基于IPD的嵌入式项目集成管理模型研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 5.28MB 81 页 15积分
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摘 要
嵌入式产业是后PC时代一个崭新的行业，但是中国高新技术企业能否抓住契机并快速
发展，不仅依赖于是否掌握先进的嵌入式技术，更重要的是在于如何对嵌入式研发项目进
行有效的系统管理。美国国防部在19世纪70年代立项并研究了软件项目做不好的原因，结
果发现70%的项目问题是由于管理不善引起的，而不是因为技术能力不够；1995年，
StandishGroup 研究表明，所有的开发项目中有32%的项目在它们结束之前被中止，此外，
超过50%的软件项目花费的成本相当于原来预算的2倍；只有42%的软件项目完成时达到了
预期的范围和功能。嵌入式系统的研发和传统软件的研发存在很大的区别，从系统结构上
讲，嵌入式软件与硬件有机地结合共同完成系统功能，软件与特定硬件不能绝然分开；从
研制过程来看，嵌入式软件与硬件研制相互依赖、相互制约，必须相互协调同步进行。由
于嵌入式系统需要软硬件协同开发的特点，传统的嵌入式项目开发与管理模式严重制约了
我国嵌入式系统的研发和嵌入式产业的发展。
嵌入式项目集成管理模型是根据嵌入式系统软硬件协同开发的特点而设计的开发管理
模式，模型中运用了IPD（集成产品开发）的新产品开发与管道管理的思想，嵌入式项目
集成管理模型是一种系统管理模型，它强调项目研发过程的优化、垂直研发流程的整合、
程序算法的流程改进和资源的有效利用。由于IPD本质上是一种产品经营管理的模式，它
强调最终的盈利，基于IPD可建立起基于市场和客户需求驱动的集成产品开发流程，保证
嵌入式系统产品能取得最终的市场成功。
嵌入式项目的集成管理模型，设计了全模块化的嵌入式系统开发架构，并定义了模块
之间的标准化接口，使得各个模块之间的开发能相对独立的并行开展，针对嵌入式软硬件
一体化的特点，在纵向上，设计了层次之间的垂直开发流程，在横向上，设计了流水线式
开发流程；改进和优化了IPD的管道管理流程，使得有限的资源能在软硬件协同开发中得
到最优化的配置；设计了跨模块的集成管理团队解决了各个模块之间相对分散的弊端；设
计了基于CBB（公共基础模块）的流水线式集成开发模式，保证嵌入式产品能及时高效的
投放市场。
将本文设计的嵌入式项目的集成管理模型应用于MITAC（世界五百强、全球第三大
GPS导航系统制造商）公司的GPS导航系统研发项目上，对GPS导航系统进行了全模块化
的集成开发流程设计，提高了模块间和软硬件间的协同开发效率；进行了基于CBB对算法
改进与创新、系统开发创新和流水线式开发模式的研究；通过实际应用，使项目的开发周
期缩短了近1/3，程序算法的运行效率提高了25%左右，系统的可靠性也得到了保证。嵌入
式项目集成管理模型已经在企业得到了实施和应用，并取得了优良的效果。
关键字：嵌入式系统 集成管理 并行工程 公共基础模块 集成开发 协同开发
ABSTRACT
Embedded industry is a new era after the PC industry, whether the Chinese high-tech
enterprises can seize the opportunity, not only depends on the mastery of advanced embedded
technology, but also depends more on how to carry out effective embedded R&D projects
management. According to United States Department of Defense 1870s research about software
projects, found that 70 percent problems of the project is due to poor management, but not
because of lack of technical capacity; In 1995, StandishGroup study showed that 32% of the
development projects have been suspended before the end of their suspension, and more than
half of the software project cost equivalent to the cost of 2 times the original estimate, only 42%
of software projects achieve the expected completion of the scope and function. There is a big
difference between embedded systems development and the traditional software development.
