(jìn)行嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣存在諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖5? FaultSPI任務(wù)調(diào)用方式

（1）? ?方便單元測(cè)試

　　在整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)周期中，軟件的測(cè)試工作占據(jù)著相當(dāng)重要的比例，甚至?xí)^(guò)整個(gè)周期的50%。倘若等到所有代碼都編寫完成之后才開(kāi)始測(cè)試工作，那么，軟件系統(tǒng)不同層面以及各個(gè)任務(wù)模塊中的眾多Bug，常常會(huì)使程序員無(wú)法理清思路，從而不能判斷問(wèn)題的根源。所以在進(jìn)行系統(tǒng)集成測(cè)試之前，應(yīng)該將各個(gè)模塊的Bug減少到最低，這也就需要在編寫各個(gè)模塊時(shí)，進(jìn)行有效的單元測(cè)試。而保證單元測(cè)試順利有效進(jìn)行的前提是，該模塊有很高的獨(dú)立性，這也正是正交性解決的問(wèn)題。圖6所示為嵌入式軟件系統(tǒng)的測(cè)試流程。

圖6? 嵌入式軟件系統(tǒng)測(cè)試流程

（2）? 更易于維護(hù)

　　常常有軟件系統(tǒng)維護(hù)的人員發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)存在的問(wèn)題，卻不敢輕易改動(dòng)，特別是系統(tǒng)底層部分。原因很簡(jiǎn)單：系統(tǒng)一直運(yùn)行良好，沒(méi)有出錯(cuò)，而且由于沒(méi)有完整的文檔說(shuō)明，擔(dān)心改動(dòng)之后會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題。這種憂慮折射出的是：程序員對(duì)眼前軟件系統(tǒng)是否具備較好正交性的疑慮。所以一個(gè)具有較好正交性的嵌入式軟件系統(tǒng)，能夠讓軟件維護(hù)人員更快、更順利地接手，提高維護(hù)效率的同時(shí)保證很高的正確性。

（3） ?便于移植

　　硬件的更新速度相當(dāng)之快，要降低產(chǎn)品升級(jí)成本、加快升級(jí)速度，必須讓軟件系統(tǒng)具備很好的可移植性，特別是嵌入式軟件系統(tǒng)中與硬件沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)的應(yīng)用層部分。一個(gè)正交嵌入式系統(tǒng)正好從垂直方向保證了系統(tǒng)各層之間的獨(dú)立性，很好地將應(yīng)用層與物理層分離開(kāi)來(lái)。

（4）? 便于協(xié)同開(kāi)發(fā)

　　DSP與ARM較傳統(tǒng)MCU的優(yōu)勢(shì)之一，是使用了流水線技術(shù)，使指令能并行執(zhí)行。對(duì)于軟件，同樣希望能并行協(xié)同開(kāi)發(fā)。正交嵌入式系統(tǒng)各個(gè)模塊相互獨(dú)立，只要定義好各模塊的接口，軟件開(kāi)發(fā)人員并不需要等待其他模塊完成就能開(kāi)展工作。圖7所示為正交嵌入式軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式。

　　正交的嵌入式軟件系統(tǒng)，能夠非常方便地將系統(tǒng)分為互不干擾的獨(dú)立模塊。每個(gè)軟件開(kāi)發(fā)人員或開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)不同的模塊，并行地開(kāi)展工作。開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中能夠互相溝通（如圖7中虛線箭頭所示），甚至可以隨時(shí)協(xié)助同伴攻克難題。

圖7? 正交軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式

3? 小結(jié)

　　在眾多研究領(lǐng)域，人們很早就開(kāi)始借助正交性思想來(lái)幫助解決種種問(wèn)題。從歐氏空間線性變換到經(jīng)典力學(xué)中物體受力分析，從傅里葉變換到信號(hào)處理，從小波分析到地震勘探、量子場(chǎng)論、信號(hào)處理（包括圖像和語(yǔ)音）、機(jī)械故障診斷以及JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的制定。這些都是借助正交性思想，將對(duì)象分成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，進(jìn)而對(duì)各部分單獨(dú)進(jìn)行研究，從而化繁為簡(jiǎn)。在嵌入式軟件設(shè)計(jì)中，也存在類似的思想，正交的嵌入式軟件系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)各模塊間的依賴性，從而使系統(tǒng)更易于維護(hù)、方便測(cè)試，也更加容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的移植。從軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的角度來(lái)看，正交性思想還能夠幫助研發(fā)團(tuán)隊(duì)并行作業(yè)、協(xié)同開(kāi)發(fā)，減少了等待時(shí)間，大大提高開(kāi)發(fā)效率，因此該思想值得軟件設(shè)計(jì)人員探討和利用。