基于構(gòu)件技術的嵌入式系統(tǒng)復用軟件設計

　　引 言

　　對嵌入式軟件構(gòu)件平臺而言，其支撐平臺首先是一個嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，其次為整個軟件構(gòu)件的設計提供開發(fā)工具和集成環(huán)境。在支撐平臺的設計過程中，可以借鑒領域工程的思想，將整個嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)設計成一個系統(tǒng)級的軟件構(gòu)件庫。這樣不但實現(xiàn)了嵌入式操作系統(tǒng)的可裁剪性，而且由于從嵌入式操作系統(tǒng)到應用程序的設計都是基于離散化的軟件構(gòu)件，因此方便了嵌入式控制應用軟件設計時的集成和調(diào)試。為了方便軟件構(gòu)件的管理，可以將系統(tǒng)級和應用級的軟件構(gòu)件庫綜合成一個功能完備的軟件構(gòu)件庫。它包括從嵌入式控制系統(tǒng)的系統(tǒng)層、支撐層和應用層所需的一切軟件構(gòu)件，因而具有功能的完整性。

　　1 嵌入式軟件構(gòu)件平臺的體系結(jié)構(gòu)

　　嵌入式軟件構(gòu)件平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括系統(tǒng)層、連接層(支撐層)和應用層3個部分。系統(tǒng)層屬于領域工程的范疇，它利用領域工程的分析方法對嵌入式控制系統(tǒng)進行分析、抽象和提煉，并分解成相應的系統(tǒng)類和應用類功能模塊。連接層是一個嵌入式軟件構(gòu)件平臺，它實現(xiàn)系統(tǒng)層和應用層之間的無縫連接，即提供軟件構(gòu)件一個集成開發(fā)平臺。應用層屬于應用工程的范疇，用戶根據(jù)實際的嵌入式控制系統(tǒng)的控制要求和目標，從軟件構(gòu)件庫中選取所需軟件構(gòu)件，經(jīng)集成后生成實際的嵌入式控制應用程序。

　　2 嵌入式軟件構(gòu)件平臺的設計

　　該軟件構(gòu)件平臺是基于TMS320F2812 DSP芯片構(gòu)建的一個構(gòu)件化的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)。在設計時充分利用了平臺體系結(jié)構(gòu)所述的設計思想，程序的可讀性和裁剪性非常好。其特點是：

　?、僭O計了操作系統(tǒng)和系統(tǒng)兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了方便支撐平臺的設計和對系統(tǒng)資源的集中管理，設計了操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為平臺設計者獨占，用戶沒有訪問該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的權(quán)限；另外，為了便于用戶程序與操作系統(tǒng)之間的交互以及對系統(tǒng)資源的訪問、申請，設計了系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用戶是可見的，也是應用程序訪問操作系統(tǒng)的唯一途徑。

　?、谂渲昧艘粋€最小系統(tǒng)。其主要功能是當接到啟動指令后對指令進行確認并判斷啟動方式；然后，根據(jù)啟動方式完成微處理器的CPU寄存器和一些外圍寄存器的初始化，并且對操作系統(tǒng)和系統(tǒng)兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行初始賦值。但它不能實現(xiàn)任何的控制功能，完成初始化后就處于系統(tǒng)掃描狀態(tài)。

　?、巯到y(tǒng)設計的任務數(shù)小于或等于16(即一個字長)，這樣一來任務的調(diào)度算法相對比較簡單，而且完全能夠滿足嵌入式實時控制系統(tǒng)應用的要求。每一個任務指定唯一的優(yōu)先級，其任務優(yōu)先級與任務標識一致，優(yōu)先級越高的任務其優(yōu)先級ID就越低。可供任務選擇的優(yōu)先級ID范圍是0～15，其中系統(tǒng)保留了最高和最低優(yōu)先級任務。通信及系統(tǒng)同步采用了信號量方式(可以擴展)，設計了P操作和V操作兩種軟件構(gòu)件，對系統(tǒng)進行通信和同步管理；同時，設計了創(chuàng)建任務和任務開始兩個軟件構(gòu)件，分別為任務的建立和結(jié)束提供系統(tǒng)管理。

