探析嵌入式軟件開發(fā)全生命周期管理

肖智勇

浙江捷昌線性驅(qū)動(dòng)科技股份有限公司杭州分公司 浙江 杭州 310020

引言

在計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域，一般認(rèn)為軟件的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)發(fā)揮作用的關(guān)鍵，決定著計(jì)算機(jī)行業(yè)的進(jìn)步前景，因此逐漸受到業(yè)內(nèi)的關(guān)注。雖然軟件設(shè)計(jì)舉足輕重，但是我國(guó)的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)行業(yè)缺乏國(guó)際一流技術(shù)，缺少與別國(guó)計(jì)算機(jī)企業(yè)進(jìn)行市場(chǎng)博弈的核心競(jìng)爭(zhēng)力，難以在世界市場(chǎng)中取得較大份額。當(dāng)前對(duì)軟件的需求與我國(guó)軟件行業(yè)的缺陷形成一對(duì)矛盾，為了早日解決矛盾，應(yīng)當(dāng)對(duì)我國(guó)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)行業(yè)進(jìn)行深入研究，并探討其實(shí)際的運(yùn)用。

1 當(dāng)前我國(guó)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)行業(yè)的形勢(shì)

新中國(guó)成立以來(lái)，黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人格外重視科技工作的發(fā)展，加之外來(lái)先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和科技人才的培養(yǎng)，我國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)和軟件設(shè)計(jì)行業(yè)得到飛速發(fā)展。除此之外，伴隨著基礎(chǔ)教育的普及，我國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)知識(shí)在青年群體中得以延續(xù)，掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用技巧的人逐漸增多，了解計(jì)算機(jī)工作原理與基本結(jié)構(gòu)的人也較以往有所增加。因此計(jì)算機(jī)與軟件設(shè)計(jì)在我國(guó)的基礎(chǔ)不斷擴(kuò)大，這為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件，從多方面深刻地影響并改變了人們的日常生活，并且仍然存在繼續(xù)進(jìn)步的空間。針對(duì)此形勢(shì)，計(jì)算機(jī)軟件從業(yè)人員以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定管控為目的，進(jìn)行軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)，旨在發(fā)揮軟件的實(shí)踐作用，為人們的日常生活提供便利，為人們更好地感知周邊事物提供條件。

2 設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式軟件需要關(guān)注的因素

首先，時(shí)間是設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式軟件需要關(guān)注的首要因素，其關(guān)系著能否科學(xué)、合理地劃分軟件的工作范圍。如果設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式軟件時(shí)忽略了時(shí)間因素，將會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行造成不可逆的損失。其次，在進(jìn)行嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)，必須保證其運(yùn)行環(huán)境的質(zhì)量，確保軟件在適宜、簡(jiǎn)潔、安全的環(huán)境中運(yùn)行，以此提高計(jì)算機(jī)工作的效率。最后，嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)人員務(wù)必提高自身職業(yè)能力，除了要關(guān)注時(shí)間和運(yùn)行環(huán)境以外，還要保證嵌入式軟件的優(yōu)良品質(zhì)，必須要將質(zhì)量問(wèn)題作為重點(diǎn)問(wèn)題。除了上述3點(diǎn)，還應(yīng)關(guān)注嵌入式軟件的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)應(yīng)明確其驅(qū)動(dòng)層、硬件層、應(yīng)用層以及操作層四個(gè)部分。

3 嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)以及后期管理

3.1 應(yīng)用于嵌入式軟件開發(fā)的工具

在嵌入式軟件的開發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常采用IBM公司制作的DOORS工具和PTC公司制作的ALM工具，上述兩款工具對(duì)需求定義與管理方面的工作而言尤為適用。前者的需求管理能力比較強(qiáng)大，能針對(duì)不同主體的需求做出恰當(dāng)?shù)靥幹?，但是難以與同企業(yè)的其他開發(fā)工具形成產(chǎn)品生態(tài)，在使用流程上較為單一且更加獨(dú)立。后者可以有效克服上述工具的缺點(diǎn)，通過(guò)有效統(tǒng)籌其他開發(fā)工具，形成工作過(guò)程交互銜接的產(chǎn)品生態(tài)，有利于需求定義工作的多設(shè)備協(xié)同開展。除此之外，PREEvision也是一種理想的工具，主要適用于開發(fā)汽車電子控制系統(tǒng)的嵌入式軟件結(jié)構(gòu)體系。其工作特點(diǎn)是將嵌入式軟件結(jié)構(gòu)單元化，分組設(shè)計(jì)與開發(fā)后進(jìn)行整合，銜接成為有機(jī)的工作整體，使得設(shè)計(jì)與開發(fā)的流程大大簡(jiǎn)化[1]。

