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第47题

知识点：开发过程软件架构编程语言编译器操作系统程序结构词法分析代码优化调试集成开发环境架构设计开发环境目标机嵌入式操作系统软件架构设计生命周期适应性语法分析语义分析

关键词：编程语言编译器操作系统词法分析代码生成代码优化调试器集成开发环境开发过程连接器模块嵌入式软件架构软件开发生命周期需求语法分析语义分析源程序源代码编译开发软件开发生命周期语言语义章/节：软件架构的风格

“编译器”是一种非常重要的基础软件，其核心功能是对源代码形态的单个或一组源程序依次进行预处理、词法分析、语法分析、语义分析、代码生成、代码优化等处理，最终生成目标机器的可执行代码。考虑以下与编译器相关的软件架构设计场景：
传统的编译器设计中，上述处理过程都以独立功能模块的形式存在，程序源代码作为一个整体，依次在不同模块中进行传递，最终完成编译过程。针对这种设计思路，传统的编译器采用（47)架构风格比较合适。
随着编译、链接、调试、执行等开发过程的一体化趋势发展，集成开发环境（IDE)随之出现。IDE集成了编译器、连接器、调试器等多种工具，支持代码的增量修改与处理，能够实现不同工具之间的信息交互，覆盖整个软件开发生命周期。针对这种需求，IDE采用（48)架构风格比较合适。IDE强调交互式编程，用户在修改程序代码后，会同时触发语法高亮显示、语法错误提示、程序结构更新等多种功能的调用与结果呈现，针对这种需求，通常采用（49)架构风格比较合适。
某公司己经开发了一款针对某种嵌入式操作系统专用编程语言的IDE，随着一种新的嵌入式操作系统上市并迅速占领市场，公司决定对IDE进行适应性改造，支持釆用现有编程语言进行编程，生成符合新操作系统要求的运行代码，并能够在现有操作系统上模拟出新操作系统的运行环境，以支持代码调试工作。针对上述要求，为了使IDE能够生成符合新操作系统要求的运行代码，采用基于（50)的架构设计策略比较合适;为了模拟新操作系统的运行环境，通常采用（51)架构风格比较合适。

A. 管道一过滤器

B. 顺序批处理

C. 过程控制

D. 独立进程

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知识点讲解
· 开发过程 · 软件架构 · 编程语言 · 编译器 · 操作系统 · 程序结构 · 词法分析 · 代码优化 · 调试 · 集成开发环境 · 架构设计 · 开发环境 · 目标机 · 嵌入式操作系统 · 软件架构设计 · 生命周期 · 适应性 · 语法分析 · 语义分析

开发过程

嵌入式系统软件的开发过程可以分为项目计划、可行性分析、需求分析、概要设计、详细设计、程序建立、下载、调试、固化、测试及运行等几个阶段。

项目计划、可行性分析、需求分析、概要设计及详细设计等几个阶段，与通用软件的开发过程基本一致，都可按照软件工程方法进行，如采用原型化方法、结构化方法等。

：由于嵌入式软件的运行和开发环境不同，开发工作是交叉进行的，所以每一步都要考虑到这一点。

程序建立阶段的工作是根据详细设计阶段产生的文档进行的，主要是源代码编写、编译链接等子过程，这些工作都在宿主机上进行，不需要用到目标机。产生应用程序的可执行文件后，就要用到交叉开发环境进行调试，根据实际情况可以选用3.6.3节中提到的调试方法或其有效组合来进行。由于嵌入式系统对安全性和可靠性的要求比通用计算机系统要高，所以，在对嵌入式系统进行白盒测试时，要求有更高的代码覆盖率。

最后，要将经调试后正确无误的可执行程序固化到目标机上。根据嵌入式系统硬件配置的不同，可以固化在EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程ROM）和Flash等存储器中，也可固化在DOC（DiskOnChip）等电子盘中，通常还要借助一些专用编程器进行。

软件架构

随着嵌入式技术的发展，特别是在后PC时代，嵌入式软件系统得到了极大的丰富和发展，形成了一个完整的软件体系，如下图所示。这个体系自底向上由3部分组成，分别是嵌入式操作系统、支撑软件和应用软件。

嵌入式系统的软件架构

嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）由操作系统内核、应用程序接口、设备驱动程序接口等几部分组成。嵌入式操作一般采用微内核结构。操作系统只负责进程的调度、进程间的通信、内存分配及异常与中断管理最基本的任务，其他大部分的功能则由支撑软件完成。

嵌入式系统中的支撑软件由窗口系统、网络系统、数据库管理系统及Java虚拟机等几部分组成。对于嵌入式系统来讲，软件的开发环境大部分在通用台式计算机和工作站上运行，但从逻辑上讲，它仍然被认为是嵌入式系统支撑软件的一部分。支撑软件一般用于一些浅度嵌入的系统中，如智能手机、个人数字助理等。

嵌入式系统中的应用软件是系统整体功能的集中体现。系统的能力总是通过应用软件表现出来的。

编程语言

尽管高级语言能够完成大部分的嵌入式软件开发工作，但汇编语言仍然不可替代。汇编语言可以直接对硬件进行操作，代码效率高，所以经常应用在系统移植以及直接控制硬件的场合。此外，良好的汇编基础也有助于程序的调试。

越是高级的语言，其编译和运行的系统开销就越大，应用程序也越大，运行越慢。因此一般来说，编程人员都会首选汇编语言和C语言，然后才会考虑C++语言或Java语言。

编译器

编译阶段要做的工作是用交叉编译或汇编工具处理源代码，产生目标文件。在嵌入式系统中，宿主机和目标机所采用的处理器芯片通常是不一样的。例如，目标机采用的CPU是DragonBall M68x系列或ARM系列，而宿主机采用的是x86系列。因此，为了把宿主机上编写的高级语言程序编译成可以在目标机上运行的二进制代码，就需要用到交叉编译器。

