嵌入式構(gòu)件技術(shù)探究

楊曉華

摘要：嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是新一代的監(jiān)控系統(tǒng)，它體積小易于布控、功耗低、穩(wěn)定性高、具有良好的性價(jià)比，與傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)相比具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。隨著硬件的變革，嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控軟件系統(tǒng)也需要從基于PC機(jī)的開發(fā)轉(zhuǎn)移到基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)上，嵌入式系統(tǒng)有不同于通用PC的諸多新特點(diǎn)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)下視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)提出新的要求。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；遠(yuǎn)程控制；軟構(gòu)件；插件；構(gòu)件模型

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）35-8396-02

嵌入式軟件系統(tǒng)日益復(fù)雜，功能日益強(qiáng)大，基于構(gòu)件的軟件開發(fā)（CBSD）方法，能夠提高嵌入式軟件的復(fù)用率和生命周期，大大縮減開發(fā)時(shí)間和開發(fā)費(fèi)用，是嵌入式軟件設(shè)計(jì)的新方向。

構(gòu)件化的軟件開發(fā)方法是一種基于分布對(duì)象技術(shù)、強(qiáng)調(diào)通過可復(fù)用構(gòu)件設(shè)計(jì)與構(gòu)造軟件系統(tǒng)的軟件復(fù)用途徑?；跇?gòu)件的軟件系統(tǒng)中的構(gòu)件可以是COTS（Commercial-Off-the-Shelf）構(gòu)件，也可以是通過其它途徑獲得的構(gòu)件（如自行開發(fā)）。CBSD體現(xiàn)了“購買而不是重新構(gòu)造”的哲學(xué)，將軟件開發(fā)的重點(diǎn)從程序編寫轉(zhuǎn)移到了基于已有構(gòu)件的組裝，以更快地構(gòu)造系統(tǒng)，減輕用來支持和升級(jí)大型系統(tǒng)所需要的維護(hù)負(fù)擔(dān) ，從而降低軟件開發(fā)的費(fèi)用。

軟件復(fù)用已經(jīng)是軟件工程研究的主流，被視為是使軟件開發(fā)真正走上工程化和產(chǎn)業(yè)化道路的希望。人們?cè)趯?shí)踐中認(rèn)識(shí)到軟件復(fù)用是一個(gè)涉及到技術(shù)、方法學(xué)、管理和文化等多個(gè)方面的復(fù)雜問題。除了日常隱含發(fā)生的對(duì)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的復(fù)用之外，最為典型的復(fù)用活動(dòng)表現(xiàn)為借鑒、理解、修改和集裝各種不同抽象層次 （從產(chǎn)品的概念、系統(tǒng)模型和違約到程序源碼甚至目標(biāo)碼 ）、不同粒度 （從系統(tǒng)構(gòu)架、框架、類簇到代碼片斷 ）、不同形式 （黑盒構(gòu)造塊、生成器、模板、設(shè)計(jì)模式等 ）的可復(fù)用軟件構(gòu)件來構(gòu)造新系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)演化過程。

構(gòu)件（component）是可復(fù)用的軟件組成成份，可被用來構(gòu)造其他軟件。構(gòu)件具有相對(duì)獨(dú)立的功能和可復(fù)用價(jià)值。它可以是被封裝的對(duì)象類、類樹、一些功能模塊、軟件框架 （framwork）、軟件構(gòu)架 （或體系結(jié)構(gòu)Architectural）、文檔、分析文件、設(shè)計(jì)模式 （Pattern）等。構(gòu)件分為構(gòu)件類和構(gòu)件實(shí)例，通過給出構(gòu)件類的參數(shù)，生成實(shí)例，通過實(shí)例的組裝和控制來構(gòu)造相應(yīng)的應(yīng)用軟件。

軟構(gòu)件技術(shù)是支持軟件復(fù)用的核心技術(shù)，其主要研究?jī)?nèi)容包括：

1） 構(gòu)件獲?。河心康牡臉?gòu)件生產(chǎn)和從已有系統(tǒng)中挖掘提取構(gòu)件；

2） 構(gòu)件模型：研究構(gòu)件的本質(zhì)特征及構(gòu)件間的關(guān)系；主要的模型有3C模型，北京大學(xué)提出的青鳥構(gòu)件模型等

3） 構(gòu)件描述語言：以構(gòu)件模型為基礎(chǔ)，解決構(gòu)件的精確描述、理解及組裝問題；

4） 構(gòu)件分類與檢索：研究構(gòu)件分類策略、組織模式及檢索策略，建立構(gòu)件庫系統(tǒng)，支持構(gòu)件的有效管理；

5） 構(gòu)件復(fù)合組裝：在構(gòu)件模型的基礎(chǔ)上研究構(gòu)件組裝機(jī)制，包括源代碼級(jí)的組裝和基于構(gòu)件對(duì)象互操作性的運(yùn)行級(jí)組裝；

