軟總線架構(gòu)在實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用
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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。
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)度均采用對于不同優(yōu)先級搶占式調(diào)度，對同優(yōu)先級采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方法。為使低優(yōu)先級任務(wù)能得到運(yùn)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(yùn)行。操作系統(tǒng)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(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(fù)雜軟件系統(tǒng)中，無法避免的會出現(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)程可以對自身資源進(jìn)行管理，但對于這些共享的資源，就無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)部意外的對資源地址賦空,就會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、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單靈活對系統(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)平臺包括通信、存儲、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)對于內(nèi)存、信號量以及消息隊(duì)列的創(chuàng)建、刪除及使用等操作。上層與硬件功能對應(yīng)的軟件任務(wù)模塊需要通過軟總線進(jìn)行對資源操作。具體的結(jié)構(gòu)如圖1 所示：對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)對操作系統(tǒng)的資源封裝和上層功能模塊的資源使用請求處理。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。
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