与普通PC中的C语言编译器不同，嵌入式系统中的C语言编译器要进行专门的优化，以提高编译效率。一般来说，优秀的嵌入式C编译器所生成的代码，其长度和执行时间仅比用汇编语言编写的代码长5%～20%。编译质量的不同，是区别嵌入式C编译器工具的重要指标。因此，硬件厂商往往会针对自己开发的处理器的特性来定制编译器，既提供对高级语言的支持，又能很好地对目标代码进行优化。

GNU C/C++（gcc）是目前比较常用的一种交叉编译器，它支持非常多的宿主机／目标机组合。宿主机可以是Unix、AIX、Solaris、Windows、Linux等操作系统，目标机可以是x86、Power PC、MIPS、SPARC、Motorola 68K等各种类型的处理器。

gcc是一个功能强大的工具集合，包含了预处理器、编译器、汇编器、连接器等组件。它在需要时会去调用这些组件来完成编译任务，而输入文件的类型和传递给gcc的参数决定了它将调用哪些组件。对于一般或初级的开发者，它可以提供简单的使用方式，即只给它提供C源码文件，它将完成预处理、编译、汇编、连接等所有工作，最后生成一个可执行文件。而对于中高级开发者，它提供了足够多的参数，可以让开发者全面控制代码的生成，这对于嵌入式系统软件开发来说是非常重要的。

gcc识别的文件类型主要包括：C语言文件、C++语言文件、预处理后的C文件、预处理后的C++文件、汇编语言文件、目标文件、静态链接库、动态链接库等。以C程序为例，gcc的编译过程主要分为4个阶段：

（1）预处理阶段，即完成宏定义和include文件展开等工作；

（2）根据编译参数进行不同程度的优化，编译成汇编代码；

（3）用汇编器把上一阶段生成的汇编码进一步生成目标代码；

（4）用连接器把上一阶段生成的目标代码、其他一些相关的系统目标代码以及系统的库函数连接起来，生成最终的可执行代码。

用户可以通过设定不同的编译参数，让gcc在编译的不同阶段停止下来，这样可以检查编译器在不同阶段的输出结果。

在gcc的高级用法上，一般希望通过使用编译器达到两个目的：检查出源程序的错误；生成速度快、代码量小的执行程序。这可以通过设置不同的参数来实现，例如，“-Wall”参数可以发现源程序中隐藏的错误；“-O2”参数可以优化程序的执行速度和代码大小；“-g”参数可以对执行程序进行调试。

操作系统

编写嵌入式软件有两种选择：一是自己编写内核；二是使用现成的操作系统。如果嵌入式软件只需要完成一项非常小的工作，例如在电动玩具、空调中，就不需要一个功能完整的操作系统。但如果系统的规模较大、功能较复杂，那么最好还是使用一个现成的操作系统。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统有很多，但关键是如何选择一个适合开发项目的操作系统，可以从以下几点进行考虑：

（1）操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统只支持该系统供应商的开发工具，因此，还必须从操作系统供应商处获得编译器、调试器等；而有的操作系统应用广泛，且有第三方工具可用，因此选择的余地比较大。

（2）操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要的问题，是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此，要选择那些可移植性程度高的操作系统，以避免因移植带来的种种困难。

（3）操作系统的内存要求，有些操作系统对内存有较大要求。

（4）操作系统的可剪裁性、实时性能等。

程序结构

任何一个C++程序都必须有一个main函数，整个程序的执行从main函数开始。

下面以一个简单的C++程序为例来说明C++程序结构。

第1、2行是注释。其中，//是C++语言的一种注释符号，自//开始，一直到本行结束，所有内容都是注释，也可以用/*和*/将注释内容括起来。第3行使用预处理指令#include将头文件iostream包含到程序中来，iostream是标准的C++头文件，它包含了输入和输出的定义。第5行开始定义了一个名称为main的函数。第6行的左花括号和第12行的右花括号分别表示main函数体的开始和结束。第7行至第11行是函数体的内容。流是执行输入和输出的对象，cout是C++标准的输出流，标准输出通常是指计算机屏幕，符号<<是一个输出运算符，带一个输出流作为它的左操作数，一个表达式作为它的右操作数，后者被发送到前者。cin是C++标准的输入流，标准输入通常是指计算机键盘。符号>>是输入运算符，带一个输入流作为它的左操作数，一个变量作为它的右操作数，前者被抽取到后者，cin输入流抽取到变量i的效果是将键盘的输入值复制到变量i中。

通过这个程序，读者可以对C++语言的程序结构有一个基本的了解。

词法分析

词法分析过程的本质是对构成源程序的字符串进行分析，是一种对象为字符串的运算。语言中具有独立含义的最小语法单位是符号（单词），如标识符、无符号常数与界限符等。词法分析的任务是把构成源程序的字符串转换成单词符号序列。

