摘 要：首先描述了組件產(chǎn)生的技術(shù)背景，帶來(lái)的重大影響和目前的研究情況。討論了將組件技術(shù)應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的必要性，接著分析了為支持這種新的開(kāi)發(fā)技術(shù)，需要引入新的嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。最后以一個(gè)實(shí)例來(lái)展示基于組件的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。 關(guān)鍵詞：組件 嵌入式系統(tǒng) 體系結(jié)構(gòu) 微內(nèi)核 1 組件技術(shù)分析 　　1.1 組件技術(shù)產(chǎn)生背景 　　為了滿足人們對(duì)于軟件生產(chǎn)率、可靠性、易維護(hù)性、易管理等方面的更高、更快、更強(qiáng)的迫切需求，研究人員不僅引入了軟件工程的概念，而且也引入了面向?qū)ο筮@種不同于傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的新的開(kāi)發(fā)思維，并且將它應(yīng)用于軟件生命周期的各個(gè)階段―從分析到編碼。它被認(rèn)為是解決“軟件危機(jī)”的最佳對(duì)策。但隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)代的到來(lái)，應(yīng)用需求的不斷提高以及應(yīng)用系統(tǒng)的日趨復(fù)雜化[1]，人們發(fā)現(xiàn)這種傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠹夹g(shù)已經(jīng)不能滿足需求了，主要原因有：從抽象程度來(lái)看，面向?qū)ο蠹夹g(shù)已經(jīng)達(dá)到類級(jí)重用，但重用粒度太小，不能解決異構(gòu)互操作問(wèn)題和效率更高的重用。而組件是對(duì)傳統(tǒng)面向?qū)ο蠹夹g(shù)的擴(kuò)展，將抽象程度提高到了更高的層次。它是對(duì)一組相關(guān)類的組合進(jìn)行封裝，并代表完成一個(gè)或多個(gè)功能的特定服務(wù)。此外，組件不僅僅是對(duì)代碼的封裝，它也可以對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)、測(cè)試用例、設(shè)計(jì)文檔、分析文檔和領(lǐng)域知識(shí)等進(jìn)行封裝。因此，從這個(gè)意義上來(lái)講，組件本身具有更廣泛的含義，也具有更靈活的重用粒度。 　　1.2 組件技術(shù)產(chǎn)生的重要影響 　　網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的基礎(chǔ)技術(shù)將有如下發(fā)展[2]：（1）應(yīng)用重點(diǎn)將由基于桌面的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用;（2）操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將由面向桌面的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到面向網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng);（3）網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)將由面向?qū)ο缶幊贪l(fā)展為面向組件編程。組件技術(shù)的運(yùn)用將促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型的改變。Web服務(wù)平臺(tái)將成為下一代的因特網(wǎng)計(jì)算模型，其主要特征：應(yīng)用軟件將由包含自描述信息（元數(shù)據(jù)）的組件組成;系統(tǒng)根據(jù)組件的自描述信息動(dòng)態(tài)生成中間件，建立用戶與組件的聯(lián)系管道，實(shí)現(xiàn)組件的自動(dòng)加載;組件可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得，可以獨(dú)立升級(jí)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以組件化軟件為基礎(chǔ)的“客戶-中間件-服務(wù)器”三層結(jié)構(gòu)可以很好地解決分布式處理、信息安全、軟件升級(jí)、軟件產(chǎn)業(yè)化等技術(shù)和工程方面的問(wèn)題?；诮M件的軟件開(kāi)發(fā)將成為社會(huì)化的軟件開(kāi)發(fā)方法，它使得開(kāi)發(fā)者可以將不同語(yǔ)言、不同開(kāi)發(fā)商提供的組件組合在一起構(gòu)造新的軟件系統(tǒng)。因此，方便地解決了開(kāi)發(fā)異構(gòu)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)帶來(lái)的種種難題。 　　傳統(tǒng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)一般包括需求分析、設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試、測(cè)試和維護(hù)等階段，但基于組件的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程卻與此不同[3] ，如圖1。 [align=center] 圖1 基于組件的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程[/align] 　　在需求分析階段，除了需要考慮系統(tǒng)的功能性和非功能性需求外，還必須從基于組件技術(shù)的角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)并抽取出系統(tǒng)中的共性部分和可變部分，從而形成領(lǐng)域通用組件和專用組件。