設計模式在光刻版清洗系統軟件設計中的應用

侯為萍，高建利，劉玉倩

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

軟件開發中，好的設計會給系統的維護、修改、擴展帶來極大的方便。好的系統設計來源于對過去成功開發經驗的借鑒，而設計模式的引入正是將其他項目開發中總結的經驗和當前項目的實際開發情況相結合，它使開發人員可以更簡單方便地復用成功的設計和體系結構，并且在軟件分析和設計上具有更高的視角，避免過早地處理細節。文中在設計和開發光刻版清洗系統軟件的基礎上，對設計模式進行研究和運用，選擇和應用恰當的設計模式來提高軟件系統的可擴展性和可維護性。

1 設計模式的基本概念

設計模式最初產生于建筑行業，建筑行業的設計師意識到他們需要共享有關正確設計技術的想法，這樣他們可以從分享經驗和教訓中獲益。20世紀80年代后期，設計模式從建筑業進入計算機系統領域，面向對象原則逐漸得到普及，而設計模式成為培育新的面向對象追隨者的最佳實踐[1]。其中24 種模式被奉為經典模式，依據設計模式的目的, 可將設計模式分為三類：創建型模式、結構型模式、行為型模式。創建型模式和對象的創建過程有關，結構型模式用于處理類和對象的組合，行為型模式對類和對象怎樣交互以及怎樣分配職責進行描述。本文中所引用的模式都來自于其中。

一般而言，一個完整的設計模式由模式名稱、問題、解決方案、效果4 個基本要素組成。在實際的系統設計開發中,沒有一個設計模式是獨立存在的，設計模式之間存在著相互支持、相互依賴的關系。理解設計模式及其相互間的關系, 有助于很好地解決應用某設計模式時可能出現的其它新問題[2]。

2 光刻版清洗系統

2.1 光刻版清洗系統簡介

光刻版清洗系統主要用于完成4 英寸、5 英寸、6 英寸光刻版的全自動化清洗工作（具體功能劃分見圖1），提供相關的圖形界面，具有工藝設置，設備狀態顯示，溫度控制，日志管理，用戶管理，報警記錄，高級設置，工藝操作，設備關閉等功能。

2.2 設計模式的引入

圖1 系統功能用例圖

在做光刻版清洗系統軟件設計時，由于用戶需求的不明確性，導致很難界定軟件開發的具體范圍。這是一個很大的問題。如果軟件設計沒有足夠的可擴展性，層次之間耦合性很強，那么一旦用戶提出新的需求或是更改原來的需求，將有可能導致軟件系統代碼大范圍內的修改，甚至是整體推倒重來，這不僅會帶來人力、物力上的巨大浪費，而且還可能引起一些商業上的糾紛[3]。為了解決這個問題，可以借助于業內成功者的設計經驗，在系統的設計中引入設計模式，它可以極大地提升系統的可擴展性，保障系統有效地應對用戶需求的變化。此外，設計模式的引入，還會增強系統的可維護性，降低軟件系統后期維護的成本。

3 在光刻版清洗系統軟件設計中的應用

3.1 單件模式的應用

單件(Singleton)模式是創建型模式中最常見的一種，它用來封裝對象的創建，旨在保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。單件模式的典型工作方式是：定義有一個特定的方法，這個方法被用于實例化需要的對象。當這個方法被調用時，它檢查這個對象是否已經被實例化。如果對象已經被實例化，這個方法僅僅返回這個對象的一個引用；如果對象尚未實例化，這個方法將對象實例化并返回這個新的實例的引用。為了確保該方法是創建這個類型對象的唯一途徑，需要將構造函數定義為保護(protected)或私有(private)類型[4]。

對于光刻版清洗系統，定義一個Main 類，它代表整個系統，是光刻版清洗系統軟件中的主類，負責軟件中各個類的協調。因此,其實例應該是唯一的。為了保證只有一個Main 的實例存在，使用單件模式，并提供一個訪問它的全局訪問點。如圖2 所示，Main 類定義一個Instance 靜態方法，以及一個靜態屬性，類型為Main 類的實例。在Instance 方法中創建Main 類的唯一實例。同時，把Main 類原有的構造函數定義為保護類型，這樣保證了客戶只能通過靜態成員函數來創建Main 的實例。從實施效果看，這樣做可以保證對唯一實例的受控訪問，Main 類封裝了自身的唯一實例，所以它可以嚴格地控制客戶怎樣以及何時訪問它；同時，縮小名字空間，單件模式是對全局變量的一種改進，它避免了那些存儲唯一實例的全局變量對名字空間所造成的污染。

