嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件的軟總線(xiàn)結構設計

摘要：本文提出在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統上建立實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件系統時(shí),使用軟總線(xiàn)提供數據驅動(dòng)層以處理多任務(wù)間共享資源的構架方式。該方案封裝各種共享資源的操作,在操作系統上構建使資源對于其他系統任務(wù)模塊構建者透明的數據驅動(dòng)接口。實(shí)驗結果表明該方案能較好的為各任務(wù)進(jìn)程提供共享資源建立和使用的接口,同時(shí)有效地屏蔽由于進(jìn)程資源共享與進(jìn)程獨立性的矛盾而可能產(chǎn)生的錯誤。

1．引言

隨著(zhù)大型嵌入式系統向著(zhù)集成化和多元化方向的發(fā)展，嵌入式軟件系統的復雜度也日益增大。在集成多個(gè)硬件工作模塊組成的復雜系統中，要求軟件系統能同時(shí)測控多個(gè)模塊的同步工作，軟件設計要求做到實(shí)時(shí)多任務(wù)。針對軟件設計的要求，采用基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統提供的底層任務(wù)調度機制，建立軟件架構成為較好的選擇。本文提出了基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，建立軟件架構時(shí)采用軟總線(xiàn)提供數據驅動(dòng)層的架構模式。針對實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，分析任務(wù)調度與數據驅動(dòng)層。針對資源共享與任務(wù)進(jìn)程獨立性等問(wèn)題，提出軟總線(xiàn)在共享數據維護上的優(yōu)勢。

2．任務(wù)調度、共享資源與軟總線(xiàn)結構研究

2.1 嵌入式開(kāi)發(fā)任務(wù)調度和資源共享

目前主要的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統（VxWorks，嵌入式Linux，WinCE）的任務(wù)調度均采用對于不同優(yōu)先級搶占式調度，對同優(yōu)先級采用時(shí)間片輪轉調度的方法。為使低優(yōu)先級任務(wù)能得到運行，軟件需要能阻塞高優(yōu)先級任務(wù)，同時(shí)也要能使被阻塞的任務(wù)重新就緒運行。操作系統對進(jìn)程間通信資源的操作能產(chǎn)生這樣的效果，所以在架構軟件時(shí)，常借助進(jìn)程間通信資源的使用。然而采用這樣的方式，調度靈活性較差，同時(shí)低優(yōu)先級任務(wù)對進(jìn)程間通信資源的占用也始終處于劣勢。任務(wù)進(jìn)程較多復雜軟件系統中，無(wú)法避免的會(huì )出現多進(jìn)程共用資源的情況，事實(shí)上進(jìn)程通信資源也是一種多進(jìn)程共用的資源。進(jìn)程可以對自身資源進(jìn)行管理，但對于這些共享的資源，就無(wú)法只由共享者中的某一個(gè)進(jìn)行管理。而這個(gè)管理卻是必要的，否則進(jìn)程內部的意外可能通過(guò)這些資源蔓延到其他進(jìn)程，如：進(jìn)程內部意外的對資源地址賦空,就會(huì )使其他共享該資源的進(jìn)程在使用該資源時(shí)崩潰。這就要求在系統設計時(shí)，有獨立于各個(gè)進(jìn)程之外的總體的對資源管理的模塊。

2.2 軟總線(xiàn)結構

在此，本文提出軟總線(xiàn)結構來(lái)架構復雜的軟件系統，以解決任務(wù)調度和資源管理上的困難。軟總線(xiàn)是封裝了操作系統對于進(jìn)程間通信資源，共享內存等有多個(gè)進(jìn)程共同使用的資源操作的模塊。該模塊為任務(wù)進(jìn)程模塊提供標準的資源申請、使用及回收接口，任務(wù)進(jìn)程使用該接口及協(xié)議的標識進(jìn)行資源的共享。