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段將在前面工作的基礎(chǔ)上建立各個(gè)組件以及組件之間的聯(lián)系。然后軟件設(shè)計(jì)者通過(guò)組件庫(kù)或定制領(lǐng)域通用組件或定制領(lǐng)域?qū)Ｓ媒M件來(lái)獲得系統(tǒng)所需的組件。其中，領(lǐng)域通用組件可以為以后相同領(lǐng)域應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)繼續(xù)提供服務(wù)，從而達(dá)到復(fù)用的目的。因此，基于組件技術(shù)的軟件開(kāi)發(fā)將具有更高的軟件生產(chǎn)率，將成為實(shí)現(xiàn)軟件產(chǎn)業(yè)化的最佳途徑。 　　1.3 組件技術(shù)研究現(xiàn)狀 　　近年來(lái)，組件技術(shù)的研究取得了較大進(jìn)展[4] [5]，對(duì)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了有力的支持，出現(xiàn)了LIL、CKL等多種組件描述語(yǔ)言，Powerbuilder、Delphi等組件語(yǔ)言。目前主流的軟件組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有：微軟提出的COM/COM+、SUN公司提出的JavaBean/EJB、OMG提出的Corba。它們?yōu)閼?yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)提供了可移植性、異構(gòu)性的實(shí)現(xiàn)環(huán)境和健壯平臺(tái)，結(jié)束了面向?qū)ο笾械拈_(kāi)發(fā)語(yǔ)言混亂的局面，解決軟件復(fù)用在通信、互操作等環(huán)境異構(gòu)的瓶頸問(wèn)題。研究實(shí)踐表明，軟件復(fù)用在特定領(lǐng)域更容易獲得成功，因此特定領(lǐng)域的軟件復(fù)用研究得到了高度重視，特定領(lǐng)域的組件技術(shù)及其應(yīng)用研究也成為組件技術(shù)的研究熱點(diǎn)。 　　但是設(shè)計(jì)組件時(shí)，它的粒度該如何把握是一個(gè)值得研究的問(wèn)題，它將影響整個(gè)軟件系統(tǒng)以及以后的重用[6] [7]。如果粒度太大，雖然功能較多，但接口較復(fù)雜且不易修改，因而不易重用;而如果粒度太小，雖然功能單一，接口簡(jiǎn)單且易于修改、易于重用，但整個(gè)軟件系統(tǒng)中各個(gè)組件之間的關(guān)系將顯得更為復(fù)雜。因而，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)軟件系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在大粒度和小粒度的選擇和設(shè)計(jì)中進(jìn)行很好的權(quán)衡。目前，已經(jīng)有這方面的研究，如可變粒度的軟件開(kāi)發(fā)或管理工具。相信不久的將來(lái)，基于組件的軟件開(kāi)發(fā)工具可以為開(kāi)發(fā)人員提供這方面的成熟支持。 2 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 　　2.1 存在的問(wèn)題[2] 　　互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起使計(jì)算模式繼主機(jī)計(jì)算和桌面計(jì)算之后進(jìn)入一種全新的模式―普適計(jì)算模式。這種新型計(jì)算模式的含義十分廣泛，涉及的技術(shù)包括移動(dòng)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式技術(shù)、嵌入式技術(shù)等。它主要針對(duì)移動(dòng)設(shè)備，比如信息家電或某種嵌入式設(shè)備，如掌上電腦、BP機(jī)、車載智能設(shè)備、筆記本計(jì)算機(jī)、手表、智能卡、智能手機(jī)（具有掌上電腦的一部分功能）、機(jī)頂盒、POS銷售機(jī)、屏幕電話（除了普通話機(jī)的功能還可以瀏覽因特網(wǎng)）等新一代智能設(shè)備。因此，嵌入式技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)普適技術(shù)的成熟。嵌入式技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：（1）底層硬件的設(shè)計(jì)，包括集成度、功能、能耗等;（2）嵌入式操作系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性等;（3）高層應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，主要包括開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用的可重用性等。但目前嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)存在下列問(wèn)題：1、硬件系統(tǒng)根據(jù)特定的應(yīng)用進(jìn)行定制，一般不能方便地應(yīng)用到其他的系統(tǒng)中;2、應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)直接基于操作系統(tǒng)之上，缺乏跨平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工具; 3、應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)一般是從“零”開(kāi)始的。