面向?qū)ο蟮那度胧较到y(tǒng)開發(fā)技術(shù)

引 言
嵌入式系統(tǒng)不以獨立設(shè)備的物理形態(tài)出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的部件根據(jù)主體設(shè)備以及應(yīng)用的需要．嵌入在主體設(shè)備內(nèi)部，發(fā)揮著運算、處理、存儲以及控制等作用。從體系結(jié)構(gòu)看，嵌入式系統(tǒng)主要以嵌人式處理器、支撐硬件和嵌入式軟件組成。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展已有30多年的歷史，早期的嵌入式系統(tǒng)以單個芯片為核心，大部分應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中；后來發(fā)展為以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)；進入20世紀(jì)90年代以后，Internet的應(yīng)用迅速普及，廣泛滲透到社會、經(jīng)濟、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，計算機與通信一體化的趨勢日趨明顯?；贗nternet的嵌入式系統(tǒng)再度成為一個研究熱點。在人們的日常生活中，已經(jīng)普遍使用的手機、PDA、手持設(shè)備和掌上電腦等信息電器就是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用正在迅速發(fā)展的一個證明。

面向?qū)ο蟮幕舅枷刖褪浅绦虮豢醋魇窍嗷f(xié)作的對象集合，每個對象都是某個類的實例，所有的類構(gòu)成一個通過繼承關(guān)系相聯(lián)系的層次結(jié)構(gòu)。程序設(shè)計是以對象為中心，以消息為驅(qū)動。程序一般由類的定義和類的使用組成。面向?qū)ο蟮慕?，就是把系統(tǒng)看作是相互協(xié)作的對象。這些對象是結(jié)構(gòu)和行為的封裝，都屬于某個類。那些類具有某種層次化的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的所有功能通過對象之間相互發(fā)送消息來獲得。

面向?qū)ο蠹夹g(shù)有以下優(yōu)點：
①維護簡單。模塊化是面向?qū)ο缶幊讨械囊粋€特征。實體被表示為類和同一名字空間中具有相同功能的類，可以在名字空間中添加一個類而不會影響該名字空間的其他成員。
②可擴充。面向?qū)ο缶幊虖谋举|(zhì)上支持?jǐn)U充性。如果有一個具有某種功能的類，就可以很快地擴充這個類，創(chuàng)建一個具有擴充功能的類。
③代碼重用。由于功能是被封裝在類中的，并且類是作為一個獨立實體而存在的，提供一個標(biāo)準(zhǔn)類庫就非常簡單。

面向?qū)ο蟮姆椒朔嗽熊浖到y(tǒng)規(guī)模龐大、研制周期長、維護費用高、軟件系統(tǒng)過于復(fù)雜、應(yīng)用軟件不易集成等困難。面向?qū)ο蠹夹g(shù)在軟件設(shè)計當(dāng)中占有非常重要的地位，但面向?qū)ο蟛⒉皇荂++等語言的專利。實際上，在諸如操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件當(dāng)中，面向?qū)ο蠹夹g(shù)的使用是非常廣泛的。利用C等高級語言實現(xiàn)面向?qū)ο蠹夹g(shù)，不僅結(jié)構(gòu)清晰，而且在執(zhí)行效率等方面也有C++等語言無法比擬的優(yōu)勢。

1 面向?qū)ο笄度胧郊夹g(shù)分析
1.1 面向?qū)ο笄度胧郊夹g(shù)現(xiàn)狀
目前，面向?qū)ο蠹夹g(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用雖然有限，但是已經(jīng)得到了充分的發(fā)展。EC++是1996年在日本成立的Embedded C技術(shù)委員會針對嵌入式應(yīng)用制定的減小代碼尺寸的C++標(biāo)準(zhǔn)；EC++引人嵌入式系統(tǒng)，使得嵌入式開發(fā)和個人計算機、小型機等之間在開發(fā)上的差別逐漸消除。軟件工程中的很多經(jīng)驗方法乃至庫函數(shù)可以移植到嵌入式系統(tǒng)。EC++的使用使軟硬件開發(fā)可以分工，從事嵌入式軟件開發(fā)不再必須精通系統(tǒng)硬件和相應(yīng)匯編指令集。相信使用C編程的開發(fā)者對這個優(yōu)點都有感受，而EC++更為突出。

目前，在圖形用戶界面GUI、Web Server圖像處理技術(shù)、數(shù)據(jù)采集等方面已經(jīng)有著很成熟的面向?qū)ο箝_發(fā)模式；采用設(shè)備輸入輸出接口等抽象層，融合網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動等底層操作，抽象成為上層開發(fā)的統(tǒng)一接口，提高可移植性和擴展性，方便后期維護和代碼重用。