字母表、字符串、字符串集合及运算

（1）字母表∑：元素的非空有穷集合。例如，∑={a，b}。

（2）字符：字母表∑中的一个元素。例如，∑上的a或b。

（3）字符串：字母表∑中字符组成的有穷序列。例如，a、ab、aaa都是∑上的字符串。

（4）字符串的长度：字符串中的字符个数。例如，|aba|=3。

（5）空串ε：由0个字符组成的序列。例如，|ε|=0。

（6）连接：字符串S和T的连接是指将串T接续在串S之后，表示为S·T，连接符号“·”可省略。显然，对于字母表∑上的任意字符串S，S·ε=ε·S=S。

（7）空集：用符号Φ表示。

（8）∑*：指包括空串ε在内的∑上所有字符串的集合。例如，设∑={a，b}，∑*={ε，a，b，aa，bb，ab，ba，aaa，…｝。

（9）字符串的方幂：把字符串α自身连接n次得到的串，称为字符串α的n次方幂，记为αⁿ。α⁰=ε，αⁿ=ααⁿ^-1=αⁿ^-1α（n>0）。

（10）字符串集合的运算：设A、B代表字母表∑上的两个字符串集合。

.或（合并）：A∪B={α|α∈A或α∈B｝。

.积（连接）：AB=｛αβ|α∈A且β∈B｝。

.幂：Aⁿ=A·Aⁿ^-1=Aⁿ^-1·A（n>0），并规定A⁰={ε}。

.正则闭包+：A⁺=A¹∪A²∪A³∪…

.闭包*：A*=A⁰∪A⁺。显然，∑*=∑⁰∪∑¹∪∑²∪…

正规表达式和正规集

词法规则可用3型文法（正规文法）或正规表达式描述，它产生的集合是语言基本字符集∑（字母表）上的字符串的一个子集，称为正规集。

对于字母表∑，其上的正规式（正则表达式）及其表示的正规集可以递归定义如下。

（1）ε是一个正规式，它表示集合L（ε）={ε}。

（2）若a是∑上的字符，则a是一个正规式，它所表示的正规集为L（a）={a}。

（3）若正规式r和s分别表示正规集L（r）和L（s），则：

①r|s是正规式，表示集合L（r）∪L（s）。

②r·s是正规式，表示集合L（r）L（s）。

③r*是正规式，表示集合（L（r））*。

④（r）是正规式，表示集合L（r）。

仅由有限次地使用上述三个步骤定义的表达式才是∑上的正规式。

运算符“|”“·”“*”分别称为“或”“连接”和“闭包”。在正规式的书写中，连接运算符“·”可省略。运算符的优先级从高到低顺序排列为“*”“·”“|”。

设∑={a，b}，在下表中列出了∑上的一些正规式和相应的正规集。

正规式和相应的正规集

若两个正规式表示的正规集相同，则认为二者等价。两个等价的正规式U和V记为U=V。例如，b（ab）*=（ba）*b，（a|b）*=（a*b*）*。

有限自动机

有限自动机是一种识别装置的抽象概念，它能准确地识别正规集。有限自动机分为两类：确定的有限自动机和不确定的有限自动机。

（1）确定的有限自动机（Deterministic Finite Automata，DFA）。一个确定的有限自动机是个五元组：（S，∑，f，s₀，Z），其中：

①S是一个有限集合，它的每个元素称为一个状态。

②∑是一个有穷字母表，它的每个元素称为一个输入字符。

③f是S×∑→S上的单值部分映像。f（A，a）=Q表示当前状态为A、输入为a时，将转换到下一状态Q。称Q为A的一个后继状态。

④s₀∈S，是唯一的一个开始状态。

⑤Z是非空的终止状态集合，

一个DFA可以用两种直观的方式表示：状态转换图和状态转换矩阵。状态转换图是一个有向图，简称为转换图。DFA中的每个状态对应转换图中的一个结点；DFA中的每个转换函数对应图中的一条有向弧，若转换函数为f（A，a）=Q，则该有向弧从结点A出发，进入结点Q，字符a是弧上的标记。

例如，DFAM1=（{s₀，s₁，s₂，s₃}，{a，b}，f，s₀，{s₃}），其中f为：

f（s₀，a）=s₁，f（s₀，b）=s₂，f（s₁，a）=s₃，f（s₁，b）=s₂，f（s₂，a）=s₁，f（s₂，b）=s₃，f（s₃，a）=s₃

与DFAM1对应的状态转换图如下图（a）所示，其中，状态s₃表示的结点是终态结点。状态转换矩阵可以用一个二维数组M表示，矩阵元素M[A，a]的行下标表示状态，列下标表示输入字符，M[A，a]的值是当前状态为A、输入字符为a时，应转换到的下一状态。与DFAM1对应的状态转换矩阵如下图（b）所示。在转换矩阵中，一般以第一行的行下标对应的状态作为初态，而终态则需要特别指出。

确定的有限自动机示意图

对于∑中的任何字符串ω，若存在一条从初态结点到某一终止状态结点的路径，且这条路径上所有弧的标记符连接成的字符串等于ω，则称ω可由DFAM识别（接受或读出）。若一个DFAM的初态结点同时又是终态结点，则空字ε可由该DFA识别（或接受）。DFAM所能识别的语言L（M）={ω|ω是从M的初态到终态的路径上的弧上标记所形成的串}。

例如，对于字符串"ababaa"，在上图（a）所示的状态转换图中，识别"ababaa"的路径是s₀→s₁→s₂→s₁→s₂→s₁→s₃。由于从初态结点s₀出发，存在到达终态结点s₃的路径，因此该DFA可识别串"ababaa"。而"abab"和"baab"都不能被该DFA接受。对于字符串“abab“，从初态结点s₀出发，经过路径s₀→s₁→s₂→s₁→s₂，当串结束时还没有到达终态结点s₃；而对于串"baab"，经过路径s₀→s₂→s₁→s₃，虽然能到达终态结点s₃，但串尚未结束又不存在与下一字符"b"相匹配的状态转换。

（2）不确定的有限自动机（Nondeterministic Finite Automata，NFA）。一个不确定的有限自动机也是一个五元组，它与确定有限自动机的区别如下。

①f是S×∑→2^s上的映像。对于S中的一个给定状态及输入符号，返回一个状态的集合。即当前状态的后继状态不一定是唯一确定的。

②有向弧上的标记可以是ε。

例如，已知有NFAN=（{s₀，s₁，s₂，s₃}，{a，b}，f，s₀，{s₃}），其中f为：

f（s₀，a）=s₀，f（s₀，a）=s₁，f（s₀，b）=s₀，f（s₁，b）=s₂，f（s₂，b）=s₃

与NFAM2对应的状态转换图和状态转换矩阵如下图所示。

NFA的状态转换图和转换矩阵

显然，DFA是NFA的特例。实际上，对于每个NFAM，都存在一个DFAN，且L（M）=L（N）。

词法分析器的任务是把构成源程序的字符流翻译成单词符号序列。手工构造词法分析器的方法是先用正规式描述语言规定的单词符号，然后构造相应有限自动机的状态转换图，最后依据状态转换图编写词法分析器（程序）。

代码优化

优化是一个编译器的重要组成部分，由于编译器将源程序翻译成中间代码的工作是机械的、按固定模式进行的，因此，生成的中间代码往往在时间和空间方面的效率较差。当需要生成高效的目标代码时，就必须进行优化。优化过程可以在中间代码生成阶段进行，也可以在目标代码生成阶段进行。由于中间代码不依赖于具体机器，此时所作的优化一般建立在对程序的控制流和数据流分析的基础之上，与具体的机器无关。优化所依据的原则是程序的等价变换规则。例如，在生成X:=Y+Z*60的四元式后，60是编译时已知的常数，把它转换为60.0的工作可以在编译时完成，没有必要生成一个四元式，同时t3仅仅用来将其值传递给idl，也可以化简掉，因此上述的中间代码可转优化成下面的等价代码：

