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面向對象開(kāi)發(fā)方法無(wú)疑是當前最流行的軟件開(kāi)發(fā)方法。這歸功于面向對象開(kāi)發(fā)的眾多優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，所開(kāi)發(fā)的程序更健壯；由于面向對象編程的可重用性，可以在應用程序中大量采用成熟的類(lèi)庫，從而縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間；繼承和封裝使得應用程序的修改帶來(lái)的影響更加局部化，應用程序更易于維護、更新和升級。另外，UML建模語(yǔ)言和Rosc等CASE工具為面向對象的流行也起了很太作用，這些工具允許應用規范的面向對象分析和設計的方法與理論，遠離糾纏不清的源代碼，使得構建和設計變得更直觀(guān)、更容易理解與修改，從而大大提高開(kāi)發(fā)效率。 嵌入式系統的應用越來(lái)越廣泛，嵌入式計算機在數量上遠遠超過(guò)了各種通用計算機。嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)與PC軟件的開(kāi)發(fā)相比存在一些特別的地方；①嵌入式軟件代碼往往要求高質(zhì)量、高可靠性；②嵌入式軟件要求盡可能短的二進(jìn)制代碼長(cháng)度和數據長(cháng)度，盡管半導體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數應用中，存儲空間仍然是寶貴的；③嵌入式系統往往存在實(shí)時(shí)性的要求。這些特別要求使得面向對象開(kāi)發(fā)不太適合嵌入式系統。匯編語(yǔ)言是一種非結構化的語(yǔ)言，對于大型的結構化程序設計已經(jīng)完全不能勝任了，而C語(yǔ)言相比其他高級語(yǔ)言具有明顯的性能優(yōu)勢，這些原因使得C語(yǔ)言成為嵌入式系統開(kāi)發(fā)的最佳選擇。 隨著(zhù)后PC時(shí)代的到來(lái)，嵌入式應用迅速增長(cháng)，應用的復雜性也急劇增加，C語(yǔ)言對應的傳統結構化設計方法已不能滿(mǎn)足嵌入式軟件設計和開(kāi)發(fā)的需要。能不能把面向對象開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)?對這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)有人提出過(guò)一些方法，主要集中在用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現C 的語(yǔ)法，如用結構來(lái)模擬類(lèi)，用函數指針來(lái)表示成員函數。這些方法使得本來(lái)語(yǔ)法就已經(jīng)很復雜的C語(yǔ)言更加麻煩，同時(shí)沒(méi)有了C語(yǔ)言快速、高效的優(yōu)點(diǎn)。這里提出一種新的方法：用面向對象方法進(jìn)行分析和設計，最后直接用C語(yǔ)言進(jìn)行編碼。 1 應用實(shí)例 繞線(xiàn)機控制系統是一個(gè)控制兩個(gè)電機的單片機控制系統，我們使用本文提出的新開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行這個(gè)系統的開(kāi)發(fā)。系統采用瑞薩公司H8／300H系列的16位單片機H8／3062，整個(gè)系統硬件結構如圖l所示。單片機通過(guò)I／O口與Flash芯片、控制面板、揚聲器以及電機驅動(dòng)電路相連，并通過(guò)光電編碼盤(pán)檢測直流電機轉動(dòng)的圈數。 作為面向對象建模的工業(yè)標準，UML幾乎被所有面向對象的軟件項目所使用。這個(gè)項目也使用UML來(lái)建模，用到的CASE工具是Rose。