On the system architecture, embedded software and hardware together organically integrate
complete system, software and hardware can not be absolutely separated. On the development
process, the embedded software and hardware development is interdependent, mutual restraints
and must be developed in parallel coordination at the same time. Because of co-development
needs between embedded systems hardware and software, the characteristics of traditional
embedded systems project management model has seriously hampered the development of
China's embedded industry.
The embedded integration project management model is based on the characteristics of
embedded system hardware and software co-development, the model use the development of
new products and pipeline management thinking in the IPD (Integrated Product Development),
but IPD is essentially a product management model, which emphasizes ultimately the
profitability; The embedded integration project management model emphasizes research and
development process optimization, the process of improving the program algorithm and the
efficient use of resources. Based on IPD, the model can be established based on market demand
and customer-driven integrated product development process to ensure that embedded systems
products can achieve the ultimate success.
The embedded integration project management model gives the entire architecture modular
design of embedded systems development and the definition of standardized interfaces between
modules, the development of various modules can be relatively independent of the parallel
development; which improves and optimizes the pipeline management processes of IPD, makes
limited resources in the development of hardware and software synergy most optimal
configuration; which designs an inter-module integrated management team to solve drawbacks
of relatively decentralized of the team between the various modules; which designs integrated
development of the pipeline mode based on the CBB (public infrastructure module), embedded
products can guarantee the timely and efficient on the market.
Finally, with a study of MITAC (world's top 500, the world's third largest GPS navigation
system manufacturers) companies, the paper carries out in-depth embedded integrated
management project application of the model. This paper gives a integrated development
modular design of GPS navigation system, improves the development efficiency of hardware and
software modules, and studies the algorithm improvement and innovation, system innovation and
development of the pipeline based on CBB; The practice shows that the project development
cycle shortened by nearly 1/3, procedures algorithm operating efficiency increased by 25 percent,
the reliability of the system is guaranteed after using the model. The Embedded Project
Integrated Management Model has been implemented and applied in the enterprise, and have