3.2 策略模式的應用

圖2 單件模式

光刻版清洗系統中有溫控單元，為使溫控器的選擇具有更大的靈活性，引入了策略（Strategy）模式。在策略模式中定義了策略的輸入和輸出，而把策略的實現留給了各個類，這些類的不同實現方案來實現統一操作，他們提供了統一的接口，因而這些類可以相互替換。策略模式允許多種策略共存，而代碼不會混亂。該模式的意圖在于把可選的策略或方案封裝在不同的類中，并在這些類中來實現同一個操作。本系統中把不同的溫控器讀寫控制命令封裝起來，并使它們可以相互替換，這樣不但可以在不同的溫控器中選擇性價比最高的，而且在將來有更好的溫控器出現時能夠方便地對系統進行改進和擴展。實現Strategy 模式的類圖如圖3 所示。

圖3 策略模式

將溫控類中的通用方法提升到接口ITemp-Control 中，該接口在實現上是一個抽象基類，所有具體算法類都從該接口派生，ConcreteTemp-ControlA，ConcreteTempControlB， ConcreteTemp-ControlC 是針對不同的溫控器編寫的具體溫控類，它們只是在實現ReadUnitTempData 等操作時存在不同。使用策略模式后，編程時不針對具體的溫控類，而是針對接口ITempControl 進行。由于具體的算法類都是從ITempControl 接口派生的，根據多態機制，只要改變類名就可以完成溫控器的更換，無需大量的代碼更改。

3.3 適配器模式的應用

光刻版清洗系統軟件通過運動控制卡對電機進行控制，該運動控制卡既可以是插在PC 主板PCI 槽上的CAN 卡或者雷泰卡等，也可以是單獨的控制器等其他硬件。每種硬件通常都有一個專有類對它進行操作，由于每種硬件都有其特有的操作方式，操作類的方法各不相同。假設CANMotion 類用于操作CAN 卡，LTMotion 類用于操作雷泰卡。當需要更換運動控制卡時要進行大量的代碼替換，適配器模式為這種情況提供了解決方案。適配器（Adapter）模式的意圖是將一個類的接口轉換成客戶希望的另外一個接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些類可以一起工作。如圖4 所示，IMotionInterface 是Main 類用于操作運動控制卡的接口。它定義了一些操作運動控制卡的通用方法：CardOpen 方法用于打開運動控制卡，CardInit 用于初始化運動控制卡，CardClose 用于關閉運動控制卡，MotorMove 用于控制電機運動等。這樣，只要保證每種運動控制卡的操作類實現了IMotionInterface 接口，就可以在基本不改變原有代碼的基礎上完成硬件的更改和添加。

圖4 適配器模式

4 結束語

文中詳細描述了在光刻版清洗系統軟件設計中，選擇和使用設計模式的經驗。目前，該軟件系統已投入使用，并獲得了用戶的高度評價。應用設計模式，可以復用成功的解決方案，避免為普通、重復的問題再重新設計解決方案，使得該軟件系統開發的效率和軟件系統的質量都得到了極大的提升，并且使軟件系統具有更好的可擴展性和可維護性。

[1] Erich Gamma，Richard Helm，Ralph Johnson，etal. 李英軍，馬曉星，蔡敏，等譯. 設計模式-可復用面向對象軟件的基礎[M]. 北京：機械工業出版社，2000.

[2] 馬曦，李蕾，呂遐東，等. 設計模式在對準數據采集處理系統中的應用[J]. 艦船電子工程，2009，180(6)：149-152.

[3] 楊洲，王自強，周余，等. 設計模式在數據采集系統中的應用[J]. 微電子學與計算機，2008，25(2)：107-110.

[4] 蔡文貌，王自強，都思丹. 設計模式在機器人控制系統中的應用[J]. 科學技 術與工程，2008，8(1)：199-202.