因此，導(dǎo)致了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)費(fèi)用大，可移植性差，可靠性低等問(wèn)題。尤其在Internet時(shí)代，應(yīng)用程序的功能將更加豐富和靈活，系統(tǒng)也將變得更為復(fù)雜，因此上述不足將表現(xiàn)得更為突出。 　　2.2 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的發(fā)展 　　為了滿足嵌入式系統(tǒng)快速增長(zhǎng)的需要以及解決傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法中存在的不足，我們將組件技術(shù)引入嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中。但目前絕大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)存在下列問(wèn)題：（1）以一體化內(nèi)核的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如linux將許多常用的但非基本的服務(wù)直接集成到內(nèi)核中（如tcp/ip協(xié)議等），因此將使內(nèi)核顯得過(guò)于龐大。雖然linux內(nèi)核可以通過(guò)定制來(lái)使其變得更為小巧和合理，但每次內(nèi)核的升級(jí)和功能的增加/裁減都需要對(duì)整個(gè)內(nèi)核進(jìn)行重新的編譯，導(dǎo)致系統(tǒng)缺乏靈活性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)核的run-time時(shí)升級(jí)。（2）缺乏對(duì)面向組件編程方式提供直接支持。 [align=center]　 圖2 新型的嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[/align] 　　為了更好地支持組件在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用， 我們需要一種新的嵌入式操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)[2] [4] [6]（見(jiàn)圖2），具體描述如下：（1）將傳統(tǒng)的一體化內(nèi)核進(jìn)行分層，形成微內(nèi)核層和系統(tǒng)擴(kuò)展服務(wù)層。除了將基本服務(wù)――硬件抽象、內(nèi)存管理、進(jìn)行管理與通信――集成到內(nèi)核中，其余的系統(tǒng)服務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)等，將作為擴(kuò)展服務(wù)。底層功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)制決定了系統(tǒng)性能。如進(jìn)程調(diào)度算法和進(jìn)行之間的通信管理機(jī)制決定了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和實(shí)時(shí)性等因素。第二層使得系統(tǒng)變得更為靈活，它的改變對(duì)底層而言是透明的。因此，無(wú)論從功能升級(jí)還是新功能的加入方面來(lái)看，系統(tǒng)將變得更加靈活，內(nèi)核可以實(shí)現(xiàn)run-time時(shí)升級(jí)，而且為實(shí)現(xiàn)真正的軟硬件熱插拔和移動(dòng)計(jì)算提供了可能。此外，系統(tǒng)將更加可靠、穩(wěn)定和高效。既適合于低端嵌入式應(yīng)用，也適合于高端應(yīng)用。（2）提供對(duì)通用組件運(yùn)行環(huán)境的直接支持，即實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)[2]的概念。此時(shí)基于組件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序并不是直接基于底層操作系統(tǒng)，因此具有很好的移植性。 3 基于組件技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程 　　基于組件技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程如下： 　　（1）系統(tǒng)需求分析 　　包括功能性需求與非功能性需求分析。確定哪些功能由硬件模塊實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件模塊實(shí)現(xiàn)。結(jié)合領(lǐng)域知識(shí)分析并提取公共的軟硬件部分以及可變的軟硬件部分。 　?。?）設(shè)計(jì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 　　在前一階段工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。第一、硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)同樣可以借鑒組件技術(shù)的思維,即基于硬組件技術(shù)，將其設(shè)計(jì)為模塊化系統(tǒng)，由硬件供應(yīng)商提供基礎(chǔ)組件，如8位/16位/32位CPU核、USB核、CAN核、DSP核，MODEM核，F(xiàn)AX核，甚至粒度更大的SoC芯片。硬件工程師將根據(jù)需要對(duì)硬組件進(jìn)行選擇，或自行開(kāi)發(fā)。第二、軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有：選擇支持組件技術(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)、確定系統(tǒng)級(jí)的擴(kuò)展服務(wù)組件、確定應(yīng)用級(jí)的領(lǐng)域通用組件和專用組件，確定各個(gè)組件之間的關(guān)系[2] [6]。 　　