achieved good results.
Key Word ：Embedded System, Integrated Management, Concurrent
Engineering, CBB, Integrated Development, Collaborative Development
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ................................................................ 1
§1.1 研究背景介绍 .......................................................... 1
§1.2 研究的意义 ............................................................ 2
§1.3 研究内容 .............................................................. 3
§1.4 本文的架构 ............................................................ 4
第二章 嵌入式系统特征 ....................................................... 5
§2.1 嵌入式系统的基本特征 .................................................. 5
§2.1.1 嵌入式系统的概念 .................................................. 5
§2.1.2 嵌入式系统硬件 .................................................... 6
§2.1.3 嵌入式系统软件 .................................................... 6
§2.1.4 嵌入式系统特点 .................................................... 7
§2.2 嵌入式行业的基本特征 ................................................. 10
§2.2.1 嵌入式行业发展状况 ............................................... 10
§2.2.2 嵌入式行业发展趋势 ............................................... 12
§2.3 总结 ................................................................. 14
第三章 项目管理理论基础 .................................................... 15
§3.1 目前流行的几种项目管理模式 ........................................... 15
§3.2 目前项目管理模式的弊端和不足 ......................................... 17
§3.3 项目集成管理的概念与现状分析 ......................................... 18
§3.3.1 项目集成管理的概念 ............................................... 18
§3.3.2 项目集成管理现状与发展历程 ....................................... 19
§3.4 嵌入式项目管理的现状与存在的问题 ..................................... 20
§3.4.1 市场需求定位问题 ................................................. 21
§3.4.2 系统工程方面的问题 ............................................... 22
§3.4.3 项目管理问题 ..................................................... 22
§3.4.4 流程管理问题 ..................................................... 23
§3.4.5 组织架构问题 ..................................................... 24
§3.5 总结 ................................................................. 24
第四章 嵌入式项目集成管理模型研究 .......................................... 25
§4.1 嵌入式系统管理的特点 ................................................. 25
§4.2 集成管理体系中设计的重点 ............................................. 26
§4.2.1 核心层 ........................................................... 26
§4.2.2 使能技术 ......................................................... 27
§4.2.3 支撑技术 ......................................................... 28
§4.3 嵌入式项目集成管理模型核心设计思想 ................................... 29
§4.3.1 模块化分工与集成化管理相结合 ..................................... 29
§4.3.2 建立高效的集成开发团队 ........................................... 29
§4.3.3 采用异步开发模式提高开发效率 ..................................... 30
§4.3.4 利用管道管理提高资源利用效率 ..................................... 30