这只是优化工作中的一个简单示例，真正的优化工作要复杂得多。

调试

调试的任务就是根据测试时所发现的错误，找出原因和具体的位置，进行改正。调试主要由程序开发人员来进行，谁开发的程序就由谁来进行调试。常用的调试方法有试探法、回溯法、对分查找法、归纳法和演绎法。

集成开发环境

嵌入式软件开发环境起初主要由专门开发工具的公司提供，这些公司根据不同操作系统和不同处理器版本进行专门定制，如美国Microtec公司的交叉开发工具曾经被VRTX、pSOS等定制采用。随着用户对开发工具套件的需求增加，一些著名的操作系统供应商开始发展本系列操作系统产品的开发工具套件，如WindRiver公司的Tornado、微软的Windows CE嵌入式开发工具包等。

在国际上，嵌入式软件开发环境的另一支研发队伍是GNU。GNU在因特网上提供免费的相关研究和开发成果，成为自主开发嵌入式软件开发环境的重要资源。一些公司已在GNU软件的基础上，经过集成、优化和测试，推出更加成熟、稳定的商业化嵌入式软件开发环境。

随着嵌入式系统的发展，嵌入式软件开发环境越来越重要，它直接影响到嵌入式软件的开发效率和质量。目前的开发环境已向开放性、集成化、可视化和智能化的方向发展，将各种类型且功能强大的软件工具，如编辑器、编译器、连接器、调试器、版本管理、用户界面等，有机地集成在一个统一的集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）中。

Tornado

Tornado是WindRiver公司推出的一个集成开发环境。它由三个高度集成的部分组成：运行在宿主机和目标机上的交叉开发工具和实用程序；运行在目标机上的实时操作系统VxWorks；用来连接宿主机和目标机的各种通信介质，如以太网、串口、在线仿真器ICE或ROM仿真器等。

Tornado提供的交叉开发工具和实用工具主要有：源代码编辑工具、图形化的交叉调试工具、工程配置工具、集成仿真工具、诊断分析工具、C/C++编译工具、宿主机-目标机连接配置工具、目标机系统状态浏览工具、命令行执行工具、多语言浏览工具及图形化内核配置工具等。在Tornado中，宿主机上的工具与目标机之间的通信由目标服务器和目标代理共同完成。如下图所示，在形式上目标代理是VxWorks上的一个任务。调试命令通过宿主机上的目标服务器发送给目标代理。这些调试请求决定了目标代理应如何控制目标机上的其他任务。

Tornado环境中宿主机与目标机之间的关系

.图形化的交叉调试器CrossWind/WDB：支持任务级和系统级两种调试方式，支持混合源代码和汇编代码显示，支持多目标同时调试，具有良好的图形用户界面。

.工程配置工具Project：用于对VxWorks操作系统及其组件进行自动配置，进行依赖性分析和代码容量计算，自动生成Makefile文件。

.集成仿真工具VxSim：提供与真实目标机完全一致的调试和仿真运行环境。

.诊断分析工具WindView：一个图形化的动态诊断和分析工具，主要是向开发者提供在目标机上运行的应用程序的许多详细情况。

.C/C++编译工具：Tornado提供以下支持C语言和C++语言的工具和类库：Diab C/C++编译器、GNU C/C++编译器及iostreams类库。

.宿主机-目标机连接配置工具Launcher：位于Tornado环境的最上层，开发者可以通过它来设置开发环境。

.目标机系统状态浏览工具Browser：一个图形化工具，能随时提供目标系统的全面状态信息。

.命令行执行工具WindSh：一个功能强大的命令行解释器，可以直接解释、执行C语言表达式，调用目标机上的C函数及访问已在系统符号表中定义的变量。

.多语言浏览工具WindNavigator：浏览源程序代码，用图形化的方式显示函数调用关系，从而实现快速的代码定位。

.图形化内核配置工具WindConfig：通过WindConfig提供的图形向导，用户可以方便地配置VxWorks内核及其组件的参数。

Tornado的特点：

（1）友好的开发环境。Tornado可以运行在不同的系统中，支持UNIX、Windows NT、Windows 98/95等。

（2）适用于开发不同类型的目标机。针对不同的目标机，Tornado为开发者提供了一个一致的图形接口和人机界面。这样，当开发人员转向新的目标机时，不必再花费时间去学习或适应新的开发工具。事实上，Tornado的所有工具都驻留在开发平台上。

（3）工具齐备，具有丰富的交叉开发工具和实用工具。

（4）开放的、可扩展的开发环境。Tornado是一个完全开放的环境，开发人员或第三方厂商可以很容易地把自己的工具集成到Tornado框架下。

Windows CE应用程序开发工具

如下图所示，Windows CE应用程序开发工具包括：①Platform Builder；②eMbedded Visual Tools；③eMbedded Visual Basic；④eMbedded Visual C++。它们都是专门针对Windows CE操作系统的开发工具。

Windows CE应用程序开发工具

Microsoft Windows CE Platform Builder为开发商迅速创建一个嵌入式系统提供了全部相关工具。Platform Builder集成开发环境使开发者能够对新一代高度模块化的设计进行配置、创建与调试，以实现嵌入式系统的灵活性与可靠性，并与Windows和Web功能特性紧密结合。它的特点主要包括：

.通过使用改进的目标-宿主集成与连接特性来提高工作效率，节省嵌入式系统的创建时间。这些特性包括：集成化连接与下载、集成化目标控制、状态监视器、灵活的创建选择、简化操作系统配置等。

.通过使用先进的系统级调试功能来提高调试速度。Platform Builder的系统级调试器目前可为硬件辅助和系统级调试提供支持，从而大大扩展了调试功能的作用范围。具体包括：硬件辅助调试、源点级调试、新型的内核追踪器、远程系统信息、远程性能监视器、改进的调试器用户界面、调试区间等。