3.2 數(shù)據(jù)加密與安全保障

在嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程中，有必要采取隱蔽手法進(jìn)行運(yùn)算，并設(shè)置一定的密鑰作為識(shí)讀的方法，無(wú)密鑰則無(wú)法識(shí)讀。使數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)成為單向識(shí)讀的保密信息，以此保障計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)信息安全。雖然后期加密與安全保障存在一定的運(yùn)行成本，但是通過(guò)這種科技手段，可以最大限度地保護(hù)計(jì)算機(jī)所存儲(chǔ)的信息，防止不法人員為謀取個(gè)人私利而竊取計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)，維護(hù)集體和國(guó)家利益，是一種切實(shí)降低經(jīng)濟(jì)損失、保障信息安全的有效措施[2]。

3.3 設(shè)定預(yù)期模型

在正式開展嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作之前，有必要設(shè)定一個(gè)預(yù)期模型，通過(guò)模型模擬進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)際工作。如果在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了重大錯(cuò)誤或未解難題，該模型的模擬數(shù)據(jù)便為其提供了科學(xué)依據(jù)。借助這些依據(jù)，嵌入式軟件從業(yè)人員可以精準(zhǔn)、高效地改正錯(cuò)誤、研究問(wèn)題。由于模擬過(guò)程中伴隨著精確的修改，所以設(shè)定有預(yù)期模型的嵌入式軟件既可以做到符合軟件使用者的實(shí)際要求，又可以提高企業(yè)信譽(yù)、增強(qiáng)市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。雖然設(shè)定預(yù)期模型的方式具備眾多優(yōu)勢(shì)，但是只有當(dāng)軟件使用者具備一定行業(yè)專業(yè)知識(shí)、可以盡可能詳細(xì)地給出規(guī)劃時(shí)，預(yù)期模型的優(yōu)勢(shì)才能得到充分展現(xiàn)。除此以外，預(yù)期模型的設(shè)定往往沒有精確數(shù)據(jù)作為參考，所以在設(shè)定初期需要大量人力、物力的成本投入，而大多數(shù)計(jì)算機(jī)企業(yè)缺乏相關(guān)條件，所以其適用范圍較小。

3.4 應(yīng)用于嵌入式軟件管理的工具

由于IBM公司的DOORS工具難以與其他工具形成產(chǎn)品生態(tài)，因此該公司還開發(fā)了專用的流程管理工具，即Clear Quest。在嵌入式軟件開發(fā)過(guò)程中，合理應(yīng)用Clear Quest能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同用戶需求的獨(dú)特設(shè)計(jì)，方便嵌入式軟件使用者對(duì)設(shè)計(jì)與開發(fā)相關(guān)流程做出自由管理[3]。除了流程管理工作，配置管理工作也是實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件開發(fā)必不可少的部分。在此領(lǐng)域，IBM公司也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的Clear Case工具。為追溯開發(fā)過(guò)程中各配置項(xiàng)的參數(shù)設(shè)置，管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、版本更新和權(quán)限加密等工作，可以選擇應(yīng)用此工具。與IBM公司不同的是，PTC公司針對(duì)嵌入式軟件的開發(fā)與管理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的產(chǎn)品生態(tài)，即上文所述的ALM工具。除了嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，ALM工具還起著整合流程管理和配置管理的作用。值得注意的是，ALM工具采用獨(dú)特的可能權(quán)限加密方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件修改過(guò)程中的單向監(jiān)管，避免數(shù)據(jù)被惡意更改，保證了嵌入式軟件的信息安全。