6） 標(biāo)準(zhǔn)化：構(gòu)件模型的標(biāo)準(zhǔn)化和構(gòu)件庫系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。

從軟件開發(fā)方法上，CBSD引導(dǎo)軟件開發(fā)從應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用系統(tǒng)集成。在基于構(gòu)件的軟件系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，就要對(duì)一個(gè)新的功能模塊的設(shè)計(jì)考慮其重用性。與傳統(tǒng)的嵌入式軟件不同，構(gòu)件化的嵌入式軟件是由構(gòu)件構(gòu)成的，這些構(gòu)件的一個(gè)或者幾個(gè)組合成一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)；而且，新的應(yīng)用也可以使用已有的構(gòu)件，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件的重復(fù)利用。

接口和框架是軟構(gòu)件的基本結(jié)構(gòu)組成，利用構(gòu)件開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)就是對(duì)構(gòu)件接口、構(gòu)件上下文以及框架環(huán)境一致性的逐漸探索過程。構(gòu)件間信息通信的機(jī)制就是構(gòu)件接口，對(duì)構(gòu)件接口進(jìn)行定義是CBSD其中的關(guān)鍵技術(shù)；構(gòu)件組裝技術(shù)是基于構(gòu)件的軟件開發(fā)的核心技術(shù)。

構(gòu)件的接口可以理解為構(gòu)件的訪問點(diǎn)，原始的接口是特征的集合，一個(gè)特征可以是一個(gè)數(shù)據(jù)類型，也可以是一個(gè)抽象方法。構(gòu)件的特性從接口信息表達(dá)，它對(duì)于有效管理和使用構(gòu)件是非常重要的，優(yōu)質(zhì)的構(gòu)件接口設(shè)計(jì)是降低構(gòu)件之間耦合性的關(guān)鍵。一個(gè)構(gòu)件不僅給外界提供服務(wù)接口，而且，還可能向其他構(gòu)件提出接口要求。完美的構(gòu)件模型應(yīng)該具有服務(wù)接口和請(qǐng)求接口，實(shí)際的構(gòu)件可以沒有請(qǐng)求接口，但不能沒有服務(wù)接口，沒有請(qǐng)求接口的構(gòu)件是一個(gè)不需要客戶進(jìn)行控制和定制的接口。

在嵌入式軟構(gòu)件的接口設(shè)計(jì)中，還要求有配置屬性，這是用于改變構(gòu)件功能和性能參數(shù)的接口。構(gòu)件的配置要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需要，通過參數(shù)的改變，可以使構(gòu)件具有個(gè)性化的靈活性。

如果要實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的價(jià)值，就必須經(jīng)過組裝應(yīng)用于應(yīng)用系統(tǒng)才行，構(gòu)件組裝是CBSD技術(shù)中的核心技術(shù)。目前構(gòu)件的組裝方法按對(duì)構(gòu)件內(nèi)部細(xì)節(jié)了解的程度分為黑盒子、白盒子和灰盒子。簡(jiǎn)單說，白盒子就是對(duì)用戶公開的，黑盒子就是對(duì)用戶保密的，灰盒子就是對(duì)用戶有所保留又有所公開的。目前我們一般都是使用灰盒子。

有了構(gòu)件，還需要組建構(gòu)件管理庫（component base management system ，CBMS），對(duì)構(gòu)件進(jìn)行觀測(cè)、定制和測(cè)試是構(gòu)件管理庫要完成的功能，內(nèi)容豐富、組織良好的構(gòu)件庫是軟件重用的核心。組建構(gòu)件管理庫系統(tǒng)的要求包含：構(gòu)件庫的建立、存儲(chǔ)和管理功能、構(gòu)件組織、構(gòu)件庫定義功能、構(gòu)件存取功能、構(gòu)件庫運(yùn)行管理功能和維護(hù)以、支持構(gòu)件組合。構(gòu)件管理庫系統(tǒng)的核心部分是構(gòu)件庫運(yùn)行管理功能，它包含構(gòu)件提取、構(gòu)件執(zhí)行、構(gòu)件庫內(nèi)部維護(hù)等。

總之，良好的構(gòu)件接口定義是構(gòu)件可以方便復(fù)用的關(guān)鍵因素和基礎(chǔ)，只有定義優(yōu)質(zhì)的構(gòu)件的接口才能更好完成構(gòu)件的組裝和構(gòu)件管理庫系統(tǒng)的組建。

構(gòu)件化軟件開發(fā)方法強(qiáng)調(diào)真正的軟件重用和高度的互操作性，它側(cè)重于構(gòu)件的組成和裝配。利用這種方法來開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，特別是對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)來說，其優(yōu)勢(shì)是明顯的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。endprint

