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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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1 绪论
近些年来，嵌入式系统领域有了飞速的发展。随着嵌入式系统处理能力越来越强，功能越来越多样，嵌入式系统应用范围越来越广，计算机的概念不仅仅是以前那种放在桌面上进行科学计算和文档处理的计算机了。现在，通常所说计算机不仅包括大型机、桌面台式机，还包括各种各样、大大小小的嵌入式电子设备。嵌入式电子设备包括小到MP3、PDA等各种数字化产品，大到智能家电、车载电子等设备。但是，随着嵌入式设备应用领域的不断扩大，我们所涉及的开发系统的规模不断扩大，复杂性不断提高，传统的嵌入式系统软件设计方法已经远远不能满足我们的要求。嵌入式系统的开发已经不是以前那种几个人甚至是一个人就可以完成的事情了。对一个大型的系统如何提高代码系统的分析和设计的质量，如何更好的实现代码的重用，加快开发的速度和减轻开发人员的负担，如何使开发具有继承性，能够继承以往的开发工作。这些问题已经显得越来越重要，迫切需要我们对整个嵌入式系统的设计和开发在方法论上面进行一些很好的总结和创新[1]。 1.1 课题研究背景
随着后PC时代的来临，嵌入式设备已经越来越多地应用于各个领域，尤其在32位嵌入式微处理器出现后，嵌入式操作系统与其结合而产生的嵌入式系统，具备更好的稳定性和开放性，在各行业技术革新中发挥着重要作用[2]。然而嵌入式系统作为一种紧凑型专用计算机，受系统资源限制，其软件开发有以下特点：（1）嵌入式系统软件开发依赖于专门的硬件平台，如特定的微处理器和外围设备。此外嵌入式系统软硬件通常是同步开发的，即开发初期开发者面临硬件平台不确定的状况。
（2）嵌入式系统软件开发还依赖于底层的实时操作系统(RTOS)，复杂的实时多任务程序需要专门的RTOS作为任务调度平台，开发过程中也需要使用RTOS附带的集成开发环境和应用程序接口。
（3）嵌入式系统软件开发遵循传统软件开发模式，但它需要一些专门的开发工
具。创建和调试嵌入式软件的编译器、汇编器和调试器更加原始，由于作了专门优化，其质量和效率也更高。
（4）出于对软件运行性能的担忧，嵌入式系统软件编程语言的选择范围非常有限。过去通常采用C语言、汇编语言等，汇编语言提供直接访问硬件的能力并具有极高的效率，但应用汇编实现的程序移植性差；C是主流开发语言，因为它既具有低级语言汇编语言的非常高的执行效率，同时还具有高级语言的可读性高、易编程、模块性好、可移植性高等特点[3-4]。
（5）嵌入式系统软件开发受开发资源的严格制约，如成本、体积和功耗。开发者必须面对目标平台的处理速度和存储能力有限的事实，并尽可能满足来自应用的功能和非功能要求。
由于嵌入式软件开发的这些特点、用户需求的发展、应用的复杂，嵌入式系统的软件开发面临着严峻的挑战[5]。一方面随着应用领域复杂性的提高，嵌入式系统软件的种类、数量也不断增加，代码量在1兆行的嵌入式程序非常普遍。同时处理器计算能力的提高以及相应在体积和成本方面的降低，使得越来越多的过去由精巧的机械或电子设备完成的功能改由软件实现，这进一步加剧了嵌入式系统软件开发和评估的难度。另一方面，激烈的市场竞争要求开发者必须在尽可能短的时间内以尽可能低的成本开发出尽可能可靠的软件产品，传统的基于过程、以编程为中心的开发方法难以适应新的环境对开发效率和质量的要求而成为开发过程的瓶颈。总体而言，现在的嵌入式软件开发面临着一些共性的问题：
（1）从软件开发过程看，为了节约系统资源消耗，嵌入式应用软件基本采用面向过程的开发方式，代码复用度低，在面对复杂的多任务应用功能实现时，很难展开并行的开发和调试，这是限制嵌入式应用软件开发效率的一个重要因素[6]。
（2）嵌入式应用软件常需要对硬件驱动接口进行操作，而嵌入式设备应用对象干差万别，多种多样的嵌入式操作系统之间兼容性差，往往需要针对不同的硬件编写操作系统内核移植代码。
