嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件的軟總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：本文提出在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上建立實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件系統(tǒng)時(shí),使用軟總線提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層以處理多任務(wù)間共享資源的構(gòu)架方式。該方案封裝各種共享資源的操作,在操作系統(tǒng)上構(gòu)建使資源對(duì)于其他系統(tǒng)任務(wù)模塊構(gòu)建者透明的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)接口。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dú)立性的矛盾而可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

1．引言

隨著大型嵌入式系統(tǒng)向著集成化和多元化方向的發(fā)展，嵌入式軟件系統(tǒng)的復(fù)雜度也日益增大。在集成多個(gè)硬件工作模塊組成的復(fù)雜系統(tǒng)中，要求軟件系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)控多個(gè)模塊的同步工作，軟件設(shè)計(jì)要求做到實(shí)時(shí)多任務(wù)。針對(duì)軟件設(shè)計(jì)的要求，采用基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)提供的底層任務(wù)調(diào)度機(jī)制，建立軟件架構(gòu)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(tǒng)，建立軟件架構(gòu)時(shí)采用軟總線提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層的架構(gòu)模式。針對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，分析任務(wù)調(diào)度與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層。針對(duì)資源共享與任務(wù)進(jìn)程獨(dú)立性等問題，提出軟總線在共享數(shù)據(jù)維護(hù)上的優(yōu)勢(shì)。

2．任務(wù)調(diào)度、共享資源與軟總線結(jié)構(gòu)研究

2.1 嵌入式開發(fā)任務(wù)調(diào)度和資源共享

目前主要的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（VxWorks，嵌入式Linux，WinCE）的任務(wù)調(diào)度均采用對(duì)于不同優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度，對(duì)同優(yōu)先級(jí)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方法。為使低優(yōu)先級(jí)任務(wù)能得到運(yùn)行，軟件需要能阻塞高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，同時(shí)也要能使被阻塞的任務(wù)重新就緒運(yùn)行。操作系統(tǒng)對(duì)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(gòu)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(diào)度靈活性較差，同時(shí)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)對(duì)進(jìn)程間通信資源的占用也始終處于劣勢(shì)。任務(wù)進(jìn)程較多復(fù)雜軟件系統(tǒng)中，無(wú)法避免的會(huì)出現(xiàn)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(duì)自身資源進(jìn)行管理，但對(duì)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(nèi)部的意外可能通過這些資源蔓延到其他進(jìn)程，如：進(jìn)程內(nèi)部意外的對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，有獨(dú)立于各個(gè)進(jìn)程之外的總體的對(duì)資源管理的模塊。

2.2 軟總線結(jié)構(gòu)

在此，本文提出軟總線結(jié)構(gòu)來架構(gòu)復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，以解決任務(wù)調(diào)度和資源管理上的困難。軟總線是封裝了操作系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)程間通信資源，共享內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的資源申請(qǐng)、使用及回收接口，任務(wù)進(jìn)程使用該接口及協(xié)議的標(biāo)識(shí)進(jìn)行資源的共享。

首先，軟總線封裝了各種進(jìn)程可能共享的資源，獨(dú)立于進(jìn)程之外對(duì)資源進(jìn)行管理，使共享資源對(duì)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(shù)據(jù)，實(shí)際是總線上數(shù)據(jù)的副本，而所有關(guān)于總線上數(shù)據(jù)的更新都需要總線模塊的認(rèn)證，以避免出錯(cuò)?？偩€模塊在操作系統(tǒng)底層調(diào)用的基礎(chǔ)上，通過封裝資源、提供接口，構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層。同時(shí)，由于軟總線的封裝，使得在構(gòu)建軟件系統(tǒng)時(shí)，對(duì)進(jìn)程的調(diào)度需要通過軟總線來實(shí)施。如果在總線模塊處加載系統(tǒng)的調(diào)度策略，可以更靈活有效地對(duì)每個(gè)資源進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。使得一方面降低了在開發(fā)初期為任務(wù)進(jìn)程設(shè)置合理優(yōu)先級(jí)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)，以軟總線架構(gòu)底層數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式構(gòu)建實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件系統(tǒng)，可以有效地保護(hù)和管理共享資源并更為簡(jiǎn)單靈活對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。

3．軟總線軟件架構(gòu)方案

本設(shè)計(jì)基于Vxworks操作系統(tǒng)，試驗(yàn)平臺(tái)包括通信、存儲(chǔ)、復(fù)接、硬件總線與主控計(jì)算機(jī)等硬件電路板，及與硬件相對(duì)應(yīng)的軟件功能模塊。

3.1 軟件架構(gòu)整體方案

本設(shè)計(jì)中，軟總線封裝的操作系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存、信號(hào)量以及消息隊(duì)列的創(chuàng)建、刪除及使用等操作。上層與硬件功能對(duì)應(yīng)的軟件任務(wù)模塊需要通過軟總線進(jìn)行對(duì)資源操作。具體的結(jié)構(gòu)如圖1 所示：對(duì)于功能模塊本地化的資源，不強(qiáng)制要求使用軟總線操作。