首先，軟總線(xiàn)封裝了各種進(jìn)程可能共享的資源，獨立于進(jìn)程之外對資源進(jìn)行管理，使共享資源對于任務(wù)進(jìn)程透明，任務(wù)進(jìn)程無(wú)法直接操作資源。這樣的處理方式使得資源本身不能被任務(wù)進(jìn)程修改或破壞。任務(wù)進(jìn)程獲取的數據，實(shí)際是總線(xiàn)上數據的副本，而所有關(guān)于總線(xiàn)上數據的更新都需要總線(xiàn)模塊的認證，以避免出錯?？偩€(xiàn)模塊在操作系統底層調用的基礎上，通過(guò)封裝資源、提供接口，構建了一個(gè)數據驅動(dòng)層。同時(shí)，由于軟總線(xiàn)的封裝，使得在構建軟件系統時(shí)，對進(jìn)程的調度需要通過(guò)軟總線(xiàn)來(lái)實(shí)施。如果在總線(xiàn)模塊處加載系統的調度策略，可以更靈活有效地對每個(gè)資源進(jìn)行任務(wù)的調度。使得一方面降低了在開(kāi)發(fā)初期為任務(wù)進(jìn)程設置合理優(yōu)先級的難度，一方面也使得不同任務(wù)能在不同的資源處能有更為靈活的優(yōu)先策略。

綜合以上兩點(diǎn)，以軟總線(xiàn)架構底層數據驅動(dòng)的方式構建實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件系統，可以有效地保護和管理共享資源并更為簡(jiǎn)單靈活對系統進(jìn)行調度。

3．軟總線(xiàn)軟件架構方案

本設計基于Vxworks操作系統，試驗平臺包括通信、存儲、復接、硬件總線(xiàn)與主控計算機等硬件電路板，及與硬件相對應的軟件功能模塊。

3.1 軟件架構整體方案

本設計中，軟總線(xiàn)封裝的操作系統對于內存、信號量以及消息隊列的創(chuàng )建、刪除及使用等操作。上層與硬件功能對應的軟件任務(wù)模塊需要通過(guò)軟總線(xiàn)進(jìn)行對資源操作。具體的結構如圖1 所示：對于功能模塊本地化的資源，不強制要求使用軟總線(xiàn)操作。

圖1 軟總線(xiàn)架構設計框圖

3.2 軟總線(xiàn)詳細設計

對于軟總線(xiàn)結構的架構方式，設計關(guān)鍵節點(diǎn)就是軟總線(xiàn)模塊。該模塊負責對操作系統的資源封裝和上層功能模塊的資源使用請求處理。本設計中，將軟總線(xiàn)分成兩個(gè)主要的部分：資源池和管理表。資源池是軟總線(xiàn)模塊開(kāi)辟的內存區域，在內存池上進(jìn)行系統其他功能模塊的共享資源的創(chuàng )建。

軟總線(xiàn)引入了以下操作特性：資源創(chuàng )建于軟總線(xiàn)的資源池，功能模塊通過(guò)標示符來(lái)間接地使用資源，資源使用需要經(jīng)過(guò)軟總線(xiàn)的驗證，多個(gè)進(jìn)程對同一資源會(huì )有不同的操作方式和優(yōu)先級，不同的資源有不同的調度策略。針對這些特性，就需要有相應的管理系統。該系統需要維護資源與標示符之間的關(guān)聯(lián)、任務(wù)進(jìn)程對資源的相關(guān)操作參數、資源特有的調度策略等。本文設計中軟總線(xiàn)主要使用四個(gè)表格存儲關(guān)聯(lián)信息，其詳細設計圖如圖2：

圖2 軟總線(xiàn)詳細設計圖

3.3 資源使用調度詳細設計

為了保證資源的安全性，系統要求進(jìn)程在使用資源的時(shí)候先進(jìn)行進(jìn)程注冊和資源申請。同時(shí)，系統對資源使用的行為進(jìn)行比較嚴格的檢測。因此，進(jìn)程使用資源分為三步：進(jìn)程注冊，進(jìn)程申請資源及進(jìn)程使用資源。進(jìn)程注冊是在進(jìn)程建立的時(shí)候，同時(shí)將進(jìn)程信息寫(xiě)入軟總線(xiàn)的進(jìn)程表加以保存。進(jìn)程申請資源通常在進(jìn)程建立以后第一次工作時(shí)完成，類(lèi)似對資源的初始化。進(jìn)程申請資源要求進(jìn)程在軟總線(xiàn)已經(jīng)注冊，同時(shí)要求進(jìn)程對資源的參數限定符合該資源。進(jìn)程使用標識符來(lái)標示所要使用的資源，如果該資源不存在，這以該進(jìn)程給定的參數在資源池中建立和初始化該資源并關(guān)聯(lián)進(jìn)程；如果資源存在，比對參數，如果一致，直接關(guān)聯(lián)進(jìn)程，否則出錯處理。出錯處理產(chǎn)生以“標識符_進(jìn)程編號”為標識的副本，以進(jìn)一步的使用，當然同時(shí)會(huì )有出錯提示。