自頂而下的設(shè)備軟件模塊化設(shè)計的研究

崔 潔，霍 杰，劉子陽，徐品烈

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

一臺新型半導(dǎo)體專用設(shè)備的成功研發(fā)，是橫跨電子、機械、自動化、光學(xué)和計算機等眾多學(xué)科，涉及機、光、電、軟件等眾多核心技術(shù)和高科技領(lǐng)域。所以，設(shè)備軟件是在特定的機械電氣硬件環(huán)境下運行滿足客戶的工藝要求。同時，設(shè)備軟件作為軟件的一部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。下面將從軟件的角度，結(jié)合專用設(shè)備的特點，具體介紹自頂向下的設(shè)備軟件的模塊化具體設(shè)計方法。

1 自頂向下的設(shè)備軟件設(shè)計

一般，半導(dǎo)體電子設(shè)備供應(yīng)商根據(jù)半導(dǎo)體市場需要、客戶的工藝要求，設(shè)計開發(fā)具備什么樣功能和性能的半導(dǎo)體專用設(shè)備；而要達(dá)到設(shè)備設(shè)計要求，需要機、電、軟件協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)設(shè)備整機和各功能部件；然后通過裝配調(diào)試設(shè)備，最終滿足客戶工藝要求和市場的需要。另外，后續(xù)還需要對設(shè)備進行定期追蹤維護和技術(shù)升級。總起來說，設(shè)備開發(fā)的流程如圖1所示，是一個自頂向下、不斷細(xì)化的過程。

圖1 設(shè)備開發(fā)流程圖

自頂向下作為一種軟件工程化的設(shè)計思想，適用于設(shè)計各種規(guī)模的系統(tǒng)開發(fā)，是一種逐步求精設(shè)計程序的過程和方法。軟件工程的目的是倡導(dǎo)工程的原理、原則和方法進行軟件開發(fā)，軟件開發(fā)的流程是覆蓋整個軟件生存期的系統(tǒng)開發(fā)、運行和維護等全過程。

其中，瀑布式開發(fā)方法是經(jīng)典的軟件生命周期開發(fā)方法，是嚴(yán)格按照軟件開發(fā)的步驟進行實施的一種軟件開發(fā)方法。瀑布式開發(fā)方法將開發(fā)過程自上而下分為系統(tǒng)計劃、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)編碼、系統(tǒng)測試和系統(tǒng)運行維護6個階段。各個階段順序執(zhí)行，當(dāng)前活動接受上一項活動的工作結(jié)果，并作為輸出傳給下一項活動。同時評審該項活動的實施，若確認(rèn)則繼續(xù)下一項活動，否則返回到前面一個活動，甚至更前面的活動。具體軟件開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 軟件開發(fā)流程

設(shè)備軟件是運行于電氣設(shè)計硬件平臺之上，驅(qū)動設(shè)備各個部件來完成系統(tǒng)的集成控制。從圖1、2不難看出，設(shè)備和軟件的開發(fā)流程無論是從過程還是時間控制上都是一致的。設(shè)備軟件主要根據(jù)設(shè)備機械結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計系統(tǒng)，工藝特點，從軟件系統(tǒng)的主框架著手，細(xì)化系統(tǒng)構(gòu)成，自頂向下，逐步細(xì)化設(shè)計子系統(tǒng)的過程進行階段化、模塊化設(shè)計，具體包括分析、設(shè)計開發(fā)和測試階段完成設(shè)備軟件的需求分析、設(shè)計和實現(xiàn)，以及測試維護。

2 設(shè)備軟件的模塊化設(shè)計

在軟件工程思想中，模塊化是軟件設(shè)計的基本策略。模塊化設(shè)計的核心是保持模塊的獨立性，主要通過兩個方面來度量，一個是模塊本身的內(nèi)聚，另一個是模塊間的耦合。前者是模塊內(nèi)各個組成部分的相互聯(lián)系，后者是一個模塊與其他模塊間的聯(lián)系。模塊的獨立性愈高，模塊內(nèi)的聯(lián)系越強，模塊間的聯(lián)系越弱。因此，為了保證模塊化的獨立性高，主要通過加強內(nèi)聚和減少耦合來實現(xiàn)。設(shè)備系統(tǒng)由各個子系統(tǒng)（部件）組成，軟件系統(tǒng)設(shè)計過程也是子系統(tǒng)（部件）的設(shè)計過程，對應(yīng)設(shè)備軟件的模塊化設(shè)計。下面以切割清洗設(shè)備軟件設(shè)計為例，主要從模塊的內(nèi)聚和模塊間的耦合兩方面介紹設(shè)備軟件的模塊化設(shè)計。該設(shè)備軟件主要包含全自動上下料、切割和清洗等3個模塊，具體模塊化流程圖如圖3所示。

