嵌入式系統(tǒng)層次體系結(jié)構(gòu)模型研究

謝國波，羅路天

(廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東廣州510006)

哲學(xué)，是理論化、系統(tǒng)化的世界觀，是自然知識(shí)、社會(huì)知識(shí)、思維知識(shí)的概括和總結(jié)，是世界觀和方法論的統(tǒng)一.哲學(xué)思想決定著我們看待問題的方式.例如:在混沌理論［1］出現(xiàn)之前，人們對(duì)于世界的認(rèn)識(shí)只是停留在確定性和隨機(jī)性的對(duì)立方面，但是眾所周知，世界的任何事物都是對(duì)立統(tǒng)一的.隨著人們思維的不斷發(fā)展，人們對(duì)混沌理論的研究不斷深化，最終人們提出了混沌是確定性系統(tǒng)的內(nèi)在(秉)隨機(jī)性，是確定性和隨機(jī)性的辨證統(tǒng)一.從此混沌理論逐步走向成熟并日漸運(yùn)用于社會(huì)實(shí)踐當(dāng)中.這個(gè)例子表明:認(rèn)識(shí)對(duì)實(shí)踐具有指導(dǎo)作用.本文對(duì)嵌入式系統(tǒng)的幾種層次體系結(jié)構(gòu)模型做了哲學(xué)分析思考.并由此進(jìn)一步總結(jié)這種哲學(xué)思想以及它在社會(huì)的發(fā)展和人的學(xué)習(xí)過程中的指導(dǎo)作用.

1 層次型體系結(jié)構(gòu)的分析

文獻(xiàn)［2］分析了層次體系結(jié)構(gòu)是解決復(fù)雜過程問題的有效手段.我們通常習(xí)慣解決一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的問題，于是我們?cè)囅胪ㄟ^把復(fù)雜的問題進(jìn)行若干簡(jiǎn)單問題的抽象，而分層正是通過抽象和信息隱藏體現(xiàn)了這樣的一種思想，達(dá)到簡(jiǎn)化復(fù)雜問題的目的.層次型體系結(jié)構(gòu)這一易理解、易實(shí)現(xiàn)的特征，簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)、開發(fā)和維護(hù)工作.比如在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的bdd(bus-dev-drv)模型－總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型，總線層負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)程序框架，設(shè)備和驅(qū)動(dòng)層則各自專注于硬件和驅(qū)動(dòng)相關(guān)的代碼.

一個(gè)分層系統(tǒng)采用層次化的組織方式構(gòu)建，系統(tǒng)中的每一層都要擔(dān)任兩個(gè)角色.首先，它要為結(jié)構(gòu)中的上層提供服務(wù);其次，它要作為結(jié)構(gòu)中下層次的客戶，調(diào)用它下層有效的相關(guān)函數(shù).一個(gè)概念上的分層模型［3-4］，如圖1所示.

圖1 概念上的分層模型Fig.1 Conceptual hierarchical model

層與層之間的相互聯(lián)系是通過接口實(shí)現(xiàn)的.比如在驅(qū)動(dòng)程序的框架里，應(yīng)用程序調(diào)用C庫里的open函數(shù)時(shí)，庫函數(shù)根據(jù)open函數(shù)傳入的參數(shù)執(zhí)行“swi”指令，這條指令引起CPU異常，系統(tǒng)調(diào)用接口根據(jù)CPU異常的原因，調(diào)用不同的處理函數(shù)，從而進(jìn)入內(nèi)核空間執(zhí)行更加復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能.

既然分層能將一個(gè)繁雜問題一步一步簡(jiǎn)化來逐步完成，那么落實(shí)到具體問題時(shí)，應(yīng)該怎么樣一步一步來解決?換句話說，應(yīng)該怎么樣來分層解決一個(gè)復(fù)雜問題.這個(gè)問題沒有確切的標(biāo)準(zhǔn)，層數(shù)過多，層與層之間的關(guān)系又會(huì)變得很復(fù)雜;層次過少，問題得不到簡(jiǎn)化.一般來說，層數(shù)的多少與問題的規(guī)模有關(guān)，問題的規(guī)模越大，層次一般來說就越多［5］.問題的規(guī)模越小，層次一般來說就越少.下面，對(duì)兩種嵌入式系統(tǒng)層次體系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行哲學(xué)理論分析.