.提供了一个新型扩展模型，可以帮助开发商将各类特性集成到开发环境当中。包括：微处理器控制单元、嵌入式开发工具控制单元等。

Microsoft eMbedded Visual C++和eMbedded Visual Basic是开发下一代Windows CE通信、娱乐及信息访问等应用程序时的功能强大的工具。它们所提供的全面高速应用程序开发环境能够帮助开发者在各类不同设备上，迅速就相关的Windows CE应用程序进行创建、调试和部署，并且在不牺牲控制功能、性能表现及有关灵活性的前提下，提高Windows CE的开发效率。这两个产品的特点主要包括：

.开发工作效率比较高。这两个集成开发环境与传统的Windows应用开发环境非常相似，因此开发人员无需额外的培训即可熟练掌握它们的使用方法。而编程时的在线提示辅助功能（如语句完成、参数信息和语法错误检查等），能够大大提高程序员的工作效率。另外，通过创建可重复使用的ActiveX组件，可以将软件开发的复杂程度降至最低水平。

.开发过程与集成化调试得以简化。允许eMbedded Visual Tools在编译完成后，从移动设备或模拟器上的IDE中自动复制并启动相关的应用程序，从而实现应用程序的迅速测试和执行。在调试程序时，可以使用集成化调试器，当应用程序在Windows CE设备上（或模拟器内）运行的同时对其错误予以消除。另外，在测试时可以先在Windows CE设备模拟器上对应用程序进行测试，以避免高昂的硬件成本投资。

.针对Windows CE平台的全面访问。包括TCP/IP通信机制、COM组件模型、ActiveX控件、设备的API接口函数等。

.面向最新的Windows CE设备创建相应的解决方案。例如，Handheld PC Pro、Palm-size PC及Pocket PC等Windows CE设备。

.迅速、灵活的数据访问。数据存储可通过相关连接来实现与远程数据源之间的同步。

Linux环境下的集成开发环境

在Linux环境下也有一些很好的集成开发环境，如Kdevelop、Eclipse和Anjuta等。

Kdevelop

Kdevelop是KDE小组开发的Linux/UNIX操作系统上的C/C++集成开发环境，为快速开发C/C++应用程序提供了强有力的开发工具。

Kdevelop的操作界面类似于微软的Visual Studio，提供编辑、编译、连接、除错、版本管理及计划管理等基本的IDE功能。此外它还内建了一个可以产生Qt图形界面的资源编辑程序。对于C++程序，它额外提供了类浏览器。此外其文件管理程序内建了所有有关KDE发展所需的文件，并提供搜寻的功能。

Eclipse

Eclipse是替代IBM Visual Age for Java（简称IVJ）的下一代IDE开发环境，但它未来的目标不仅仅是成为专门开发Java程序的IDE环境。根据Eclipse的体系结构，通过开发插件，它能扩展到任何语言的开发，甚至能成为图片绘制的工具。目前，Eclipse已经开始提供C语言开发的功能插件。而且它是一个开放源代码的项目，任何人都可以下载其源代码，并在此基础上开发自己的功能插件。

Anjuta

Anjuta是GNU/Linux平台下的C/C++集成开发环境，它主要是为了开发GTK/GNOME程序而设计的。Anjuta利用GLADE来生成优美的用户界面，加之以自己强大的源程序编辑功能，使之成为应用程序快速开发的集成开发环境。以前，人们使用GLADE做界面，用emacs或vi来编辑源程序，再用某种终端模拟器编辑开发项目。而现在使用Anjuta，所有这些繁杂零散的任务都可以在一个统一的、集成的、自然而然的环境下完成。

架构设计

WebApp描述了使WebApp达到其业务目标的基础结构，典型使用多层架构来构造，包括用户界面或展示层、基于一组业务规则来指导与客户端浏览器进行信息交互的控制器，以及可以包含WebApp的业务规则的内容层或模型层，描述将以什么方式来管理用户交互、操作内部处理任务、实现导航及展示内容。模型-视图-控制器（Model-View-Controller，MVC）结构是WebApp基础结构模型之一，它将WebApp功能及信息内容分离。

开发环境

下图是一个典型的CPD环境，通常包含三个高度集成的部分：

（1）运行在宿主机和目标机上的强有力的交叉开发工具和实用程序。

（2）运行在目标机上的高性能、可裁剪的RTOS。

（3）连接宿主机和目标机的多种通信方式。例如，以太网、串口线、ICE（In-Circuit Emulator，在线仿真器）、ROM仿真器等。

宿主机提供的基本开发工具有交叉编译器、交叉链接器和源代码调试器等，作为目标机的嵌入式系统则可能提供一个动态装载器、链接装载器、监视器和一个调试代理等。在目标机和宿主机之间有一组连接，通过这组连接程序代码，映像从宿主机下载到目标机，这组连接同时也用来传输宿主机和目标机调试代理之间的信息。

典型交叉平台开发环境

目前，嵌入式系统中常用的目标文件格式是COFF（Common Object File Format）和ELF（Executable Linking Format）。另外，一些系统还需要有一些专门工具将上述格式转换成二进制代码格式才可使用。典型地，一个目标文件包含：

（1）关于目标文件的通用信息，如文件尺寸、启动地址、代码段和数据段等具体信息。

（2）机器体系结构特定的二进制指令和数据。

（3）符号表和重定位表。

（4）调试信息。

目标机

目标机一般在嵌入式应用软件的开发和调试期间使用，它可以是嵌入式应用软件的实际运行环境，也可以是能够替代实际运行环境的仿真系统。目标机的软硬件资源通常都比较有限，主要用来运行包含应用程序代码和嵌入式操作系统的可执行映像。

在开发过程中，目标机端须接收和执行宿主机发出的各种命令，如设置断点、读内存和写内存等，并将结果返回给宿主机，配合宿主机各方面的工作。所有需要与目标机进行信息交互的工具在目标机端都有自己的代理，有的代理是软件实现的（如目标机监控器），有的代理是硬件实现的（如BDM、JTAG等）。在目标机端运行的这些代理，负责解释并执行从宿主机端发送过来的各种命令。