（3）通用的組件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇 　?。?）組件的選擇、開(kāi)發(fā)、集成以及測(cè)試。 　　由此可見(jiàn)，將來(lái)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作量主要集中在：1、硬件系統(tǒng)――基于硬組件、擴(kuò)展組件的選擇與集成，特殊組件的開(kāi)發(fā);2、系統(tǒng)軟件――擴(kuò)展服務(wù)組件的選擇或開(kāi)發(fā);3、應(yīng)用程序――組件的選擇或開(kāi)發(fā)，還有最后的集成與測(cè)試。 4 基于組件的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例分析 　　目前，很多智能消費(fèi)設(shè)備提供了一些相似的功能，如在多媒體、游戲等方面。因此這些領(lǐng)域通用功能可以在多個(gè)應(yīng)用之間實(shí)現(xiàn)共享。下面以一款智能終端為例來(lái)說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)基于組件的體系結(jié)構(gòu)，它體現(xiàn)了組件技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相結(jié)合的魅力所在，是傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法所無(wú)法比擬的，是一種更為自然的描述和設(shè)計(jì)方式。該智能終端具有如下功能性需求：（1）具有一般PDA的功能，如備忘錄、字典、電話號(hào)碼、游戲等;（2）下載/播放音樂(lè)（3）下載或在線視頻播放（4）自動(dòng)下載和系統(tǒng)在線升級(jí)、收發(fā)郵件、SMS。非功能性需要有：節(jié)能保護(hù)。 　　根據(jù)上述需求描述，我們可以提取出下列領(lǐng)域通用組件：（1）“基于瀏覽器技術(shù)的用戶界面”組件。（2）PDA框架。（3）多媒體框架。（4）網(wǎng)絡(luò)功能框架。領(lǐng)域?qū)Ｓ媒M件有：節(jié)能保護(hù)組件。整個(gè)軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3。 [align=center] 圖3 基于組件的軟件體系結(jié)構(gòu)實(shí)例[/align] 　　該體系結(jié)構(gòu)由瀏覽器界面通用組件、PDA框架、多媒體框架和網(wǎng)絡(luò)功能框架等組成。其中，各個(gè)框架又包含若干粒度更小的組件或框架。例PAD框架既包含備忘錄組件又包含粒度更小的游戲框架。從復(fù)用角度看[7]，框架本身也屬于組件，但它的粒度更大，因而整個(gè)系統(tǒng)中各部分之間的關(guān)系顯得較為簡(jiǎn)單和清晰。尤其對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，組件粒度的選擇很重要，需要在易于復(fù)用和關(guān)系簡(jiǎn)單化這二者中進(jìn)行很好的權(quán)衡。 　　其中以瀏覽器為交互式操作界面，既便于用戶掌握，又為程序開(kāi)發(fā)提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也是將來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型的主要特征之一。在這種新的應(yīng)用模式下，“瀏覽器”實(shí)際上只是作為一個(gè)容器，它是一個(gè)可執(zhí)行文件，但本身非常簡(jiǎn)單，不為用戶提供應(yīng)用功能，而只是提供組件運(yùn)行環(huán)境。 　　自動(dòng)下載組件可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線升級(jí)。例如，如果硬件系統(tǒng)支持的話，可以將SMS組件升級(jí)為MMS組件。此外，為了安全起見(jiàn)，可以為系統(tǒng)加入新的功能，如增加“來(lái)電防火墻”組件。 5 結(jié)束語(yǔ) 　　基于組件的軟件開(kāi)發(fā)是一種全新的網(wǎng)絡(luò)編程方式。組件技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將使得軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更自然、更高效、更靈活。特別地，基于組件技術(shù)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有著重要的意義，將結(jié)束其傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)各自為戰(zhàn)的時(shí)代，將促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代更為廣泛和深入的應(yīng)用。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將組件技術(shù)應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加快捷和高效。 參考文獻(xiàn) 　　1.Crnkovic I.Component-Based software engineering——New challenges in software development[J].Software Focus.2001;2（4）: 127-133 　　2.陳榕.中間件技術(shù)在嵌入式操作系統(tǒng)中的應(yīng)用[C]. 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