圖1 軟總線架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

3.2 軟總線詳細(xì)設(shè)計(jì)

對(duì)于軟總線結(jié)構(gòu)的架構(gòu)方式，設(shè)計(jì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)就是軟總線模塊。該模塊負(fù)責(zé)對(duì)操作系統(tǒng)的資源封裝和上層功能模塊的資源使用請(qǐng)求處理。本設(shè)計(jì)中，將軟總線分成兩個(gè)主要的部分：資源池和管理表。資源池是軟總線模塊開辟的內(nèi)存區(qū)域，在內(nèi)存池上進(jìn)行系統(tǒng)其他功能模塊的共享資源的創(chuàng)建。

軟總線引入了以下操作特性：資源創(chuàng)建于軟總線的資源池，功能模塊通過標(biāo)示符來間接地使用資源，資源使用需要經(jīng)過軟總線的驗(yàn)證，多個(gè)進(jìn)程對(duì)同一資源會(huì)有不同的操作方式和優(yōu)先級(jí)，不同的資源有不同的調(diào)度策略。針對(duì)這些特性，就需要有相應(yīng)的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要維護(hù)資源與標(biāo)示符之間的關(guān)聯(lián)、任務(wù)進(jìn)程對(duì)資源的相關(guān)操作參數(shù)、資源特有的調(diào)度策略等。本文設(shè)計(jì)中軟總線主要使用四個(gè)表格存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)信息，其詳細(xì)設(shè)計(jì)圖如圖2：

圖2 軟總線詳細(xì)設(shè)計(jì)圖

3.3 資源使用調(diào)度詳細(xì)設(shè)計(jì)

為了保證資源的安全性，系統(tǒng)要求進(jìn)程在使用資源的時(shí)候先進(jìn)行進(jìn)程注冊(cè)和資源申請(qǐng)。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)資源使用的行為進(jìn)行比較嚴(yán)格的檢測(cè)。因此，進(jìn)程使用資源分為三步：進(jìn)程注冊(cè)，進(jìn)程申請(qǐng)資源及進(jìn)程使用資源。進(jìn)程注冊(cè)是在進(jìn)程建立的時(shí)候，同時(shí)將進(jìn)程信息寫入軟總線的進(jìn)程表加以保存。進(jìn)程申請(qǐng)資源通常在進(jìn)程建立以后第一次工作時(shí)完成，類似對(duì)資源的初始化。進(jìn)程申請(qǐng)資源要求進(jìn)程在軟總線已經(jīng)注冊(cè)，同時(shí)要求進(jìn)程對(duì)資源的參數(shù)限定符合該資源。進(jìn)程使用標(biāo)識(shí)符來標(biāo)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(shù)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(duì)參數(shù)，如果一致，直接關(guān)聯(lián)進(jìn)程，否則出錯(cuò)處理。出錯(cuò)處理產(chǎn)生以“標(biāo)識(shí)符_進(jìn)程編號(hào)”為標(biāo)識(shí)的副本，以進(jìn)一步的使用，當(dāng)然同時(shí)會(huì)有出錯(cuò)提示。[!--empirenews.page--]

資源使用要求進(jìn)程和資源已經(jīng)關(guān)聯(lián)。同時(shí)使用的過程中，進(jìn)程操作的是數(shù)據(jù)的副本，而對(duì)資源的更新是要受到系統(tǒng)的檢測(cè)的。這次，副本數(shù)據(jù)的更新是實(shí)時(shí)的，這樣就避免出現(xiàn)同步的問題。資源調(diào)度也會(huì)在資源獲取前依據(jù)資源調(diào)度表中的信息進(jìn)行。進(jìn)程對(duì)資源申請(qǐng)和使用的詳細(xì)調(diào)度如圖 3 所示：
 

圖3 進(jìn)程對(duì)資源申請(qǐng)和使用的詳細(xì)調(diào)度圖

3.4 系統(tǒng)驗(yàn)證和安全性模擬實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過驗(yàn)證，該系統(tǒng)*能模塊使用軟總線提供的接口操作資源，其速度和效率不低于使用未封裝的資源。同時(shí)，軟總線的封裝使得資源對(duì)功能模塊透明，而且使用資源時(shí)還要求對(duì)其進(jìn)行較強(qiáng)的驗(yàn)證，因此資源的安全性及系統(tǒng)的健壯性得到了較大幅度的提高。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性健壯性，我們進(jìn)行了安全測(cè)試。在測(cè)試中，模擬了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種安全漏洞。同時(shí)，與使用非軟總線結(jié)構(gòu)，對(duì)資源不進(jìn)行強(qiáng)驗(yàn)證的系統(tǒng)進(jìn)行比較。結(jié)果如表1：

如上表所示，使用軟總線架構(gòu)，系統(tǒng)具有更強(qiáng)的安全性和健壯性。

4．結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了使用軟總線封裝系統(tǒng)資源，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式軟件的架構(gòu)方式。通過實(shí)際的工程實(shí)踐，給出軟總線的設(shè)計(jì)方案。文章通過理論分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比指出了這種架構(gòu)方式在處理多任務(wù)調(diào)度和資源共享上相對(duì)普通架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。