2 嵌入式系統(tǒng)層次體系結(jié)構(gòu)模型哲學(xué)理論分析

2.1 兩種層次型體系結(jié)構(gòu)

早期的嵌入式設(shè)備中［6］，它的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 早期嵌入式設(shè)備體系結(jié)構(gòu)Fig.2 The early structure of embedded devices

圖2中，顯然是耦合度較高的一個(gè)結(jié)構(gòu)，當(dāng)要開發(fā)一個(gè)具有特定功能的嵌入式應(yīng)用時(shí)，必須具備上述諸如硬件、驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)和特定應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí).此結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用軟件層通常作為一個(gè)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)某些功能;操作系統(tǒng)層提供了完整的電源管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)管理、內(nèi)存管理、文件管理的抽象;硬件驅(qū)動(dòng)層可以作為內(nèi)核的一部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定外設(shè)的直接訪問.這樣的體系結(jié)構(gòu)不管對(duì)開發(fā)人員來講還是對(duì)于企業(yè)來講，都是個(gè)很大的弊端.于是，文獻(xiàn)［2］也提出了改進(jìn)式的嵌入式系統(tǒng)層次體系結(jié)構(gòu)模型，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 改進(jìn)式的嵌入式體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved architecture for embedded system

現(xiàn)代嵌入式層次體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，在這個(gè)嵌入式應(yīng)用軟件層運(yùn)行的程序是由多個(gè)進(jìn)程組成，它們協(xié)調(diào)共同完成一個(gè)嵌入式設(shè)備的特定功能.文獻(xiàn)［2］分析了這種體系各個(gè)層的功能，其中一個(gè)非常重要的功能就是提高了代碼的復(fù)用率.并依據(jù)此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)了一個(gè)基于ICS的多進(jìn)程嵌入式應(yīng)用層軟件.驗(yàn)證了此體系結(jié)構(gòu)的高效可行性.

層次體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，具有易理解、易實(shí)現(xiàn)、提高重用率;有利于將不同層的開發(fā)任務(wù)在開發(fā)者之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆峙?具有較高的可維護(hù)性、可修改性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)［7-9］探討了嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法，利用層次模型對(duì)嵌入式軟件進(jìn)行開發(fā)，并且都取得了不錯(cuò)的效果.

2.2 嵌入式層次型體系結(jié)構(gòu)模型中的“自然性”和“過程論”

文獻(xiàn)［10］探討了馮·諾依曼計(jì)算機(jī)科學(xué)的哲學(xué)思想，從哲學(xué)的角度挖掘了計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須追求邏輯簡(jiǎn)潔性.同樣，這一節(jié)也從哲學(xué)的角度論證嵌入式層次體系結(jié)構(gòu)模型的合理性.正如引言中提到的，哲學(xué)是世界觀和方法論的統(tǒng)一，是人與自然，人與社會(huì)的和諧統(tǒng)一.哲學(xué)的核心是“求真”和“求知”，它的特點(diǎn)是思辨性、解釋性和概括性.正如老子在《道德經(jīng)》［11-12］里闡述所說:“道可道，非常道;名可名，非常名”.這句話的意思是:能夠用語言表達(dá)清楚的道，就不是永恒不變的道;能夠叫得出來名字，就不是永恒不變的名字.老子認(rèn)為:永恒不變的“道”，是無法用語言來描述清楚的.反過來講，就是語言的表述能力有限，特別是道理中的那些精髓部分和感情中的細(xì)微部分，更是無法用語言講得清楚.老子往往不說道是什么，而說道不是什么，而事實(shí)上還是在說道是什么，只是不直接說道而已.我國香港著名武術(shù)家李小龍，創(chuàng)建的“截拳道”中的“道”和老子所提倡的“道”本質(zhì)是一樣的.李小龍認(rèn)為拳術(shù)應(yīng)該追求人性的心靈自由，即將思想從條條框框中解放出來.結(jié)合中國古代老子哲學(xué)觀點(diǎn)，李小龍的“截拳道”［13］里提到的思想解放以及現(xiàn)代的實(shí)際生活，筆者認(rèn)為在解決自然和實(shí)際問題，或者做社會(huì)方面的學(xué)術(shù)研究，都應(yīng)該有一種“自然性”.

“自然性”在老子的《道德經(jīng)》中有精辟的闡述，并且向我們論證了“尊重規(guī)律，尊重自然”的觀點(diǎn).道家思想對(duì)自然、規(guī)律的最根本的見解就是“規(guī)律是自然的、變化的，不為人所控制的.”對(duì)待規(guī)律的根本態(tài)度是“充分尊重規(guī)律，然后才是自然地利用規(guī)律.”［14］

“自然性”，概況性來講就是遵循客觀事物的自然規(guī)律，順應(yīng)它的規(guī)律，找出合理的解決問題的方案.這樣使得自己在輕松愉快的環(huán)境氛圍下從事工作而不受束縛.在嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模式中的研究也有這種“自然性”.上述圖3相比圖2更加細(xì)分了體系中的層次，每層功能簡(jiǎn)單單一，具有很好的封裝性.圖3層次式體系結(jié)構(gòu)解決了代碼復(fù)用的問題，減輕了編程人員的負(fù)擔(dān).對(duì)于編程開發(fā)人員來說，這一體系結(jié)構(gòu)使程序員的思想得到解放，面對(duì)類似的問題，擺脫了重復(fù)編碼的束縛，使得編程開發(fā)人員真正歸于“自然”，針對(duì)一個(gè)層次的問題，可以根據(jù)程序員自己的風(fēng)格喜好來編寫相應(yīng)的程序.對(duì)于企業(yè)來講，它的“自然性”來自于對(duì)生產(chǎn)效率的需求.圖3所示的層次體系結(jié)構(gòu)，由于實(shí)現(xiàn)了代碼的復(fù)用，這樣一來，編程開發(fā)人員在相同的時(shí)間內(nèi)可以創(chuàng)造出更多的價(jià)值，給企業(yè)帶來更多的利潤.