1.2面向?qū)ο笄度胧郊夹g(shù)的總體設(shè)計思想
面向?qū)ο笄度胧郊夹g(shù)的總體設(shè)計思想是所有操作由對象和消息驅(qū)動(或者事件驅(qū)動)。通過對現(xiàn)有面向?qū)ο蠹夹g(shù)的分析，對多種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)要求進行總結(jié)，抽象出各種接口和組件類。各個組件、接口、數(shù)據(jù)都被設(shè)計成為對象。對象之間通過消息通信形成整體，構(gòu)成系統(tǒng)。在分析和設(shè)計的過程中，采用OOA／OOD進行分析設(shè)計，形成一個層次清楚、移植性好、易于擴展和重定義的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

從圖1中可以看出，在整個模塊與體系結(jié)構(gòu)中面向?qū)ο蠹夹g(shù)的重要作用。

目前，嵌入式系統(tǒng)大都采取分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，并允許根據(jù)需要對不同的層次進行重寫和替換。抽象接口是在抽象層定義的，不依賴于任何特殊硬件。所有頂層的操作和輸入處理都建立在抽象接口之上。這種分層結(jié)構(gòu)實際上就是一種面向?qū)ο蟮某绦蚪Y(jié)構(gòu)，目的是將底層實際的不同驅(qū)動抽象成對上層的統(tǒng)一接口。進程管理、線程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理等也可以抽象成為統(tǒng)一的接口，方便嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

采用上述分層方法，使用標(biāo)準(zhǔn)C或者標(biāo)準(zhǔn)C++編寫上層的應(yīng)用程序，把與硬件及操作系統(tǒng)相關(guān)的接口完全封裝起來，對上層應(yīng)用程序編寫著來講，完全感覺不到底層的變化。硬件變化或操作系統(tǒng)改變只需將硬件依賴型接口內(nèi)部改變即可，這樣就能滿足程序運行于不同操作系統(tǒng)上的需要，并且可以是在不同系統(tǒng)下采用統(tǒng)一的接口。

2 面向?qū)ο笄度胧皆O(shè)計與模型的實際應(yīng)用
數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為核心，結(jié)合視頻處理、通信、網(wǎng)絡(luò)和存儲技術(shù)的一種監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有以往傳統(tǒng)的電視監(jiān)控系統(tǒng)等所有的功能，并且在遠距離、性能方面相比具有很大的優(yōu)勢。它與計算機相結(jié)合，使得異地、遠距離監(jiān)控變得非常方便；與網(wǎng)絡(luò)、通信的結(jié)合，形成更有實用價值、功能更加強大的網(wǎng)絡(luò)通信管理系統(tǒng)。信息化的時代要求信息的處理隨時隨地，而數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)正是這種特點和趨勢的具體體現(xiàn)。

已經(jīng)實現(xiàn)的SuperVisionl．0為了保證具有良好的靈活性和可擴展性，在開發(fā)中使用了許多面向?qū)ο蠹夹g(shù)。根據(jù)實際生活以及監(jiān)控系統(tǒng)的需要，分析數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的異常情況，重點在于運動檢測，異常報警處理方面的設(shè)計，以及整個工程的速度性能的考慮。設(shè)計靜止物體緩慢變化、光線緩慢變化以及消除噪聲和干擾等多種具有不同應(yīng)用需求的動態(tài)檢測算法，同時提出不同靈敏度的“階梯思想”；設(shè)計遠程控制與本地控制并行處理的機制算法，構(gòu)建本地的Web服務(wù)器，方便用戶快捷方便地控制；設(shè)計整個監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整合的算法，保證視頻、圖像的捕捉，異常監(jiān)測，報警機制(包括E-Mail、Ftp、電話、紀(jì)錄備份、Web訪問)與記錄回放等的協(xié)調(diào)工作；在內(nèi)容存儲上，采用高效的MPEG-4的壓縮算法，圖片采用BMF，JPEG的方式，方便運動檢測和網(wǎng)絡(luò)的傳輸；友好的人機界面提供便利的操作，滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)中實時傳輸、處理和回放等需求。