3.5 計(jì)算機(jī)病毒的查找和攔截

在嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程中，存在因計(jì)算機(jī)病毒導(dǎo)致的信息安全隱患等開發(fā)事故，主要存在有攻擊加密文檔、竊讀系統(tǒng)數(shù)據(jù)等形式，威脅軟件的開發(fā)與后續(xù)使用，所以有必要加強(qiáng)對(duì)于計(jì)算機(jī)病毒的查找與攔截。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，可以選擇整合與分析開發(fā)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)判定并精確查找計(jì)算機(jī)病毒，實(shí)質(zhì)上運(yùn)用了計(jì)算機(jī)病毒查找工具，輔助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自身的防火墻，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件的加固處理，避免軟件信息的泄露。

4 嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程的具體環(huán)節(jié)

在嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的過(guò)程中，一般采用傳統(tǒng)的流程開發(fā)體系，即將工作中的各環(huán)節(jié)單元化，針對(duì)每一單元相對(duì)獨(dú)立地開展工作，并相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行后續(xù)檢驗(yàn)，以此保證嵌入式軟件開發(fā)的整體工作效率以及產(chǎn)品質(zhì)量。一般情況下，可劃分為需求設(shè)定、結(jié)構(gòu)規(guī)劃、預(yù)期設(shè)計(jì)、具體開發(fā)、功能應(yīng)用等五個(gè)單元，由此五個(gè)單元構(gòu)成嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的全工作周期。

為了高質(zhì)量地完成軟件需求的設(shè)定，一般需要設(shè)計(jì)相關(guān)的調(diào)查問(wèn)卷，通過(guò)隨機(jī)投放與定點(diǎn)投放結(jié)合，在一個(gè)較大范圍與一個(gè)指定群體中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)研；也可以通過(guò)測(cè)試預(yù)期模型，收集、整理模型用戶的意見反饋。通過(guò)上述方法或其他實(shí)用措施，將手機(jī)到的信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與處理，形成可視化的圖表與簡(jiǎn)練的文字概述，即用戶需求概覽文件。

此概覽文件首先應(yīng)符合用戶需求、獲得用戶認(rèn)可，然后形成專業(yè)化的參考文件，切忌將用戶需求概覽文件直接作為嵌入式軟件開發(fā)的依據(jù)，而是應(yīng)當(dāng)根據(jù)上述參考文件（即軟件設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件）進(jìn)行具體的開發(fā)活動(dòng)。需要注意的是，不管是用戶需求概覽文件，還是軟件設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件，都不可避免地忽略了部分國(guó)家法規(guī)禁止的或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的內(nèi)容，此時(shí)需要開發(fā)從業(yè)人員根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)積累做出必要調(diào)整[3]。

在上述兩項(xiàng)工作之間往往需要跟蹤矩陣進(jìn)行銜接，將用戶的需求和軟件開發(fā)實(shí)際相互聯(lián)系形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保滿足用戶對(duì)軟件的需求。

需求設(shè)定工作結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)以此為后續(xù)工作的依據(jù)，開展軟件結(jié)構(gòu)規(guī)劃工作。在軟件結(jié)構(gòu)規(guī)劃的實(shí)際工作中，一般采用模塊化的工作方式。具體解釋為，將計(jì)算機(jī)軟件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化，形成相對(duì)獨(dú)立又協(xié)調(diào)統(tǒng)一的各個(gè)模塊。由此實(shí)現(xiàn)各模塊的工作范圍劃分，提高單一工作的效率，使各模塊不產(chǎn)生工作范圍的交叉和干擾，而整體上又構(gòu)成軟件工作流程的全環(huán)節(jié)。

在此之后，需要參考總體的結(jié)構(gòu)規(guī)劃進(jìn)行預(yù)期設(shè)計(jì)，尤其需要注意各模塊的工作范圍界限，在明確各模塊具體工作后才能按需設(shè)計(jì)。

當(dāng)前期的設(shè)計(jì)工作全部結(jié)束后，就可以轉(zhuǎn)入正式的具體開發(fā)工作。在開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)遵循先參考、再設(shè)計(jì)、后審查的原則，從全流程規(guī)范軟件的開發(fā)，確保嵌入式軟件產(chǎn)品符合需求、質(zhì)量過(guò)關(guān)。

嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)工作全流程的最后一步是軟件的編寫與功能的應(yīng)用，該流程又可分為兩個(gè)二級(jí)流程，即基礎(chǔ)軟件的開發(fā)和應(yīng)用軟件的開發(fā)。針對(duì)前者，一般采用C語(yǔ)言進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的程序編寫，在手寫編程結(jié)束后必須開展有針對(duì)性的模塊化診斷，避免出現(xiàn)程序邏輯上的差錯(cuò)，然后形成書面審查文件以供后續(xù)參考。在此之后進(jìn)行軟件的預(yù)期編譯，統(tǒng)籌調(diào)控軟件各模塊的工作，之后進(jìn)入應(yīng)用軟件開發(fā)部分。