過程論，就是遵循事物發(fā)展的過程.要做到過程與結(jié)果的統(tǒng)一［15-16］.事物的發(fā)展過程是質(zhì)變和量變的統(tǒng)一，量變是事物數(shù)量的增減和次序的變動(dòng)，是保持事物質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定的不顯著變化，是事物漸進(jìn)過程的連續(xù)性.質(zhì)變是事物性質(zhì)的根本變化，是事物由一種質(zhì)態(tài)向另一種質(zhì)態(tài)的飛躍，它是事物漸進(jìn)過程和連續(xù)性的中斷.質(zhì)變是量變的必然結(jié)果，量變是質(zhì)變的必要準(zhǔn)備，質(zhì)變和量變是相互滲透的.只有把握好了質(zhì)變和量變的辨證關(guān)系，才能真正理解過程和結(jié)果的辨證統(tǒng)一關(guān)系.

所謂過程就是要層層地剖析，把事物的發(fā)展劃分成不同的過程.每個(gè)過程解決好了，結(jié)果就會(huì)順其自然地解決了.過程論在嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型中也得到充分體現(xiàn).從嵌入式系統(tǒng)這個(gè)整體性因素考慮，它是非常繁雜的.但是，站在哲學(xué)角度，我們應(yīng)該考慮整體與局部的關(guān)系.整體包含著局部，局部在整體中體現(xiàn).在從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作時(shí)，既要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的最終功能有充分的了解，但更多的是要重視系統(tǒng)在開發(fā)過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)——局部性.嵌入式產(chǎn)品在用戶看來，他們關(guān)注的是系統(tǒng)的整體功能，而站在編程開發(fā)人員的角度上來說，則要注重每個(gè)小功能的具體實(shí)現(xiàn).這種現(xiàn)實(shí)工作需求要求我們做到整體與局部的統(tǒng)一，過程與結(jié)果的統(tǒng)一.在事物發(fā)展的過程中，也要分清主要因素和非主要因素.從企業(yè)的發(fā)展角度上來講.企業(yè)的生產(chǎn)效率是主要因素，所以人才、技術(shù)是根本.而企業(yè)的地理位置、辦公環(huán)境在發(fā)展的過程中，相對(duì)而言就是非主要因素.站在技術(shù)工程開發(fā)人員的角度，開發(fā)人員的工作效率是主要因素.而嵌入式層次體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)模式大大提高了開發(fā)人員的工作效率，符合社會(huì)發(fā)展的客觀規(guī)律.

從我國當(dāng)代社會(huì)發(fā)展規(guī)律來看，也有這種層次型的“自然性”.在十一屆三中全會(huì)之前，中華民族和中國人民一直在探尋著一條符合中國國情的發(fā)展道路，經(jīng)過了艱苦卓絕的探索，終于探索出一條強(qiáng)國之路——改革開放.這條道路符合中國的國情，順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展.但是隨著改革的深入，一系列矛盾日益凸顯.為了解決這些日益凸顯的矛盾，勇敢智慧的中國人民繼續(xù)深化改革，符合歷史發(fā)展的規(guī)律.這也是一種“自然性”的體現(xiàn).

對(duì)于學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的編程人員來說，學(xué)習(xí)就是一個(gè)過程，遵循著“過程論”.嵌入式系統(tǒng)具有學(xué)科交叉廣、入門門檻高的特點(diǎn)，只要踏踏實(shí)實(shí)做好每一個(gè)細(xì)節(jié)，長期堅(jiān)持這個(gè)學(xué)習(xí)過程，結(jié)果就會(huì)發(fā)生質(zhì)的改變.在“過程論”當(dāng)中，量變是質(zhì)變的準(zhǔn)備，質(zhì)變是量變的必然結(jié)果.所謂“為山九仞 功虧一簣”，也是這個(gè)道理.所以在嵌入式的學(xué)習(xí)方式上，也同樣遵循圖3所示的層次模型.

3 結(jié)束語

層次型體系結(jié)構(gòu)具有很多其他結(jié)構(gòu)無可比擬的優(yōu)勢(shì).哲學(xué)思想已經(jīng)滲入到我們生活的方方面面，哲學(xué)思想不僅是門社會(huì)學(xué)科，更是一門工程理論學(xué)科.本文根據(jù)前人已經(jīng)提出來的嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)模型，做了一定的哲學(xué)理論分析，并提出社會(huì)發(fā)展的過程也具有“自然性”，以及“過程論”對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的影響.我們要充分挖掘?qū)哟涡腕w系結(jié)構(gòu)中豐富的哲學(xué)思想，這對(duì)于日后的科學(xué)研究工作具有豐富的指導(dǎo)意義.

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