1） 構(gòu)件化軟件開發(fā)方法繼承并發(fā)展了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法。構(gòu)件化設(shè)計(jì)并沒有擯棄面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，而是在系統(tǒng)各個(gè)層面上利用了對(duì)象技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2） 系統(tǒng)模塊化。采用構(gòu)件技術(shù)毫無疑問必須使系統(tǒng)模塊化，模塊化的軟件工程帶了得最大好處就是靈活、可重新配置、利于系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)。

3） 增加了系統(tǒng)的可靠性。由于每個(gè)構(gòu)件在系統(tǒng)集成前都進(jìn)行了充分的測(cè)試，提高了基于構(gòu)件的系統(tǒng)可靠性。

4） 降低開發(fā)成本。嵌入式系統(tǒng)構(gòu)件可以在不同的硬件系統(tǒng)中重復(fù)使用這些構(gòu)件，降低后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)的成本，良好的構(gòu)件庫是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的珍貴資源。

基于構(gòu)件的軟件開發(fā)促進(jìn)了軟件的模塊化和復(fù)用能力，正在被逐漸應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)資源受限的特性，嵌入構(gòu)件除了具有傳統(tǒng)構(gòu)件的基本特征外（如：構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)與構(gòu)件的接口定義被隔離的特性），與一般的軟件構(gòu)件相比它體現(xiàn)出了嵌入式構(gòu)件的新特點(diǎn)：

1） 嵌入式軟件開發(fā)者必須保證在低處理能力和有限的內(nèi)存環(huán)境下系統(tǒng)執(zhí)行的完整性和有效性。

2） 由于嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)系統(tǒng)比一般的企業(yè)軟件具有更復(fù)雜的多樣性，構(gòu)件模型需要更加關(guān)注可復(fù)用的內(nèi)核，因此，嵌入式系統(tǒng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)和模型設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)單和輕型。

3） 以靜態(tài)結(jié)構(gòu)為主要特征（即編譯時(shí)動(dòng)態(tài)性），支持少量運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)性。這意味著組件不能在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建和銷毀，也不能在運(yùn)行時(shí)建立新的連接和斷開已有的連接。

4） 另外由于嵌入系統(tǒng)的平臺(tái)依賴性比較強(qiáng)，嵌入式構(gòu)件被分為應(yīng)用軟件構(gòu)件和系統(tǒng)構(gòu)件。

隨著嵌入式構(gòu)件技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式構(gòu)件模型作為基于構(gòu)件的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)被廣泛研究，許多構(gòu)件模型被提出，目前影響比較大的嵌入式構(gòu)件模型有以下幾種：

1） MinimumCORBA：是OMG組織于2000年下半年推出的一種面向嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的構(gòu)件模型。它是CORBA模型面向嵌入式等資源受限系統(tǒng)進(jìn)行的簡(jiǎn)化版本，刪除了CORBA中體現(xiàn)組件動(dòng)態(tài)的特性。它對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)仍然有許多不足如：運(yùn)行時(shí)不需要的資源消耗依然存在，另外對(duì)于開發(fā)者來說系統(tǒng)限制太多，靈活性不夠。

2） Koala：Koala 該模型于2000年由Rob van Ommering等提出，是Philips研究實(shí)驗(yàn)室的研究成果，該模型是面向電子消費(fèi)品的嵌入式構(gòu)件模型。組件被分別得進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)組件擁有與其它組件連接的接口，但接口是在配置時(shí)被綁定即組件的組裝，僅在編譯時(shí)和設(shè)計(jì)時(shí)的具有可擴(kuò)展性[30]。

3） PECOS（Pervasive Component System）：是由Michael Winter等在2002年提出的，該項(xiàng)目旨在利用構(gòu)件技術(shù)來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。在該模型中組件被定義為具有端口的黑盒子，在設(shè)計(jì)時(shí)組裝，在運(yùn)行時(shí)沒有被組裝的可能，也沒有知識(shí)倉庫支持。PECOS的構(gòu)件模型是一個(gè)特定的專用構(gòu)件模型，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、支持設(shè)計(jì)時(shí)（design-time有時(shí)也稱編譯時(shí)）構(gòu)件集成（這種構(gòu)件又稱為靜態(tài)構(gòu)件），適合于狀態(tài)可預(yù)知和需求確定的小型的嵌入式構(gòu)件系統(tǒng)開發(fā)。

通過上述構(gòu)件模型分析，它們都有個(gè)共同的特點(diǎn)就是基本不支持運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)性和可擴(kuò)展性，基于上述構(gòu)件模型開發(fā)的嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)不具有運(yùn)行時(shí)的多態(tài)性和可擴(kuò)展性。

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