嵌入式操作系统

嵌入式操作系统的概念

嵌入式操作系统是指在嵌入式系统中的操作系统。嵌入式操作系统运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制。

嵌入式操作系统的特点

嵌入式操作系统具有占用空间小、执行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储等特点。

（1）微型化。由于硬件平台的局限性，如主存少、字长短、运行速度有限、能源少（用微小型电池）、外部设备和控制对象千变万化，因此，不论从性能还是从成本角度考虑，都不允许它占用很多资源，系统代码量少，应在保证应用功能的前提下，以微型化作为特点来设计嵌入式操作系统的结构与功能。

（2）可定制。嵌入式操作系统的运行平台多种多样，应用更是千变万化，表现出专业化的特点。从减少成本和缩短研发周期方面考虑，要求它能运行在不同的微处理机平台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置，以满足不同应用的需要。

（3）实时性。嵌入式操作系统广泛应用于过程控制、数据采集、传输通信、多媒体信息及一些需要迅速响应的场合，实时响应要求严格，因此实时性是其主要特点之一。

（4）可靠性。系统构件、模块和体系结构必须达到应有的可靠性，对关键要害应用还要提供容错和防故障措施，以进一步提高可靠性。

（5）易移植性。为了提高系统的易移植性，通常采用硬件抽象层（Hardware Abstraction Level，HAL）和板级支撑包（Board Support Package，BSP）的底层设计技术。HAL提供了与设备无关的特性，屏蔽了硬件平台的细节和差异，向操作系统上层提供了统一接口，保证了系统的可移植性。

嵌入式系统开发环境

嵌入式系统开发环境通常配有源码级可配置的系统模块设计、丰富的同步原语、可选择的调度算法、可选择的主存分配策略、定时器与计数器、多方式中断处理支持、多种异常处理选择、多种通信方式支持、标准C语言库、数学运算库和开放式应用程序接口等。较著名的嵌入式操作系统有Windows CE、VxWorks、pSOS、Palm OS等。

软件架构设计

软件架构也称为软件体系结构，需要考虑如何对系统进行分解，对分解后的组件及其之间的关系进行设计，满足系统的功能和非功能需求。软件架构形成过程如下图所示。

架构的形成过程概要

软件架构设计需要从用户业务需求、未来应用环境、需求分析、硬件基础、接口输入、数据处理、运算或控制规律、用户使用等方面进行综合、权衡和分析基础上产生。面向某种问题的架构一旦确定就很难改变，随后的架构设计需要通过一系列的迭代开发完善，使得软件架构日趋成熟、稳定。

软件架构的重要作用也在于控制一个软件系统的使用、成本和风险。好的架构要求是和谐的软件架构，包括与上一级系统架构相互和谐、与系统中同一级的其他组件架构互相和谐，确保系统满足性能、可靠性、安全性、信息安全性和互操作性等方面的关键要求，也具有可扩展、可移植性，从而为一个软件带来长久的生命力。

在大量开发实践中，有很多广泛使用并被普遍接受的软件架构设计原则，这些原则独立于具体的软件开发方法，主要包括抽象、信息隐藏、强内聚和松耦合、关注点分离等。

（1）抽象：这是软件架构的核心原则，也是人们认识复杂客观世界的基本方法。抽象的实质是提取主要特征和属性，从具体的事务中通过封装来忽略细节，并且运用这些特征和属性，描述一个具有普遍意义的客观世界。软件架构设计中需要对流程、数据、行为等进行抽象。复杂系统含有多层抽象，从而有多个不同层次架构。

（2）信息隐藏：包括局部化设计和封装设计。局部化设计就是将一个处理所涉及到的信息和操作尽可能地限制在局部的一个组件中，减少与其他组件的接口。而封装设计是将组件的外部访问形式尽可能简单、统一。

（3）强内聚和松耦合：强内聚是指软件组件内的特性，即组件内所有处理都高度相关，所有处理组合在一起才能组成一个相对完整的功能。而松耦合是指软件组件之间的特性，软件组件之间应尽量做到没有或极少的直接关系，使其保持相对独立，这样使得未来的修改、复用简单，修改之后带来的影响最小。

（4）关注点分离：所谓关注点是软件系统中可能会遇到的多变的部分。如为适应不同运行接口条件，需要进行适应性的参数调整和驱动配置。关注点分离设计是将这部分组件设计成为相对独立的部分，使未来的系统容易配置和修改。而核心的部分可以保持一个相对独立的稳定状态。如果功能分配使得单独的关注点组件足够简单，那么就更容易理解和实现。但“展示某些关注点得到满足时，可能会影响到其他方面的关注点，但架构师必须能够说明所有关注点都已得到满足”。

以上的原则中，删除需求细节或对细节进行抽象是最重要的工作，为用户的需求创建抽象模型，通过抽象将特殊问题映射为更普遍的问题类别，并识别各种模式。

软件架构设计使用纵向分解和横向分解两种方式。纵向分解就是分层，横向分解就是将每一个层面分成相对独立的部分。经过分解之后，可以将一个完整的问题分解成多个模块来解决。模块是其中可分解、可组装，功能独立、功能高度内聚、之间低耦合的一个组件。

类似于建筑架构，软件架构也决定了软件产品的好用、易用、可靠、信息安全、可扩展、可重用等特性，好的软件架构也给人完整、明确、清晰等赏心悦目的感觉，具有较长的生命力。

架构设计是围绕业务需求带来的问题空间到系统解决空间第一个顶层设计方案。按照抽象原则，在这个阶段进行的架构设计关注软件设计环节抽象出来的重要元素，而不是所有的设计元素。在架构设计时将软件这些要素看作是黑盒，架构设计需要满足黑盒的外部功能和非功能需求的目标。一个软件的架构设计首先为软件产品的后续开发过程提供基础，在此基础上可将一个大规模的软件分解为若干子问题和公共子问题。而一般意义的软件设计是软件的底层设计，开发人员需要关注各子问题或要素的进一步分解和实现，是根据架构设计所定义的每个要素的功能、接口，进一步实现要素组件内部的配置、处理和结构。在遵守组件外部属性前提下，考虑实现组件内部的细节及其实现方法。对于其中的公共子问题，形成公共类和工具类，从而可以达到重用的目的。