　?、茉O計了任務調(diào)度、任務切換、任務上鎖、虛擬消息等軟件構(gòu)件，實現(xiàn)系統(tǒng)對多任務的控制和管理。為了方便系統(tǒng)的任務切換，整個支撐平臺系統(tǒng)設計了兩類堆棧——系統(tǒng)堆棧和任務堆棧。

　　2.1 構(gòu)件接口軟件的設計

　　由于本構(gòu)件裝配是采用語言組態(tài)的軟件構(gòu)件集成方式，因此接口的定義類似于組態(tài)入口參數(shù)序列。它主要包含軟件構(gòu)件標識信息、軟件構(gòu)件注冊信息及軟件構(gòu)件的配置信息。標識信息識別目前所用的是哪一個軟件構(gòu)件，并給出了軟件構(gòu)件的切入點(虛擬地址指針)；注冊信息包含軟件構(gòu)件向操作系統(tǒng)申請的系統(tǒng)服務和系統(tǒng)資源，操作系統(tǒng)在得到注冊信息后，為軟件構(gòu)件提供相應的系統(tǒng)服務和分配所需的系統(tǒng)資源；配置信息包括軟件構(gòu)件在不同的系統(tǒng)狀態(tài)下所需的參數(shù)信息，它可以以數(shù)據(jù)或地址的狀態(tài)給出。接口類軟件主要是完成應用程序與支撐平臺的交互，起到一個系統(tǒng)接口界面的作用，方便了用戶對支撐平臺的訪問。它包括錯誤觀察WatchErr()、參數(shù)注冊SysCom-pReg、獲取整型量*GetAddN()、獲取浮點數(shù)*GetAddF()、獲取結(jié)構(gòu)體*GetAddS()、取開關量Sys_GetBit()、存開關量Sys_BitGetvalue()、浮點數(shù)上／下限限幅Sys_Fmaxmin()、整型量上／下限限幅Sys_Nmaxmin()等函數(shù)。

　　2.2 系統(tǒng)配置類軟件構(gòu)件的設計

　　這類構(gòu)件在系統(tǒng)軟件集成時最多只能使用一次，主要完成系統(tǒng)資源的配置以及一些系統(tǒng)功能的啟用，包括系統(tǒng)開始、系統(tǒng)結(jié)束、擴展、擴展內(nèi)存等構(gòu)件。

　　2.2.1 設計系統(tǒng)開始構(gòu)件

　　一個嵌入式控制應用程序必須包括且僅包括一個系統(tǒng)開始構(gòu)件，而且該構(gòu)件位于軟件構(gòu)件組態(tài)集成序列的末端。系統(tǒng)循環(huán)掃描一開始時，首先進入的便是該構(gòu)件。該構(gòu)件的功能是根據(jù)系統(tǒng)所處的系統(tǒng)狀態(tài)，對系統(tǒng)參數(shù)、程序空間進行配置。其接口定義如下：

　　接口說明：構(gòu)件號是該構(gòu)件的唯一標識和切入點(該構(gòu)件入口虛擬程序地址指針)；啟動選擇方式主要用于設定系統(tǒng)的啟動方式；缺省通信方式主要是從CAN、MORDBUS和工業(yè)以太網(wǎng)中選擇一種作為系統(tǒng)默認的通信方式；外部高速和低速時鐘頻率用于設置高速和低速外圍所需的時鐘頻率，即可以修改最小系統(tǒng)中的初始配置；系統(tǒng)口令主要保證系統(tǒng)的安全性，不允許隨意修改組態(tài)集成格式；系統(tǒng)型號和裝配日期給出了系統(tǒng)軟件集成的一些文本信息。設計者可以根據(jù)系統(tǒng)設計需要，在構(gòu)件組態(tài)集成時自由配置。