2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)流程及結(jié)構(gòu)分析
目前，流行的嵌入式軟件大都是采取分層結(jié)構(gòu)設(shè)計的。SuperVision1．O也采用了這種分層的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并允許根據(jù)需要對不同的層次進行重寫和替換，抽象接口是在抽象層定義的，不依賴于任何特殊硬件。所有頂層的操作和處理都建立在抽象接口之上。這種分層結(jié)構(gòu)實際上就是一種面向?qū)ο蟮某绦蚪Y(jié)構(gòu)，目的是將底層實際的不同驅(qū)動或者實現(xiàn)抽象成對上層的統(tǒng)一接口。在實現(xiàn)中底層部分主要針對視頻采集和壓縮算法的接口統(tǒng)一實現(xiàn)，針對不同的驅(qū)動和壓縮得到統(tǒng)一的上層接口，方便擴展和修改。上層中的報警機制(包括E-Mail、FTP、電話，紀(jì)錄備份和Web訪問)采用對象的特點，把每個報警方法都抽象成為對象，針對每種不同的程序?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一使用接口。系統(tǒng)流程如圖2所示。

報警機制部分主要實現(xiàn)遠程控制和實時數(shù)據(jù)傳輸部分功能部分功能。
①遠程控制：采用Server／Browser結(jié)構(gòu)，使客戶端能夠在網(wǎng)上任何節(jié)點接入，實現(xiàn)客戶端發(fā)布的零配置，同時實現(xiàn)用戶驗證機制，確保安全。實現(xiàn)的主要功能包括：開啟／停止監(jiān)控系統(tǒng)的實時報警，實時更新監(jiān)控圖像，獲取系統(tǒng)歷史記錄。
②實時數(shù)據(jù)傳輸：提供可調(diào)用并且通用的接口函數(shù)，由報警子系統(tǒng)調(diào)用。通過多種方式把各種實時數(shù)據(jù)傳送出去，包括http、FTP和E-ail。

2.2統(tǒng)一接口實例
試想如果一個城市的消防車去鄰近的城市救火，卻發(fā)現(xiàn)無法和這個城市的消防栓對接，這是多么可怕的災(zāi)難?美國人在上個世紀(jì)初就有了統(tǒng)一接口的思想，現(xiàn)在再強調(diào)這個也不為過。其目的就是實現(xiàn)系統(tǒng)軟件中，不修改任何的軟件代碼，就可以換上其他規(guī)格甚至其他廠家的同類型產(chǎn)品。開發(fā)人員可以很方便根據(jù)統(tǒng)一的接口擴展和移植相關(guān)代碼。無論如何，美國人的這個近乎異想天開的想法，現(xiàn)在正在慢慢地轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)實。沒有PC兼容的規(guī)范，沒有API接口，很難想象微軟的軟件可以像現(xiàn)在這樣大行其道。

該系統(tǒng)的模塊設(shè)計考慮和采用了統(tǒng)一接口的思想。它接收系統(tǒng)產(chǎn)生的報警消息產(chǎn)生相應(yīng)的消息隊列，對所有的消息進行分類送相應(yīng)的系統(tǒng)模塊進行處理，根據(jù)對應(yīng)的模塊類別調(diào)用相應(yīng)的處理方法，并記錄處理信息。當(dāng)工作失敗時自動進行相應(yīng)的事務(wù)處理。

視頻采集可以基于采集卡的SDK接口函數(shù)，也可以基于Microsoft的DirectShow技術(shù)開發(fā)的音視頻訊號捕捉接口，或者基于底層的驅(qū)動等方法來實現(xiàn)。采用統(tǒng)一接口的思想可以將各種實現(xiàn)策略抽象成為對上層的統(tǒng)一接口。具體的調(diào)用采用面向?qū)ο蟮奶攸c、調(diào)用相應(yīng)的接口實現(xiàn)策略。
CaptureProc重要接口定義如下：
Class CaDtureProc{
String Type； ／／區(qū)別接口類別
b001 mnuStartCapture()； ／／開始錄像
b001 mnuStopCapture()； ／／停止錄像
bool TakePicture()； ／／捕獲圖像
bool Setting()； ／／相關(guān)設(shè)置選項
Shc)wConfiglareDialog(＆.type)； ／／根據(jù)類型不同給出不同的設(shè)置界面

}；

報警機制(包括E-mail、FTP、電話、紀(jì)錄備份和Web訪問)同樣可以采用面向?qū)ο蟮奶攸c，把每個報警方法都抽象成為對象，針對每種不同的程序?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一使用接口，方便代碼編寫和擴展。在實現(xiàn)中包括Cmail、Cftp、Ctel、Cweb四個類，對應(yīng)的接口統(tǒng)一定義為啟動、設(shè)置、關(guān)閉等抽象函數(shù)。根據(jù)用戶所設(shè)置的參數(shù)形式，系統(tǒng)在消息的驅(qū)動下，根據(jù)定義的具體對象調(diào)用相應(yīng)的方法。將結(jié)果和變化輸出到指定的設(shè)備和存儲體中，用戶就可以方便及時地得到信息和觀察到運行過程和結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計中除了采用前面提到的設(shè)計模式外，還采用了對象樹等模式，方便分析整個系統(tǒng)的運行和完善情況。