§4.3.5 加强风险控制，保证产品质量 ....................................... 30
§4.4 基于 IPD 的嵌入式项目集成管理模型框架 ................................. 31
§4.4.1 流程决策系统 ..................................................... 32
§4.4.2 专家支持系统 ..................................................... 39
§4.5 嵌入式项目集成管理流程与其他流程之间的关系 ........................... 42
§4.5.1 嵌入式项目集成管理在企业中的位置 ................................. 43
§4.5.2 嵌入式项目集成管理流程与 IPD 流程的关系 ........................... 43
§4.5.3 项目集成管理流程与其支持子流程之间的关系说明 ..................... 43
§4.5.4 项目集成管理流程和使能流程的关系 ................................. 44
§4.5.5 项目集成管理流程中的评审流程 ..................................... 45
§4.6 总结 ................................................................. 47
第五章 嵌入式项目集成管理模型在 GPS 导航系统开发上的应用研究 ................ 49
§5.1 GPS 导航系统的集成开发团队与全模块化设计 ............................. 49
§5.2 全模块化设计对程序开发效率的提高 ..................................... 50
§5.3 并行工程对嵌入式系统软硬件协同开发效率的提高 ......................... 53
§5.4 利用 CBB 提高嵌入式系统开发效率 ....................................... 57
§5.4.1 使用 CBB 实现流水线式开发 ..........................................58
§5.4.2 使用 CBB 实现系统开发创新 ..........................................60
§5.4.3 使用 CBB 提高算法改进的效率 ........................................62
§5.4.4 利用 CBB 对算法进行创新 ............................................67
§5.5 系统集成 ............................................................. 69
§5.6 总结 ................................................................. 69
第六章 总结与展望 .......................................................... 71
参考文献 ................................................................... 73
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................. 77
致 谢 ...................................................................... 79
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究背景介绍
“后PC时代”的来临及3C融合加速趋势的彰显，给中国以嵌入式软件为核心
的嵌入式系统产业的高速增长带来了千载难逢的契机，嵌入式软件产业现已成为
中国IT产业中的一个重要新兴产业和增长点。我国政府在嵌入式软件发展过程中，
已充分认识到它的重要作用，并在政策、资金等方面给予了大力支持。2004年国
家发改委、科技部、商务部联合颁布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域
指南》，把嵌入式软件产业作为国家发展的一个重要领域[1]。2006年12月25日至26
日，在杭州举行的全国软件工作会议上，确定把嵌入式软件、基础软件、信息安
全软件以及外包作为“十一五”期间我国软件产业发展把握的重点。凭借世界电
子信息产品制造业向中国内地转移的契机，我国在“十一五”期间将积极推动嵌
入式操作系统、集成开发环境以及嵌入式应用软件产品的研发与应用。目前，我
国通过电子信息产业发展基金和相关税收优惠政策来支持嵌入式软件发展，已经
将嵌入式软件培育成信息产业新的增长点。中国工程院院士倪光南指出“发展嵌
入式软件，是我国提出电子信息产业实现从中国制造向中国创造迈进的重要契
机。”
表1 2005年中国嵌入式软件产业结构[1]
操作系统
开发工具
应用软件
其他
总计
产业规模( 亿元)
33.0
19.0
1007.2
2.1
1061.4
所占比重
3.1%
1.8%
4.9%
0.2%
100.0%
同比增长率
13.0%
32.9%
42.6%
40.0%
41.3%
数据来源：赛迪顾问 2006，02
嵌入式系统的研发和传统软件的研发存在很大的区别，从系统结构上讲，嵌入
式软件与硬件有机地结合共同完成系统功能，软件与特定硬件不能绝然分开。从
研制过程来看，嵌入式软件与硬件研制相互依赖、相互制约，必须相互协调同步
进行。很多嵌入式系统开发公司依然采用传统的管理模式来进行嵌入式项目的管
理，软件开发和硬件开发采用相对独立的开发和管理模式，这样就极大的限制了
嵌入式产品的开发效率。随着嵌入式技术的快速发展和对嵌入式产品需求的日益
增加，针对嵌入式项目研发管理的系统解决方案成为一个继续解决的问题，目前
国内外对于新型嵌入式系统管理的研究变得方兴未艾[2]。
基于 IPD 的嵌入式项目集成管理模型研究
2
早在2 0世纪5 0年代末期，美国国防部、能源部和NASA等政府性项目的主要部
门，通过开展有关项目工期和项目成本的集成计划与控制方法的研究，开创了项
目集成管理研究的先河。其中，1958年由美国国防部组织美国海军研究推出的项