UML提供了5類(lèi)圖進(jìn)行不同階段的建模：用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖、實(shí)現圖。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可根據不同階段的具體要求，選擇不同的圖形來(lái)描述系統的靜態(tài)結構模型或者動(dòng)態(tài)行為模型。一般過(guò)程是：①用UML的用例模型確定目標系統的主要功能和行為，以便準確、完整地識別系統的需求；②通過(guò)對用例模型的分析，從用例的描述中識別反映問(wèn)題域本質(zhì)的類(lèi)和對象，并利用UML的類(lèi)圖以及類(lèi)之間的關(guān)系揭示系統的結構和組成；③利用UML動(dòng)態(tài)模型中的順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖描述系統結構元素的動(dòng)態(tài)特性和行為。 1．1 需求過(guò)程 系統主要運行過(guò)程：①開(kāi)機時(shí)，步進(jìn)電機自動(dòng)對原點(diǎn)；②修改參數設置時(shí)，單片機把修改值存入Flash；③啟動(dòng)鍵按下時(shí)，直流電機開(kāi)始轉動(dòng)繞線(xiàn)，單片機通過(guò)光電編碼盤(pán)檢測轉動(dòng)圈數，并控制步進(jìn)電機按照設置的參數排線(xiàn)，繞線(xiàn)完成后自動(dòng)停止；④暫停鍵按下時(shí)，直流電機停止繞線(xiàn)，步進(jìn)電機排完已轉的舀數后停止；⑤復歸鍵按下時(shí)，系統重啟。 系統的參與者只有用戶(hù)1個(gè)，通過(guò)對系統需求的分析，可以識別3個(gè)主要用例：開(kāi)機、機器設置和繞線(xiàn)控制。通過(guò)對用例的進(jìn)一步分解，得出系統的用例圖，如圖2所示。 1．2 設計過(guò)程 完成需求分析之后，進(jìn)入設計階段。這個(gè)階段中，以需求分析結果為基礎，找出系統所需要的類(lèi)和對象以及其相互關(guān)系。針對嵌入式系統的特點(diǎn)，面向對象的一些高級特性不能使用，動(dòng)態(tài)創(chuàng )建對象、派生和多態(tài)這樣的特性會(huì )大大降低系統速度并增大代碼空間和數據空間，對瑞薩H8／3062，這款單片機只有128KB的ROM和4KB的RAM，節省每一個(gè)字節都顯得非常重要。 通過(guò)對用例和系統結構分析，識別出來(lái)的類(lèi)和關(guān)系如圖3所示。 出于可移植性的考慮，所有類(lèi)被分成3個(gè)層次： 最頂層是功能邏輯類(lèi)的抽象，MachineStting為機器設置類(lèi)；Keys為按鍵類(lèi)，Displayr為顯示類(lèi)，MotorController為電機控制器類(lèi)。這些邏輯上的類(lèi)與硬件無(wú)關(guān)，便于以后硬件修改，同時(shí)使得開(kāi)發(fā)繞線(xiàn)機的不同版本變得非常容易，如從平繞機到開(kāi)發(fā)環(huán)行機，從二軸繞線(xiàn)機到開(kāi)發(fā)三軸繞線(xiàn)機。 中間層是外圍硬件類(lèi)的抽象，Flash為Flash存儲類(lèi)，用于存儲設置的參數；Speaker為揚聲器類(lèi)；Panel為面板類(lèi)；DCMoto／為直流電機類(lèi)；StepMotor為步進(jìn)電機類(lèi)。 最底層是單片機及其內部功能模塊類(lèi)的抽象，H8／3062為單片機類(lèi)，用于封裝輸入／輸出口；Timer_KeyShake為按鍵防抖定時(shí)器；Timer_DCMotor為直流電機PWM脈沖產(chǎn)生定時(shí)器；Timer_DCCapture為直流電機圈數捕獲定時(shí)器；Timer_StepMotor為步進(jìn)電機PWM脈沖產(chǎn)生定時(shí)器。