嵌入式軟件架構分層的內涵與優缺點

蒙曉燕

（內蒙古機電職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 010070）

0 引言

嵌入式系統關鍵是以應用為主，將計算機技術作為基礎，充分滿足用戶對成本與功能、體積與功耗等多方面要求的系統。但在過去開發嵌入式系統軟件的時候，全部軟件涵蓋操作系統、應用程序與硬件底層，是共同開發的，不能分開。伴隨嵌入式系統軟件規模越來越復雜，越來越龐大，該種開發模式愈發暴露出更多的缺點和不足。由于該模式針對不一樣的硬件平臺需要重新開始，接著開發出新的軟件就其要實現的功能大部分相差無幾甚而相同，但限制了軟件的反復使用，與此同時還增加了開發時間與開發成本。

1 架構分層內涵

伴隨社會經濟的持續發展與進步，開始涌現出了各種各樣的高新技術，這些高新技術在很大程度上有效改善了傳統勞動力生產的模式，促使人們在工作崗位上可以更好地釋放出自己的潛在能力。與此同時，流水線形式的生產模式能夠大大提高相關人員工作熟練程度，有效地減少了在實際工作中不必要出現的經濟損失，不僅提高了生產力，還提升了經濟效益與社會效益。

分工合作這一概念同樣適用于嵌入式軟件開發領域。首先，相鄰的兩個軟件模塊可以彼此緊密聯系；其次，好似金字塔結構，下層軟件層并不了解還存在高層次軟件層。因此，僅需要滿足上述兩個特點，即為架構分層，此為軟件架構分層思想基礎[1]。軟件架構分層發揮著重要作用，特別是在開發階段，采取架構分層理念，可以發揮出顯著的優勢，因此需要相關人員做出更加深入的研究和探討。

2 多層軟件開發模型分析

2.1 軟件開發分層技術

在軟件開發中運用分層技術，實則是合理對用戶的一切需求展開分析與梳理，把軟件系統內每一個功能領域抽象化，明確系統內部每一個層次間的關系，繼而簡化模塊開發過程，把系統開發問題變成了簡單軟件設計方面的問題。與此同時，其也能夠支持系統包含的全部功能。在開展軟件系統開發工作的時候，系統場景通常都是非常復雜的，為有效處理問題必須精細化分層，同時每一個層次間的關系、接口對接關系更難設計。分層方式有很多，但軟件開發尚未制定出相應的標準。將實現計算機軟件全部功能作為基礎，要處理每個層次間的問題，將軟件實現過程簡化，與此同時可以隨時為上層提供服務。假設某個層次產生問題，那么僅會對其上一層次和下一層次帶來影響，而不會影響到整個系統。再者，所有層次內部在分層時，可以最大限度地實現軟件的一切功能。

2.2 嵌入式系統架構分層

通常而言，使用嵌入式系統能夠把計算機軟件開發由技術層面劃分成硬件平臺與設備驅動層等多個方面，具體如下：（1）應用層。該層通常開展客戶應用需求類工作，涵蓋用戶功能和人機算法等各種開發工作。（2）硬件平臺。通常涵蓋了計算機軟件的主要部分，如嵌入式微處理器，這種處理器有著很多的外接端口，有利于展開對接。同時也有一部分周邊功能電路部分，比方說液晶顯示屏和開關等。（3）設備驅動。實現微處理器內外部硬件API，可以有效給底部算法提供API，涵蓋了定時器與SPI等微處理器片內外部驅動和API功能的實現，也涵蓋了微處理器片外外設溫度傳感器等驅動與API功能實現。通常而言，設備驅動為單獨的部分，將操作平臺底層硬件語言作為基礎構建硬件抽象層，可有效給上層應用提供對接端口。（4）調動系統。在編寫階段能夠合理運用嵌入式操作系統作為基礎加以編寫。通常而言，一般可以劃分成如下幾個部分，即嵌入式操作系統以及基礎應用裁剪。又或是能夠基于已有的調度器展開如管理等專用系統的編寫工作。

3 嵌入式軟件架構分層優缺點

嵌入式軟件開發過程中采用架構分層旨在有效關注“面”，特別是開發軟件的時候，可能會遭到各種各樣十分復雜的問題，不僅對于軟件開發進度有很大的影響，還有可能會加大相關人員的工作量。因此必須要對多種抽象且復雜的問題加以分解，繼而針對性處理發生的問題，以此提高軟件實用性，加強用戶使用體驗。