圖3 切割清洗設(shè)備軟件模塊化流程圖

2.1 模塊內(nèi)的聚合

內(nèi)聚是從功能的角度對模塊內(nèi)部的聚合能力進行度量。按聚合能力的從強到弱，模塊可以劃分為功能性、順序性、通訊性、過程性、時間性、邏輯性和偶然性模塊。

設(shè)備軟件的設(shè)計是以設(shè)備系統(tǒng)的功能實現(xiàn)為基礎(chǔ)，尤其是各個部件的具體功能。因此，我們選擇功能性模塊進行設(shè)備軟件的模塊化設(shè)計，功能性模塊作為模塊內(nèi)聯(lián)系最強的一類模塊，其中所有的部分功能都結(jié)合在一起，用于完成一個單一的功能。例如在圖3中，切割清洗設(shè)備的全自動上下料模塊內(nèi)，包含上片/預(yù)上片、傳輸和下片等子功能，傳輸內(nèi)又分從工作臺傳輸料到清洗臺和把下一個預(yù)作業(yè)料放到工作臺上兩個子功能。綜上所述，所有的子功能組合在一起就組成了全自動上下料模塊，實現(xiàn)了設(shè)備傳輸全自動化功能。

綜上所述，“一個模塊，一個功能”已成為模塊化設(shè)計的一條準(zhǔn)則。功能性模塊的高內(nèi)聚的特點以及設(shè)備系統(tǒng)的特點，功能性模塊成為了設(shè)備軟件設(shè)計的最佳首選。

2.2 模塊間的耦合

軟件系統(tǒng)之所以劃分為若干模塊，是為了便于解決大問題，化整為零，但最后總要將各個模塊聯(lián)系起來，所以模塊間發(fā)生聯(lián)系是必然的。因此，為完成一個設(shè)備系統(tǒng)軟件除了考慮功能（實現(xiàn)什么）和邏輯（內(nèi)部怎樣）還需要考慮狀態(tài)（使用的條件與環(huán)境）的設(shè)計。

功能模塊間的理想關(guān)系是怎樣的，耦合對這一關(guān)系進行了說明，和內(nèi)聚類似，同樣從強到弱可以劃化為內(nèi)容耦合、公共耦合、外部耦合、控制耦合、特征耦合、數(shù)據(jù)耦合和非直接耦合等。作為相對比較弱的耦合方式，數(shù)據(jù)耦合是通過參數(shù)表進行模塊間交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)通信，交換的數(shù)據(jù)都是比較簡單的變量，如果交換的是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就變成了特征耦合，耦合程度會比數(shù)據(jù)耦合稍高。

在設(shè)備系統(tǒng)中，各個部件間的過渡會通過一些連接件或者中間件實現(xiàn)，設(shè)備軟件系統(tǒng)模塊間的設(shè)計主要通過數(shù)據(jù)耦合實現(xiàn)，如圖3所示，自動上下料模塊的上片完成，或者下一個作業(yè)料傳輸?shù)焦ぷ魑缓髸ㄖ獙?zhǔn)切割模塊進行對準(zhǔn)切割功能，該功能完成后會通知上下料模塊進行傳輸，傳輸料到清洗位會通知清洗模塊進行清洗。總之模塊間的耦合關(guān)系通過簡單的開始、結(jié)束等變量就可以實現(xiàn)模塊間的聯(lián)系。另外，相對復(fù)雜龐大的設(shè)備軟件系統(tǒng)也可以選耦合相對數(shù)據(jù)耦合稍高些的特征耦合方法實現(xiàn)。

3 結(jié) 論

綜合上述，設(shè)備軟件設(shè)計不僅需要能實現(xiàn)設(shè)備的功能，滿足客戶的要求，而且要有一個良好的設(shè)計。這里，結(jié)合設(shè)備軟件具有獨特電氣硬件平臺環(huán)境的特點，最終選擇符合軟件工程化思想的自頂向下、逐步細(xì)化、高內(nèi)聚低耦合的模塊化設(shè)計進行設(shè)備軟件的設(shè)計，完成設(shè)備的工藝需求。