浅谈嵌入式软件系统设计中的正交性

　　1 小波漫谈

　　小波变换是20世纪最辉煌的科学成就之一，已经广泛应用于信号处理、图像分析、非线性科学、地球科学、音乐雷达、CT成像、地震勘探、天体识别、量子场论、机械故障诊断、分形等科技领域。

　　20世纪初，哈尔(Alfred Haar)对在函数空间中寻找一个与傅里叶类似的基非常感兴趣。1909年他最早发现和使用了小波，后来这被命名为哈尔小波(Haar wavelets)。20世纪 70年代，当时在法国石油公司工作的地球物理学家 Jean Morlet提出了小波变换 WT(Wavelet Transform)的概念。 进入20世纪 80年代，法国科学家 Y.Meyer和他的同事开始研究系统的小波分析方法。1985年，Daubechies提出“正交小波基”，并构造具有紧支撑的光滑小波，以及随后 Mallat提出的多分辨分析及快速小波变换，将小波研究推向高潮。小波分析己经成为目前发展最快和最引入注目的学科之一，几乎涉及信息领域的所有学科。

　　为何“正交小波基”与多分辨分析的提出成为小波分析发展史中的重大突破成就?主要原因之一是：变换系数没有冗余，能够将信号分解成互不影响的正交子信号，这样就可以根据需求方便地对所需特征的子信号进行分析，从而很好地反映信号的细节。

　　2 嵌入式软件系统设计的正交性

　　其实，在软件系统设计领域同样或多或少存在“正交”的思想。一个常被引用的模式是Smalltalk编程语言(Krasner和 Pope，1988)的模型视图控制器(ModelViewController)框架。该模式强制性地将软件系统的输入、处理和输出分开，形成数据模型、视图、控制器三大模块，如图1所示。图中“数据模型”包括程序的设计部分，“视图”表示用户界面，“控制器”定义用户和视图的交互方式。

　　图1 模型视图控制器框架

　　其中每部分都是一个独立的对象，每个对象有自己处理数据的规则。这种功能的分离恰巧促成各个模块的正交性、减少它们之间的冗余，因此也使该框架成为应用最为广泛的模式之一。

　　2.1 设计正交嵌入式软件系统

　　毫无疑问，正交的思想使得系统设计更加清晰和方便。那么如何才能更好地使嵌入式软件系统具有“正交性”呢?

　　(1) 设计具有正交性的系统体系结构

　　进行系统设计首先要进行系统的体系结构设计。系统的宏观设计同样也体现正交性思想，如图2所示。

　　图2 系统体系结构

　　其中，底层驱动与RTOS是唯一与系统硬件相联系的模块，直接负责与硬件打交道，对硬件进行管理与控制，并为其上层模块提供所需的驱动支持;调度程序在RTOS支持下，根据系统需求对不同的任务模块进行实时调度与管理，确保所有任务能顺利、均衡地执行;最上层的任务模块具有不同的功能，以满足用户需求，它们各自独立、正交、不存在冗余，同时提供相应数据接口，以便与其他模块通信，形成有机整体。