一般的软件构架是根据需求自上而下方式来设计，即首先掌握和研究利益相关方的关键需求，基本思路是首先进行系统级的软件架构设计，需要将软件组件与其外部环境属性绑定在一起，关注软件系统与外部环境的交联设计；其次将一个大的系统划分成各组成部分，这些部分可以按照架构设计的不同方法，分为层次或成为模块；之后再开始研究所涉及到的要素，再实现这些要素以及定义这些要素之间的关系。

在实际工作中，软件构架也可采用自底向上的方法，前提是已经建立了一个成熟稳定的软件架构，也可以称之为“模式”。模式是组织一级设计某一类具体问题的顶层思路，是为了解决共有问题解的方案模板，但并不是一个问题的设计或设计算法。

模式常常整合在一起使用，提供解决更大、更复杂问题的解决方案，而组成一个解决问题的通用框架。框架往往提供统一平台和开发工具，而且已经高效地利用了已经经过验证的模式、技术和组件。在新软件系统的设计中指定沿用或重用这种架构框架，这时其他重要元素可以在这个架构基础上针对新的需求进行扩展，有时是针对性地进行参数化设计。所以在架构设计中可以借用模式的概念进行设计，采用成熟的先进的设计框架和工具提高开发的效率，保证设计正确性。

下图所示是针对架构设计中非功能需求的多维度分析，从中可知任何一个因素的变化都会带来对其他因素的影响。实际上软件架构设计属于软件设计过程的一部分，但超越了系统内部的算法和数据结构的详细设计。

架构的多维度分析

在架构设计阶段，需要定义边界条件、描述系统组织结构、对系统的定量属性进行约束、帮助对模型进行描述并基本构造早期的原型、更准确地描述费用和时间的评估。

生命周期

IT服务生命周期由规划设计（Planning&Design）、部署实施（Implementing）、服务运营（Operation）、持续改进（Improvement）和监督管理（Supervision）5个阶段组成，简称“PIOIS”。

（1）规划设计：从客户业务战略出发，以需求为中心，参照ITSS对IT服务进行全面系统的战略规划和设计，为IT服务的部署实施做好准备，以确保提供满足客户需求的IT服务。

（2）部署实施：在规划设计基础上，依据ITSS建立管理体系、部署专用工具及服务解决方案。

（3）服务运营：根据IT服务部署情况，依据ITSS，采用过程方法，全面管理基础设施、服务流程、人员和业务连续性，实现业务运营与IT服务运营的全面融合。

（4）持续改进：根据IT服务运营的实际情况，定期评审IT服务满足业务运营的情况，以及IT服务本身存在的缺陷，提出改进策略和方案，并对IT服务进行重新规划设计和部署实施，以提高IT服务质量。

（5）监督管理：本阶段主要依据ITSS对IT服务质量进行评价，并对IT服务供方的服务过程、交付结果实施监督和绩效评估。

适应性

适应性是指软件产品无需采用有别于为考虑该软件的目的而准备的活动或手段，就可能适应不同的指定环境的能力。

语法分析

语法分析的任务是根据语言的语法规则，分析单词串是否构成短语和句子，即是否为合法的表达式、语句和程序等基本语言结构，同时检查和处理程序中的语法错误。程序设计语言的绝大多数语法规则可以采用上下文无关文法进行描述。语法分析方法有多种，根据产生语法树的方向，可分为自底向上（或自下而上）和自顶向下（或自上而下）两类。

上下文无关文法

上下文无关文法属于乔姆斯基定义的2型文法，被广泛地用于表示各种程序设计语言的语法。对于上下文无关文法G［S］=（VN，VT，P，S），其产生式的形式都是A→β，其中A∈V_N，β∈（V_N∪V_T）^*。

若不加特别说明，下面用大写英文字母A、B、C等表示非终结符，小写英文字母a、b、c等表示终结符号，u、v、w等表示终结符号串，小写希腊字母α、β、γ、δ等表示终结符和非终结符构成的文法符号串。由于一个上下文无关文法的核心部分是其产生式集合，所以文法可以简写为其产生式集合的描述形式。

（1）规范推导（最右推导）。如果在推导的任何一步

其中α、β是句型），都是对α中最右边的非终结符进行替换，则称这种推导为最右推导。最右推导常称为规范推导。同理可定义最左推导。

（2）短语、直接短语和句柄。设αδβ是文法G的一个句型，即

，且满足

和

，则称δ是句型αδβ相对于非终结符A的短语。特别地，如果有

，则称δ是句型αδβ相对于产生式A→δ的直接短语。一个句型的最左直接短语称为该句型的句柄。

自顶向下语法分析方法

自顶向下分析法的基本思想是：对于给定的输入串ω，从文法的开始符号S出发进行最左推导，直到得到一个合法的句子或者发现一个非法结构。在推导的过程中试图用一切可能的方法，自上而下、从左到右地为输入串ω建立语法树。整个分析过程是一个试探的过程，是反复使用不同产生式谋求与输入序列匹配的过程。若输入串是给定文法的句子，则必能成功，反之必然出错。

文法中存在下述产生式时，自顶向下分析过程中会出现下面的问题：

（1）若文法中存在形如A→αβ｜αδ的产生式，即A产生式中有多于一个候选项的前缀相同（称为公共左因子，简称左因子），则可能导致分析过程中的回溯处理。

（2）若文法中存在形如A→Aα的产生式，由于采取了最左推导，可能会造成分析过程陷入死循环的情况，产生式的这种形式被称为左递归。

因此，需要对文法进行改造，消除其中的左递归，以避免分析陷入死循环；提取左因子，以避免回溯。

（3）递归下降分析法。递归下降分析法直接以子程序调用的方法模拟产生式产生语言的过程，其基本思想是：为每一个非终结符构造一个子程序，每个子程序的过程体按该产生式候选项分情况展开，遇到终结符即进行匹配，而遇到非终结符则调用相应的子程序。该分析法从调用文法开始符号的子程序开始，直到所有非终结符都展开为终结符并得到匹配为止。若分析过程可以达到这一步，则表明分析成功，否则表明输入串中有语法错误。递归下降分析法的优点是简单且易于构造，缺点是程序与文法直接相关，对文法的任何改变都需要在程序中进行相应的修改。