分這一層可以使得變換單片機類(lèi)型非常容易，瑞薩H8／300H系列單片機在國內應用非常罕見(jiàn)，之所以選用這款是為了與國外產(chǎn)品的競爭，這樣可以更快、更好地打開(kāi)國際銷(xiāo)路，但在選擇這款單片機的同時(shí)已經(jīng)做好了移植到ARM內核單片機的準備。 為了理解系統的動(dòng)態(tài)行為，還應該用順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖對系統動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行描述。狀態(tài)圖對嵌入式系統的設計尤其重要，這里用其對MotorController的狀態(tài)轉換進(jìn)行描述，如圖4所示。 可以用時(shí)序圖等對用例進(jìn)行進(jìn)一步的分析，“啟動(dòng)”按鍵按下后處理的時(shí)序圖如圖5所示。 建模過(guò)程不是一個(gè)直線(xiàn)過(guò)程。它往往是一個(gè)演化、迭代的過(guò)程，不斷地分析、評價(jià)、修改、再分析，才可能得到一個(gè)高質(zhì)量的模型，為高質(zhì)量的軟件打下基礎。 1．3 編碼過(guò)程 Rose具有自動(dòng)生成C 框架代碼的功能。在Rose菜單中選擇Tools→ANSI C →Generate Code，可以生成C 的框架代碼。 要用C編碼，需要把C 代碼稍作修改變成C代碼。由于沒(méi)有動(dòng)態(tài)創(chuàng )建實(shí)體，所有的對象都是靜態(tài)的。這使得修改工作極其簡(jiǎn)單——把“：：”改成“_”即可。修改后的“_”前面的部分可以看成是對象名，后面的部分看成是成員函數名，源文件的修改如圖6所示。 頭文件也需要做相應的修改，對變量的定義需要放到源文件里面，如圖7所示。 代碼修改完成后，剩下的就是C語(yǔ)言的編碼過(guò)程了。編碼時(shí)，當調用對象成員時(shí)，“．”操作符用“_”代替，則剛好對應上修改后的變量和函數。 2 進(jìn)一步優(yōu)化程序的方法 為了進(jìn)一步提高程序的速度，還應對程序進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，例如中斷處理程序里面一兩條指令引起的差異就非常明顯。下面介紹幾種優(yōu)化辦法。 ①把成員函數定義成宏函數。由于面向對象數據隱藏的特點(diǎn)，對數據的操作需要以函數的形式提供，使得數據的操作效率變低。C 編程時(shí)，類(lèi)的成員函數不能修改成宏，改為C函數后，就可以修改了；但這種優(yōu)化最好在調試結束后進(jìn)行，因為宏函數不方便錯誤定位。修改方法如圖8所示。 ②把成員函數定義成內聯(lián)函數，如圖9所示。 ③程序中使用查表。對一些很消耗時(shí)間資源的非常復雜的運算，可以使用查表的方式。在步進(jìn)電機的加減速控制中，加減速曲線(xiàn)一般采用指數曲線(xiàn)或者S曲線(xiàn)，運算量較大�？梢允孪劝亚�(xiàn)對應的定時(shí)器上界寄存器的值離線(xiàn)計算出來(lái)，并片j數組保存起來(lái)，需要時(shí)直接讀數組即可。這種方法通過(guò)犧牲空問(wèn)來(lái)?yè)Q取時(shí)間，但是犧牲的是相對寬余的ROM空間，還是比較劃算的。 結語(yǔ) 繞線(xiàn)機項目獲得了很好的效果，達到了系統的性能要求。測試時(shí)，發(fā)現的錯誤相比以前類(lèi)似項目大大減少。更讓人興奮的是，測試中沒(méi)有發(fā)現任何大的軟件結構上的錯誤。這歸功于Rose的前期可視化建模功能。編碼之前可以很清楚地掌握系統的結構，這是面向對象設計相比傳統方法的優(yōu)勢。 應用結果表明，這種開(kāi)發(fā)方法是很實(shí)用的，可以?xún)?yōu)化程序結構、縮短開(kāi)發(fā)周期，實(shí)現快速開(kāi)發(fā)又不降低程序的效率；但這種方法的應用是有局限性的，對效率與空間要求不高的嵌入式系統，完全可以直接用C 編程，因此這種方法只適合于空間緊張、實(shí)時(shí)性要求比較高的系統。 |