3 面向?qū)ο笄度胧郊夹g(shù)的性能研究
當(dāng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計采用面向?qū)ο蠓椒〞r，并不意味著所使用的編程語言也一定是面向?qū)ο蟮?。事實上，這種分析設(shè)計方法的具體實現(xiàn)可以使用任何編程語言(如匯編語言或C語言)；但是，在程序設(shè)計上要盡可能地使用面向?qū)ο蟮乃枷?，如體現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)方面的封裝性、消息傳遞等。這樣才會使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于應(yīng)付隨著需求變化而產(chǎn)生的不斷更新和系統(tǒng)維護。

過去嵌入式系統(tǒng)分析和設(shè)計方面的主要問題為：①分析設(shè)計沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；②分析設(shè)計方法不統(tǒng)一；③從分析設(shè)計到制作和編程沒有一個始終一貫的工程化方法，使得產(chǎn)品形成的每一個過程人為因素影響十分嚴(yán)重；④分析設(shè)計的成果不能被開發(fā)類似項目或產(chǎn)品時重用。以上4個方面的問題成為多年來制約嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸，使得大部分從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的組織和團體，基本上是采用小組甚至是作坊式的運作模式。這樣，開發(fā)較復(fù)雜或大型系統(tǒng)的工作變得十分困難甚至無法進行，或因為系統(tǒng)需求的不斷變化或小組成員的流動導(dǎo)致項目失敗。目前，面向?qū)ο蠹夹g(shù)正是建立在對真實世界抽象思維的基礎(chǔ)上，面向?qū)ο蟮那度胧较到y(tǒng)建模同任何軟件密集型系統(tǒng)建模一樣，從系統(tǒng)中的類建模開始。為了解類的結(jié)構(gòu)，首先對系統(tǒng)工作過程作一個總體陳述，對嵌入式系統(tǒng)需求、分析、設(shè)計、制作、測試和維護過程的結(jié)構(gòu)特征和行為特征統(tǒng)一的工程化描述方法，改變以往的嵌入式軟件開發(fā)現(xiàn)狀。

SuperVisionl．0采用了面向?qū)ο笤O(shè)計方法，因為嵌入式開發(fā)中硬件條件的限制，相對于PC機上的面向?qū)ο缶幊逃懈嗟睦щy，下面就探討一下在嵌入式開發(fā)中的OOP的難點和解決方法。面向?qū)ο缶幊绦枰嗟倪\行時間和資源需求，如果不采用面向?qū)ο缶幊?，則面臨嵌入式開發(fā)中的代碼數(shù)量、復(fù)雜度越來越高帶來的維護效率下降的問題。

從圖3可以看出C++語法的概況。

底層的代碼在面向?qū)ο缶幾g器中使用時并沒有更高額的代價損耗，因此，在嵌人式開發(fā)時可以不使用資源代價比較高的而又不是很重要的部分，而是采用底層的代碼實現(xiàn)，或者改善面向?qū)ο蟮木幾g器，變相利用底層的優(yōu)點彌補面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的缺陷。這樣嵌入式系統(tǒng)在性能優(yōu)勢和程序方便性、可維護性、可移植性上能夠得到統(tǒng)一。

4 結(jié)論和展望
采用面向?qū)ο笏枷牒颓度胧杰浖攸c相結(jié)合，在綜合運用，如多級抽象類型定義，不依靠具體程序設(shè)計語言的更高抽象層次上，對對象進行抽象描述，隱藏具體實現(xiàn)細節(jié)，使程序結(jié)構(gòu)易于擴充，縮短開發(fā)周期。目前這種方法還處于發(fā)展階段，各種新的領(lǐng)域仍在不斷的出現(xiàn)，原有的方法也在不斷的檢驗和改進，面向?qū)ο蟮那度胧?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/開發(fā)技術(shù)">開發(fā)技術(shù)的重要意義已經(jīng)不容置疑，擺脫了以往結(jié)構(gòu)化范式的影響。面向?qū)ο笄度胧介_發(fā)技術(shù)在SuperVisionl．0系統(tǒng)中得到驗證，并根據(jù)具體的面向?qū)ο缶幊痰男阅芴攸c調(diào)整資源分配策略。

從目前國內(nèi)外IT行業(yè)來看，嵌入式系統(tǒng)及其產(chǎn)品將在Internet衍生出來的新型市場中起到重要的作用，后PC時代帶來的沖擊將是未來市場的新景觀。