作者：代文豪、羅克露、雷健 在不斷的發展的 MCU 嵌入式系統領域中，軟件危機所帶來的危害也日漸顯現。如何利用軟件重用的相關方法來解決這一問題成為當今研究的熱點。領域分析是識別、捕捉、組織、分析和表示軟件域中相關信息，確定軟件的體系結構、框架和構件，以支持軟件重用的軟件工程過程，是解決重用問題的關鍵技術之一。通過對領域分析的相關概念、方法、過程以及產品的研究，從而得出在 MCU 嵌入式系統領域進行領域分析的相關方法以及經驗。 1、前言 MCU(Micro Controller Unit)，又稱單片機（Single Chip Microcomputer），是指隨著大規模集成電路的出現及其發展，將計算機的 CPU、RAM、ROM、定時數器和多種 I/O 接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機。當前 MCU 嵌入式系統之間各自封閉開發，不同系統之間的重復工作比較多，大大增加了軟件開發的成本和周期，同時系統的可靠性卻得不到保證，MCU 嵌入式開發面臨著軟件規模和復雜性迅速擴大、開發時間緊張，同時又要保證開發質量的問題。因此，迫切需要新的嵌入式軟件開發技術。 1968 年，Mellroy 在其論文“大量生產的軟件構件”中首次提出軟件復用的思想，其目的在于探索利用“為了復用目的而設計的軟件成分”生產軟件的過程，得到人們的高度關注。在各種軟件重用方法中，基于構件的軟件開發技術（Component-Based Software Development CBSD）也是人們研究的熱點，并且在實踐中也取得了良好的效果。 構件化的軟件過程可以分成領域工程（開發構件）和應用過程（使用構件開發應用程序）兩個獨立的子過程。領域工程是可復用軟件資產生產的主要技術手段，它包含領域分析、領域設計和領域實現 3 個階段。在整個軟件的復用過程中，領域分析是其關鍵，只有通過領域分析才能得到相似系統中的可復用資產（領域模型、軟件體系結構、可復用構件等）從而進一步支持領域中新系統開發的復用。因此形成在 MCU 嵌入式系統中的有效的領域分析方法是極為重要的。 2、MCU 嵌入式系統開發模式及現狀 2.1 MCU 嵌入式系統開發的模式 目前 MCU 嵌入式系統的軟件流程基本以包含人機界面處理的主流程（緩處理）、外部非同步中斷處理（急處理）、時序輸入為中心，再加上機芯控制處理（按照一定規則處理）等各種其他控制組成。MCU 每完成一種功能，其處理過程都遵循 IPO 模式（Input,Process,Output），如圖 1 所示。 圖 1 IPO 模式 對于每個模式來說，它的輸入參數，輸出結果都是固定的格式，所以對于一個成熟的模式來說，它的行為是確定的，約束是明確的。因為這些特點，可以很明顯地觀察到MCU 嵌入式系統領域所具有的內聚性，和穩定性。 因為領域的內聚性，我們可以使用相對較少的、有限的可復用信息來反應整個領域的需求，以及應用。因為領域的穩定性，我們通過領域工程所得到的成果，可以對進行領域工程所花費的人力、物力在將來的工作中得到補償。 2.2 MCU 嵌入式系統開發的現狀 MCU的應用能夠深入人類生活的各個方面，關鍵的原因在于能夠通過對軟件的靈活定制以達到不同的功能從而針對不同的應用。隨著功能的日益增長，MCU 嵌入式系統的開發難度也隨之加大。如果內藏ROM 容量在8K 字節之內，有經驗的技術人員可以單獨一人花費2-3 月用匯編語言進行軟件開發，而超過16K 的ROM 想要單獨完成會更有困難。特別在消費電子領域，產品的更新換代從以前的年為單位到現在的以月甚至以周為單位，這 導致在以產品質量為生命的企業中，發生質量問題而不得不大量召回產品造成巨大損失的情況屢見不鮮。值得注意的是，在開發中，有經驗的開發者通常會選擇性的復用以前的工作成果（代碼、軟件體系、工具、文檔），但這種復用一般是個人的，復用的來源也是個人以前的經驗成果。在一個特定的領域中，例如一個企業中，這樣的復用是經常性的，它們有著以下的特點： 1、一個領域內可復用的資源和復用的機遇是非常多的，但通常情況下無法對可復用資源進行管理，無法決定何時復用以及復用的方式，從而無法對產品的質量進行有效控制。 2、一個領域內掌握某種復用資源的往往是個體，復用資源無法共享，造成資源的浪費和生產力不能進一步的提高。 3、由于掌握資源的個體的離開，導致資源的損失；新加入的個體無法系統地取得這些資源，而導致工作效率的降低。 這種復用被稱為個人復用（ad-hoc reuse）。如果能夠對領域內資源進行有效的整合，通過更有效的方式進行管理、復用，將能進一步提高軟件產品的生產效率、降低生產成本以及提高產品的質量，這種方式被稱為系統復用（systematic reuse）。領域工程正為解決這一系列的問題提出了解決方案。 