　　2.2.2 設計擴展構(gòu)件

　　由于系統(tǒng)設計時，在系統(tǒng)總配置表單中規(guī)定了最大的原始構(gòu)件數(shù)小于或等于511，因此當系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)目超過原始構(gòu)件個數(shù)時，必須通過擴展構(gòu)件來擴展系統(tǒng)構(gòu)件。擴展構(gòu)件的接口定義如下：

　　接口說明：為了方便擴展構(gòu)件，該接口設計為比較靈活的方式。它僅指出了擴展構(gòu)件的地址，而擴展的構(gòu)件個數(shù)由組態(tài)集成結(jié)束標識0來終結(jié)組態(tài)接口參數(shù)的設置。

　　2.2.3 設計擴展內(nèi)存構(gòu)件

　　在支撐平臺的設計中，根據(jù)嵌入式控制應用程序的需要，將系統(tǒng)的整個內(nèi)存空間劃分為4大塊，每一塊有固定的長度和使用域。當應用程序?qū)?nèi)存的需求超出設計范圍時，可以利用擴展內(nèi)存構(gòu)件對內(nèi)存進行擴展。其接口定義如下：

　　2.2.4 設計系統(tǒng)結(jié)束構(gòu)件

　　系統(tǒng)結(jié)束構(gòu)件固定位于軟件組態(tài)集成序列的前端，即組態(tài)集成號為0。它在系統(tǒng)軟件構(gòu)件組態(tài)集成完畢后、即將進入系統(tǒng)運行時啟用該構(gòu)件，即處于系統(tǒng)循環(huán)的最后。它在系統(tǒng)工作狀態(tài)工作，執(zhí)行返回軟件組態(tài)集成序列起始地址的功能。在系統(tǒng)初始化狀態(tài)時，完成標定數(shù)據(jù)和一般數(shù)據(jù)的獲取和保存，并執(zhí)行啟動系統(tǒng)時鐘和看門狗，以及返回組態(tài)序列起始地址等系統(tǒng)功能。接口參數(shù)僅有一個標識該構(gòu)件的構(gòu)件號0。

　　2.3 系統(tǒng)任務類軟件構(gòu)件的設計

　　任務創(chuàng)建構(gòu)件Task：一般的多任務操作系統(tǒng)運行之前，系統(tǒng)必須至少建立一個任務，一般是一個空閑任務，其他任務可以在程序運行的過程中創(chuàng)建。但在本支撐平臺的設計中，鑒于一個實際的嵌入式控制應用程序的任務數(shù)事先是可以確定的，因而設計了任務創(chuàng)建構(gòu)件，可以利用該構(gòu)件在應用程序的軟件集成過程中創(chuàng)建所需的任務。該構(gòu)件的組態(tài)集成接口定義如下：

　　設計說明：每定義一個任務使用一次該構(gòu)件。任務號是外指針，用戶可見，里面包含虛擬程序地址指針、任務優(yōu)先級等信息；系統(tǒng)為每個任務分配了堆?？臻g，由于任務的不同，可能對系統(tǒng)資源的需求也不同，為了節(jié)省整個系統(tǒng)的內(nèi)存空間，用戶可以從組態(tài)集成接口直接指定任務堆棧的大??；為了跟蹤任務的運行時間和任務定時，在接口中設計了時間單位和時間長度2個參數(shù)，對任務的運行時間進行統(tǒng)計和定時計數(shù)。另外，為了方便任務切換，整個支撐平臺設計了兩類堆棧，即系統(tǒng)堆棧和任務堆棧。因此在建立任務時，要根據(jù)所處的系統(tǒng)狀態(tài)，對每一個任務的任務堆棧進行初始化設置。