（3）在工程应用中，许多嵌入式软件进行代码升级、功能扩展时，需要向嵌入式操作系统平台做代码移植。领域工程和应用工程中，基于复用的软件生产技术是
其关键技术。然而上述问题造成了嵌入式软件开发效率低，开发周期长，且影响了产品的可靠性、移植能力和市场响应能力。目前嵌入式软件开发需要很好解决以下问题：①软件复用问题，包括功能代码复用和过程代码复用[7-9]。②抽象层开发问题，包括目标硬件平台的抽象层开发和操作系统抽象层开发。
大肠杆菌培养1.2 课题研究的目的与意义
随着嵌入式应用的迅速增长，传统的嵌入式软件开发方法已经不能适应日益增长的嵌入式市场对产品研发的要求。为了提高嵌入式软件的开发效率、代码的复用率、程序的扩展性和程序运行的效率[10]，本文提出了一种基于桌面总线DBUS （Desktop BUS）的嵌入式系统应用程序接口。DBUS是一种高效的进程间通信机制。传统的嵌入式软件设计大多数都是以一个进程为主，而Coral把整个系统分成多个相互独立的小程序，每个小程序是一个独立的进程，这些小程序通过DBUS进行通信。因此，对整个系统的管理就变成了对这些相互独立的小程序的管理，这样做不仅便利了对整个系统的管理，还可以让不同的开发人员同时开发不同的模块，加快系统的开发效率。
电力网桥Coral运用了框架的概念。框架指的是构成一类特定软件可复用设计的一组相互协作的类，描绘出了一 个待建应用系统的主要结构[11]。建立在框架基础上的应用程序只需要根据具体需求定制功能部分，因此能更容易地生成应用程序。利用框架生成的程序具有相似的结构，这使它们更容易维护，用户看起来也更一致。按照框架的组织结构可以把框架分为垂直框架和水平框架。垂直框架围绕某个特定领域进行组织，如金融系统、实时系统、嵌入式系统等。特定领域一般具有较丰富的元模型，因此垂直框架通常更专用、更复杂。本文提出的嵌入式实时软件框架模型就是一个垂直框架。水平框架提供开发应用程序基本结构的方法，或者在公共平台上运行，面向的是一般应用程序的公共功能。例如微软的MFC(Microsoft Foundation Classes)就是一个通用的Windows应用程序开发的水平框架。
1.3 国内外研究成果
针对当前嵌入式系统软件开发面临的危机和困境，已有许多研究者将目光对准
了这一新兴的领域，并提出了许多卓有成效的研究成果，包括基于模型的设计、基于平台的设计、基于事件驱动的设计和基于组件的设计[12-13]。当前以美国加州理工大学的研究学者为主的国外研究人员对该领域作了深入的理论研究，而国内的研究相对要缓慢一些。这些研究大多偏重于理论证明或采用形式化方法描述，对具体的实现过程涉及较少[14]。下面我们介绍几种当前国内外主要的嵌入式软件体系结构。
（1）传统的层次型体系结构[15]。专用的嵌入式设备，其嵌入式应用软件层通常为一个进程，实现某
个特定的功能。嵌入式操作系统层集成了完整的文件管理、进程管理、内存管理、网络管理、电源管理等功能。硬件驱动层实现对特定外设的直接访问，提供系统访问接口。开发一个具有特定功能的嵌入式设备，必须具备相关硬件、软件、嵌入式操作系统和特定领域知识，这对开发人员提出了相当高的要求，而且当开发新的嵌入式设备时，代码复用度很低。传统的嵌入式系统层次型体系结构如图1.1所示。
图1.1 传统的层次型体系结构
（2）改进的层次型体系结构[16]，也称基于ICS(intertask communication and services)的多进程系统结构，如图1.2所示。该结构在《改进的嵌入式软件架构及其应用层开发模式》论文中提出[17]。在这
种体系结构中，嵌入式应用软件层由多个进程组成，它们协调工作，共同完成一个嵌入式设备的特定功能。ICS即任务间通讯服务，它是论文作者所在的项目组基于套接字和UDP协议研发，用于嵌入式设备应用层的复杂功能实现而开发的。它独立于操作系统，由3部分组成：
ICS客户端：需要使用任何ICS功能的进程。
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