目计划评审技术(Project Evaluation and Review Technique，PERT/Time)就是
最初基于工期的项目集成管理技术方法之一。此后又推出了同时考虑项目工期与
成本的项目计划评审方法（PERT/Cost），虽然不很成功，但是已经具备进行项目
工期和成本集成管理的雏形了。特别是美国国防部1967年推出（并几经改进，而
且一直在使用）的由美国空军为主研究开发的“成本/工期控制系统规范”
(Cost/Schedule Control Systems Criteria—C/SCSC)，更是一种项目集成管理
的实际应用方法。后来人们在此基础上开发出了“挣值管理（Earned Value
Management—EVM）”的项目成本与工期的集成管理方法。
在1991年，美国卡内基梅隆大学软件工程研究所（SEI）应美国联邦政府的要
求，开发出来一种 用于评价软件承包商能力并帮助其改善质量的方法：CMM
（capability maturity model for software，软件能力成熟度模型），大量的
实践表明CMM能非常好的应用于软件开发的过程管理，而对于新产品的开发、硬件
的开发、芯片的设计等方面的管理存在相当大的局限性。
在1992年，IBM在激烈的市场竞争下遭遇到了严重的财政困难，公司销售收入
停止增长，利润急剧下降。经过分析，IBM发现他们在研发费用、研发损失费用和
产品上市时间等几个方面远远落后于业界最佳。为了重新获得市场竞争优势， IBM
公司率先应用了集成产品开发（IPD）的方法，并取得了重大的成功。但是IPD本
质上是一种产品经营管理的模式，它适用于从新产品的创意灵感开始直到最终投
放市场的盈利模式，它强调最终的市场盈利。无疑，IPD虽然是一种优秀的产品管
理模式，但是针对软硬件紧密结合的嵌入式系统来说，经典的IPD模式就显得心有
余而力不足。
§1.2 研究的意义
虽然嵌入式产业是一个蓬勃发展的行业，但是中国高新技术企业能否抓住契
机并快速发展，不仅依赖于是否掌握先进的嵌入式技术，更重要的是在于如何对
嵌入式研发项目进行有效的管理。美国国防部19世纪70年代立项并研究了软件项
目做不好的原因，结果发现70%的项目问题是由于管理不善引起的，而不是因为技
术能力不够；1995年，StandishGroup 研究表明，所有的开发项目中有32%的项目
在它们结束之前被中止，此外超过50%的软件项目花费成本相当于原来预算的2倍；
只有42%的软件项目完成时达到了预期的范围和功能。而且，新产品开发往往具有
第一章 绪论
3
失败率高、成本高等特点。据PDMA[2]（product development management
associated）研究调查表明：每七个新产品创意中，仅有一个能获得成功；每四
个开发项目中，仅有一个成为商业上的成功者。由此可见新产品开发具有高风险
性。实际上创新本身就是一项高风险性的活动，而产品生命周期的日益缩短更加
剧了这种风险。为了使嵌入式系统产品新产品开发的风险最小化，收益最大化，
必须要对嵌入式系统产品项目进行有效管理。
嵌入式系统软件与硬件有机结合的特点，决定了其项目管理应该是软件硬件一
体化的管理体系。目前国内外并没有一套成熟的软硬件协同的开发模式，现有的
系统开发和管理模式仍然局限在单独针对硬件进行设计或单独针对软件进行开
发，很多公司仍然按照软件和硬件分离的模式来管理，软件开发使用软件工程等
思想来管理，使用CMMI来改进其开发过程；硬件开发则使用芯片设计与研发的模
式来管理，使用ISO标准体系来控制其质量。然而如果仅仅使用软件或硬件单独的
管理模式，必然限制嵌入式企业的发展，嵌入式项目管理将成为嵌入式产业快速
发展的一个重要瓶颈。由于嵌入式系统软件硬件一体化的特性，嵌入式项目管理
必然是一项系统的工程，必然需要新的管理模式来提高嵌入式系统开发效率、降
低风险、提高产品质量、降低开发成本，因此对于嵌入式项目管理的深入探讨和
研究具有重要的现实意义。
§1.3 研究内容和创新点
1、软硬件协同开发模式：嵌入式系统是软硬件紧密结合的集成体，嵌入式的
开发必定是软硬件协同、并行的开发，而目前国内外并没有一套成熟的软硬件协
同开发与管理的模式。本文重点研究并设计了嵌入式系统软件硬件全模块化的协
同管理和开发模式，并定义了各个模块之间的标准化接口。
2、过程管理的优化：并行工程是一个成熟的开发模式，被应用于复杂系统的
研发和生产，文中研究了在嵌入式软硬件协同开发中充分利用并行工程的思想来
改进嵌入式系统开发流程、优化各个模块之间的协同效应。
3、开发资源的最优化配置：对于任何一家企业，资源总是有限的，选择了A
项目，往往意味着不能选择B项目和C项目，正确的选择给企业带来利润，选择失
误，造成的不仅是资源浪费，更可怕的是失去市场机会和企业发展的机会。针对
嵌入式系统的特点，本文改进了基于IPD的管道管理设计模式和管理流程，使得有
限的开发资源能得到充分的利用。
4、集成管理模型：嵌入式系统是软硬件集成的系统，为了实现软硬件的协同
开发模式和并行工程，嵌入式项目的开发实现了完全的模块化，模块化设计虽然
基于 IPD 的嵌入式项目集成管理模型研究
4
能提高协作开发效率，但是也带来了管理上的相对分散，如果不能有效的进行管
理，开发效率和管理效率反而会更加低下，因此本文在IPD模型的基础上，设计了
独立的集成管理委员会、跨模块的集成管理核心组、CBB评审委员会来实现全模块
开发流程高效运转。
5．利用嵌入式项目集成管理模型，在GPS导航系统的开发上进行了大量实证研
究。本文针对GPS导航系统进行了全模块化的开发流程设计，实现了蓝牙免提功能
的接口设计和功能切换，将嵌入式系统软硬件协同开发用于导航系统电池驱动的
软、硬件同步开发中，各个模块组之间垂直的、协同的进行开发，开发效率得到
明显的提高；利用CCB技术实现流水线式开发流程并研究了基于CBB的音频噪声消
除的创新架构设计，利用CCB数据库实现触摸屏校准算法改进。
§1.4 本文的架构
图1.1 本文组织架构
摘要：

摘要嵌入式产业是后PC时代一个崭新的行业，但是中国高新技术企业能否抓住契机并快速发展，不仅依赖于是否掌握先进的嵌入式技术，更重要的是在于如何对嵌入式研发项目进行有效的系统管理。美国国防部在19世纪70年代立项并研究了软件项目做不好的原因，结果发现70%的项目问题是由于管理不善引起的，而不是因为技术能力不够；1995年，StandishGroup研究表明，所有的开发项目中有32%的项目在它们结束之前被中止，此外，超过50%的软件项目花费的成本相当于原来预算的2倍；只有42%的软件项目完成时达到了预期的范围和功能。嵌入式系统的研发和传统软件的研发存在很大的区别，从系统结构上讲，嵌入式软件与硬件有机...

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