　　2.4 通信和同步管理類軟件構(gòu)件的設計

　　任務間的通信有2種途徑：通過全程變量，或發(fā)消息給另一個任務。使用全程變量時，必須保證每個任務或中斷服務程序獨享該變量。中斷服務中保證獨享的唯一辦法是關中斷。如果兩個任務共享某變量，各任務實現(xiàn)獨享該變量的辦法可以是關中斷再開中斷，或使用信號量。在支撐平臺的設計中，采用了信號量方式進行系統(tǒng)的通信和同步管理，包括P操作PSema和V操作VSema兩種軟件構(gòu)件。

　　P操作軟件構(gòu)件實現(xiàn)下列功能：在系統(tǒng)注冊狀態(tài)完成注冊表的填寫，向系統(tǒng)申請所需的系統(tǒng)資源；在系統(tǒng)參數(shù)初始化狀態(tài)完成信號量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化；在系統(tǒng)工作狀態(tài)，如果信號量大于零(即信號量可用)，則信號量減1，否則表示信號量不可用，進行任務懸掛操作和任務切換。其接口定義如下：

　　接口說明：信號量地址是外指針，用戶可見，是信號量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的入口點；信號量初值若設為1，則表示任務通信，若為0，則表示任務同步。

　　V操作軟件構(gòu)件只在系統(tǒng)工作狀態(tài)下工作，與P操作軟件構(gòu)件公用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它首先將信號量減1，然后判斷信號量是否大于零。若大于零，表示公共資源可用，則使所給定任務就緒，并進行任務調(diào)度和切換。其接口如下：

　　由于采用構(gòu)件化的設計方式，系統(tǒng)通信和同步方式可以自由擴展。比如說可以在支撐平臺添加郵箱或消息隊列構(gòu)件，采用哪種通信和同步方式主要根據(jù)系統(tǒng)的設計需要而定。

　　3 集成開發(fā)環(huán)境

　　本課題組采用微型消息總線MMB嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境(MMBIDE)應用程序編程語言引入IEC611 31-3標準，將結(jié)構(gòu)化語句(Structured Text)描述程序設計語言作為自身嵌入式系統(tǒng)應用軟件的編程語言。這主要是考慮到MMB嵌入式系統(tǒng)應用于工業(yè)控制領域，要求能夠自身可以完成較復雜的控制運算，同時要求語句清晰、易懂，具有編程任務高度壓縮化的表達格式。采用交叉開發(fā)方法，在Windows主機平臺上開發(fā)與之連接的目標機。開發(fā)環(huán)境包括自己的可裁剪的微內(nèi)核實時多任務操作系統(tǒng)，主機上的編譯、調(diào)試、查看等工具，以及串口、網(wǎng)絡與目標機的連接工具。其主要功能包括面向工業(yè)應用領域的應用程序基本框架、可重用的構(gòu)件庫、源程序編譯器、組態(tài)下載用戶工具、參數(shù)下載用戶工具、參數(shù)實時監(jiān)控界面等用于支撐應用程序開發(fā)的各類用戶工具，是用戶開發(fā)應用程序的重要基礎，強調(diào)知識成果的積累和重用，是平臺開發(fā)模式思想的集中體現(xiàn)。

　　結(jié) 語

　　本軟件開發(fā)平臺應用軟件構(gòu)件技術主要解決下列問題：軟件構(gòu)件的接口定義，提供軟件構(gòu)件與系統(tǒng)以及軟件構(gòu)件之間的交互機制，同時為軟件構(gòu)件的設計和封裝提供依據(jù)。軟件構(gòu)件的開發(fā)和集成，為軟件構(gòu)件的設計和集成提供必要的開發(fā)工具。本文介紹了其中主要的系統(tǒng)級軟件構(gòu)件的開發(fā)方法，為系統(tǒng)集成各種應用級軟件提供了總體框架，解決了控制系統(tǒng)應用軟件難維護、難繼承的問題，為控制類應用軟件的開發(fā)提供了依據(jù)。