浅谈嵌入式软件系统设计中的正交性
嵌入式软件系统设计领域存在“正交”的思想。本文结合实际项目经验，总结了软件系统正交化的方法，同时较全面地分析了正交性给嵌入式软件设计带来的诸多方便，最后回顾“正交”思想对不同自然科学领域的积极影响与启发。
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。
整个系统体系结构同样体现了正交思想，各个层的不同模块负责相互独立、正交的任务。从垂直角度看上去，该体系结构同正交小波一样，可以用多尺度空间思想表示，如图3所示。越核心的地方，功能轮廓越粗略；越到外层，越体现细节、越贴近用户需求。
图3 多尺度嵌入式软件体系结构
（2） 保持模块间的松耦合
划分软件模块时很重要的一个原则是：尽可能地保证各模块间的松耦合和模块内部的高聚合。这实际上就实现了系统的正交化，减少了模块间的冗余与关联。理想的系统结构呈树状，如图4所示。