3.1 優點

（1）相關工作人員能夠嚴格按照專業進行明確分工，全身心關注在某個層次。（2）經過層次間的隔離，可以快速用新的實現取代原本某層次的實現，僅需要前后提供的服務接口一致，就可以替換。（3）能夠有效避免各層之間的依賴性。（4）易于制定出層標準。（5）可以有效提升軟件復用性，減少系統軟件開發周期，增強系統軟件質量。

3.2 缺點

嵌入式軟件架構分層的缺點表現在：（1）分層無法封裝全部功能，一部分復雜業務，假設出現功能變動，就會牽扯到全部的層。（2）穿過層次調用，可能會降低效率，對水平分布的層級分劃，降低效率十分顯著[2]。

4 嵌入式軟件架構分層設計方式探索

4.1 層次劃分

嵌入式軟件架構分層一般在邏輯方面展開垂直層次劃分，于物理上展開水平層次劃分。此次闡述的架構分層設計方式即分別由兩個角度進行雙向劃分，也就是邏輯層與物理層，邏輯層面被叫作分層構建，物理層面被叫作交互分層。分層構建根據由下至上按秩序涵蓋了驅動與基礎層、中間與應用層；而交互分層涵蓋了人機界面和控制層、實體與接口層。

4.2 層次關系

交互分層每一個層次之間的關系見圖1所示，界面層承擔的職責為人機交互；控制層承擔協調的工作，接收控制命令，對實體展開有效操縱；實體層承擔運用邏輯和數據的責任，接口層承擔外部系統接口封裝的工作。而構建分層中，每一個層次間的關系就是：驅動層承擔封裝硬件邏輯的工作；基礎層用來將驅動封裝當作基礎服務單元；中間層則是用來將應用與基礎環境相關隔離，面向應用提供適當的服務；應用層就是面對應用提供服務，涵蓋和硬件沒有關系的內容，關鍵是對處理數據和控制原理等的輸出。在這些層次之中，驅動與基礎層受環境影響，而應用層與邏輯息息相關，和環境毫無關系[3]。各層次間無法產生循環依賴性，倘若發生了循環依賴性的現象，那么需要使用兩種方式進行處理，一種就是進行共享數據區構建；另外一種就是使用觀察者模式。

圖1 交互分層關系

4.3 層次分析與劃分原則

在進行層次正交分析以前，需要對軟件兩個不一樣的維度分層中，層次的內容與層次劃分加以有效確定，如此才能夠明確每一個層次間的關系。而層次劃分原則是：（1）參照正交分層；（2）相同類型開發關注點可分成一層；（3）常常一并復用的分成一層；（4）時常共同變化的劃分成一個層次；（5）和外部接口的需要分為一層[4]。

5 架構分層設計實現舉措

本文將電機監控系統嵌入式應用軟件架構分層當成例子加以闡述說明：電機監控系統是計算機加以控制，而控制單元關鍵是以鍵區、網絡以及顯示屏構建而成；通常使用電流接觸器與奧騰轉化器開展監控活動，以電機提供動力方面的支持，經過鍵區和顯示屏實現監控活動，促使監控活動順利進行。

相關操作人員依托鍵區控制電機，通過材料成分表加以處理，經過奧騰轉化器進行實體監控。實體電機把實際狀態傳遞至電流接觸器，再傳輸到材料成分表，與此同時在顯示屏上顯現出實況。合理運用材料成分表能夠以網絡和計算機進行連接，同時采用計算機進行具體監控活動[5]。

經過運用嵌入式軟件架構分層，可以了解到該種技術具備結構清楚、邏輯純粹且分工清晰等特點，能夠有效提高軟件開發工作效率，與此同時可以提升工作進度，對于后續工作水平提高與優化升級等而言是非常容易進行的。

6 結語

綜上所言，經過闡述嵌入式軟件架構分層內在涵義且經過討論架構分層設計，能夠從中了解到在開發嵌入式軟件的時候，結合架構分層技術具有明顯的拓展性，可以充分累積成熟的軟件功能模塊，繼而大大削弱后續對嵌入式系統維護的困難程度，提高軟件系統經濟性以及實用性。與此同時，在軟件開發過程中運用架構分層設計，能夠有效提高軟件項目開發效率，確保軟件質量，提高軟件競爭力，為人們提供更加優質的服務。