針對(duì)后者，一般使用Matlab工具中的simulink＆stateflow功能。重點(diǎn)在于浮點(diǎn)模型的定點(diǎn)化，通常依據(jù)浮點(diǎn)模型進(jìn)行模塊化診斷，確認(rèn)無(wú)誤后形成定點(diǎn)模型，且應(yīng)避免出現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換時(shí)的精確度差異。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，業(yè)內(nèi)常用方法是比較前后兩種模型，并對(duì)重點(diǎn)數(shù)值參量進(jìn)行檢測(cè)，在此過(guò)程中應(yīng)允許一定的檢測(cè)誤差。

上述兩個(gè)二級(jí)流程均準(zhǔn)確無(wú)誤后，需要將前期模塊化的各軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯上的整合與銜接。在此過(guò)程中，要做到既不破壞各模塊的相對(duì)獨(dú)立性，也要確保各模塊之間的銜接能滿足嵌入式軟件整體的工作任務(wù)。

如果整體的軟件能夠流暢運(yùn)行且各模塊獨(dú)立工作，則可以進(jìn)行車輛電子控制系統(tǒng)的放行測(cè)驗(yàn)，在測(cè)驗(yàn)時(shí)必須確保硬件全程在環(huán)系統(tǒng)之上。由于該環(huán)節(jié)是理論測(cè)試的最后一步，因此務(wù)必保證在系統(tǒng)整體的高度上進(jìn)行最終的理論驗(yàn)證。

如果理論上的各種測(cè)驗(yàn)結(jié)果均符合參考數(shù)值，則可以進(jìn)行真實(shí)條件下的操作實(shí)踐。真實(shí)的操作實(shí)踐應(yīng)當(dāng)達(dá)到既滿足理論參考數(shù)值，又兼顧用戶實(shí)際生產(chǎn)生活的要求。經(jīng)過(guò)真實(shí)實(shí)踐后，如果符合上述標(biāo)準(zhǔn)，則該嵌入式軟件可以投入市場(chǎng)進(jìn)行銷售。

5 嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)行業(yè)的未來(lái)形態(tài)

5.1 基于網(wǎng)絡(luò)開展

伴隨著信息科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深刻影響并改變了人們的日常生活，例如早先興起的流媒體和新近出現(xiàn)的新媒體、融媒體，人們生活的各領(lǐng)域已經(jīng)充斥著信息與大數(shù)據(jù)。因此，嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)必須基于網(wǎng)絡(luò)開展，才能滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的用戶需求。

5.2 面向用戶需求

從本質(zhì)上出發(fā)，嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)屬于第三產(chǎn)業(yè)的多行業(yè)交叉，即信息產(chǎn)業(yè)與服務(wù)行業(yè)的交叉行業(yè)。在嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)行業(yè)的未來(lái)發(fā)展中，依然應(yīng)當(dāng)將軟件使用者的實(shí)際需求作為行業(yè)目標(biāo)，合理、科學(xué)并有效地應(yīng)用信息科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)手段，有針對(duì)性地面向各類用戶，更加精確地滿足不同類型使用者的不同需求，

5.3 軟件系統(tǒng)開源

為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)，嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)行業(yè)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開源，在保證行業(yè)內(nèi)部機(jī)密信息不會(huì)泄露的情況下，通過(guò)開放軟件實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域、各國(guó)家的協(xié)同合作、共同進(jìn)步，切實(shí)推進(jìn)全人類科學(xué)技術(shù)尤其是信息產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量、高速度發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前背景下，計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程在全社會(huì)各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)研究嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)以及后期管理的技術(shù)和流程，嵌入式軟件從業(yè)人員可以更加高效、科學(xué)且合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，推動(dòng)計(jì)算機(jī)軟件行業(yè)健康、平穩(wěn)且有序地向著未來(lái)基于網(wǎng)絡(luò)、面向用戶、系統(tǒng)開源的形態(tài)發(fā)展，為全球科學(xué)技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。