3、領域工程與領域分析 3.1 領域的含義 領域是指一組具有相似或相近軟件需求的應用系統所覆蓋的功能、問題、問題解決方案或知識區域。領域可分為水平領域和垂直領域：水平領域是指根據應用系統內部模塊的功能性分類而得到的相似問題空間，如數據庫系統、工作流系統等；垂直領域是指具有相似業務需求的一組相似應用系統所覆蓋的業務區域，而我們的MCU 嵌入式系統領域則屬于垂直領域。 3.2 領域工程 領域工程是為一組相似或相近系統的應用工程建立基本能力和必備基礎的過程，它覆蓋了建立可重用的軟件構件的所有活動。領域工程對領域中的系統進行分析，識別這些應用的共同特征和可變特征，對刻畫這些特征的對象和操作進行選擇和抽象，形成領域模型，依據領域模型產生領域中應用共同具有的體系結構，即特定領域的軟件體系結構(Domain Specific Software Architecture DSSA)，并以此為基礎，識別、開發和組織可復用構件。 在進行領域工程的活動中，通過對領域相關知識進行系統的交叉對比，能夠形成一系列的標準。這些標準對構件的選用，以及新構件的產生形成規約，從而指導和規范新產品的開發。同時，由于這些選擇是經過了長期時間和實踐的論證，所以這些標準也是具有科學性的。當我們要進行同一領域新系統的開發時，只需要根據領域模型，確實新的需求規約，再根據特定領域的軟件體系結構形成新的系統設計，并依據相關的標準選取，構造構件，組裝到新系統中。這樣新系統的質量以及開發效率都將得到可靠的保障，公司也能通過對行為的規范對整個開發流程進行管理、監控。 3.3 領域分析的含義及方法 在系統化的軟件復用中，充分的可復用信息的存在是非常重要的。這些信息需要被顯示地表示，以便在開發過程中被復用。這些可復用信息，和為方便地定位和操作它們的一些輔助信息一起構成了復用基礎設施。領域分析的目的是為了建立這些可復用的基礎設施，它的含義是指“識別、捕獲和組織特定領域中一類相似系統內對象、操作等可復用信息的過程” 。 領域分析的三個關鍵過程為：①領域邊界確立：通過對已有技術資料，典型系統的分析上，綜合領域專家的意見，定義出領域分析的范圍和邊界，同時收集開展領域分析工作的必要信息；②領域建模階段：根據在領域邊界確立階段得到的領域邊界以及收集到的領域內相關信息，利用相應的建模知識和工具建立具備描述領域內應用系統數據和能力共性與變化性特征的領域模型；③軟件體系結構建模階段：通過已經得到領域模型，以及領域內設計的相關標準建立描述領域內特定問題解決方案的軟件體系結構模型（DSSA）。 4、MCU 嵌入式系統領域分析方法 4.1 MCU 嵌入式系統領域的領域邊界確定 在這里，并不是打算選擇一個適合所有MCU 系統開發的領域，而是選擇一個相對狹小的領域，如家電制造行業中的空調行業。在這樣的行業中，由于產品要實現的基本功能在很長一段時間內基本固定，客戶的需要相對穩定，使得針對同類產品的領域中，有很多的功能是相同的，軟件的體系結構是相同的。這為領域分析提供了非常有利的條件。在對這些領域進行分析的時候，資料主要來源于本領域中的典型系統、領域專家的建議、工程師的經驗、客戶需求、硬件廠商提供的開發包、控制理論、該領域的發展歷史以及發展趨勢等。當收集完這些資源后也就夠成了領域分析的上下文環境，也就是領域的邊界。 4.2 MCU 嵌入式系統領域的領域建模 領域模型的意義在于對領域的信息通過組織，以一種令人更容易接受的方式所表現出來。它包括形式化的模型和非形式化的信息，前者是一種對解決方案的描述，后者是對領域知識的補充。對于我們所選擇的領域來說，一個具體行業的軟件體系結構本身就是相對穩定的，對于具體的每款產品，實現的功能會有一些細小的差別。常見的情況是，當一個原型機出現后，會在原型機上進行諸多的改款，以適應市場客戶不同的需要。所以針對于這樣的領域特點，我們對這階段的過程有如下的建議： 1、形式化的模型：采取面向特征的領域模型。特征的定義一般來說是用戶或客戶可感知的系統特點。但各個組織也可以根據自身的特點來組織選擇領域模型。 2、領域字典：領域字典是通過和領域專家的對話，以及對相關的標準進行分析而得到。領域字典的作用是為領域的參與者提供一個準確方便的交流環境。 3、統一的標識：利用一種標準化的，通用的符號系統對領域內的概念進行描述。 4.3 MCU 嵌入式系統領域的軟件體系結構 DSSA（特定領域的軟件體系結構）不是單個系統的表示，而是能夠適應領域中多個系統的需求的一個高層次的設計。它包含構件以及構件互聯的規則。當開發本領域的一個新系統時，可以使用這些構件，并且按照這些規則構成滿足當前系統需求的特定的系統結構。在DSSA 中有個比較重要的概念就是參考體系結構，它的目的是實現體系結構的復用。圖2 給出一種空調控制器領域的參考體系結構（部分）。 圖 2 空調控制器領域的參考體系結構（部分）