（4）预测分析法。预测分析法是另一种自顶向下的语法分析方法，其基本模型如下图所示。

预测分析模型示意图

预测分析法的核心是预测分析表，可以用一个二维数组M表示，其元素M［A，a］（A∈V_N，a∈V_T∪#）存放关于A的产生式，表明当遇到输入符号为a且用A进行推导时，所应采用的产生式；若M［A，a］为error，则表明推导时遇到了不该出现的符号，应进行出错处理。

例如，根据文法G［E］=｛E→TE'，E'→+TE'｜ε，T→FT'，T'→*FT'｜ε，F→（E）｜id｜｝的构造的预测分析表如下表所示。

预测分析表

预测分析法的工作过程是：初始时，将“#”和文法的开始符号依次压入栈中；在分析过程中，根据输入串中的当前输入符号a和当前的栈顶符号X进行处理。

若X=a='#'，则分析成功；若X='#'且a≠'#'，则出错。

若X∈V_T且X=a，则X退栈，并读入下一个符号a；若X∈V_T且X≠a，则出错。

若X∈V_N且M［X，a］='A→α'，则X退栈，α中的符号从右到左依次进栈（ε无须进栈）；若M［X，a］='error'，则调用出错程序进行处理。

自底向上语法分析方法

常用的自底向上分析方法也称移进-归约分析法，工作模型是下推自动机，如下图所示。其基本思想是对输入序列ω自左向右进行扫描，并将输入符号逐个移进一个栈中，边移进边分析，一旦栈顶符号串形成某个句型的可归约串（即句柄）时，就用某个产生式的左部非终结符来替代，这称为一步归约。重复这一过程，直至栈中只剩下文法的开始符号且输入串也被扫描完时为止，确认输入串ω是文法的句子，表明分析成功；否则，进行出错处理。

移进-归约分析模型

LR分析法是一种规范归约分析法。规范归约是规范推导（最右推导）的逆过程，下面举例说明规范归约的过程。

LR分析法根据当前分析栈中的符号串（通常以状态表示）和向右顺序查看输入串的k个（k≥0）符号，就可唯一确定分析器的动作是移进还是归约，以及用哪条产生式进行归约，因而也就能唯一地确定句柄。当k=1时，已能满足当前绝大多数高级语言编译程序的需求。常用的LR分析器有LR（0）、SLR（1）、LALR（1）和LR（1）。

一个LR分析器由如下三个部分组成：

（1）驱动器。或称驱动程序。对所有LR分析器，驱动程序都是相同的。

（2）分析表。不同的文法具有不同的分析表。同一文法采用不同的LR分析器时，分析表也不同。分析表又可分为动作表（ACTION）和状态转换表（GOTO）两个部分，它们都可用二维数组表示。

（3）分析栈。其包括文法符号栈和相应的状态栈。

分析器的动作由栈顶状态和当前输入符号决定（LR（0）分析器不需向前查看输入符号），LR分析器的模型如下图所示。

LR分析器模型示意图

其中SP为栈顶指针，S_i为状态，X_i为文法符号。ACTION［S_i，a］=S_j规定了栈顶状态为S_i且遇到输入符号a时应执行的动作。状态转换表GOTO［S_i，X］=S_j表示当状态栈顶为S_i且文法符号栈顶为X时应转向状态S_j。

LR分析器的工作过程以格局的变化来反映。格局的形式为（栈，剩余输入，动作）。分析是从某个初始格局开始的，经过一系列的格局变化，最终达到接受格局，表明分析成功；或者达到出错格局，表明发现一个语法错误。因此，开始格局的剩余输入应该是全部的输入序列，而接受格局中的剩余输入应该为空，任何其他格局或者出错格局中的剩余输入应该是全部输入序列的一个后缀。

在LR分析过程中，改变格局的动作有以下4种：

（1）移进（shift）。当ACTION［S_i，a］=S_j时，把a移进文法符号栈并转向状态S_j。

（2）归约（reduce）。当在文法符号栈顶形成句柄β时，把β归约为相应产生式A→β的非终结符A。若β的长度为r（即｜β｜=r），则弹出文法符号栈顶的r个符号，然后将A压入文法符号栈中。

（3）接受（accept）。当文法符号栈中只剩下文法的开始符号S，并且输入符号串已经结束时（当前输入符是“#”），分析成功。

（4）报错（error）。当输入串中出现不该有的文法符号时，就报错。

LR分析器的核心部分是分析表的构造，这里不再详述。

语义分析

语义分析阶段分析各语法结构的含义，检查源程序是否包含静态语义错误，并收集类型信息供后面的代码生成阶段使用。只有语法和语义都正确的源程序才能翻译成正确的目标代码。

语义分析的一个主要工作是进行类型分析和检查。程序语言中的一个数据类型一般包含两个方面的内容：类型的载体及其上的运算。例如，整除取余运算符只能对整型数据进行运算，若其运算对象中有浮点数就认为是一种类型不匹配的错误。

在确认源程序的语法和语义之后，就可对其进行翻译并给出源程序的内部表示。对于声明语句，需要记录所遇到的符号的信息，所以应进行符号表的填查工作。在下图所示的符号表中，每一行存放一个符号的信息。第一行存放标识符X的信息，其类型为real，为它分配的地址是0；第二行存放Y的信息，其类型是real，为它分配的地址是4。因此，在该语言中，为一个real型数据分配的存储空间是4个存储单元。对于可执行语句，则检查结构合理的表达式是否有意义。对id1:=id2+id3*60进行语义分析后的语法树如下图所示，其中增加了一个语义处理节点inttoreal，该运算用于将一个整型数转换为浮点数。

语义分析后的符号表和语法树示意图

题号导航 2013年下半年系统架构设计师上午试卷综合知识

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	第47题在手机中做本题