PBO技術及實時嵌入式軟件開發(fā)

摘要：介紹PB0技術及其特點，這種技術支持軟件重用和動態(tài)可重配置；分析其應用于航空航天器等實時裝入式軟件開發(fā)過程中的優(yōu)勢與困難。

關鍵詞：軟件重用 動態(tài)可重配置 實時裝入式軟件

1 PBO技術[1]

PBO（Port-Based Object）技術[1]是一種可用于軟件工程的新技術，特別適合于動態(tài)可重配置實時軟件（DRRTS）的開發(fā)。DRRTS可以在線配置，無需重新編譯和連接，也就可以不必關閉和重新啟動系統(tǒng)，從而滿足某些系統(tǒng)需要連續(xù)不停地運行和升級的要求。每一個PBO相當于一個組件，結構如圖1所示。左右兩邊分別是變量輸入和輸出端口，上面是其配置常端口，下面是其與傳統(tǒng)器與機械臂通信的源端口。每一個PBO進程都有相同的有限狀態(tài)機，如圖2所示。它有4種狀態(tài)（用橢圓表示）：未建立、錯誤、OFF和ON。狀態(tài)之間可以互相轉化。這使得每一個PBO的代碼有著相同的結構，包含著同樣的方法，只是其中的方法處理過程不同。實際應用中，可以建立一個PBO庫，庫中的每一個PBO組件都可以作為軟件重用的模塊，在需要的時候可以將它們動態(tài)地配置。圖3是一個PBO相互連接組合的實例。PBO的參數(shù)用局部變量表和全局變量表兩級存儲，進程之間的通信通過共享全局變量存儲器來實現(xiàn)。圖4是PBO進行狀態(tài)變量兩級存儲結構圖。每當進程開始執(zhí)行一個循環(huán)時，從全局變量表中讀入變量，執(zhí)行完畢中，再把變量寫入全局變量表。

2 PBO技術的特點

對于基于實時操作系統(tǒng)（RTOS）上的控制系統(tǒng)軟件，采用PBO技術，可以從系統(tǒng)體系結構到代碼實現(xiàn)的各階段加快軟件開發(fā)速度。PBO技術遵循高內聚、低耦合的封裝設計思想，整個系統(tǒng)由多個可配置組件組成。按照這種框架，可以使用當今流行的面向對象設計模式，采用消息驅動；但實時嵌入式軟件是面向實時系統(tǒng)的，要求高速有效，消息驅動有時不能滿足這個要求。PBO設計方法中，數(shù)據(jù)的傳遞是通過共享存儲器實現(xiàn)的，這樣設計滿足了硬件的低負荷工作和數(shù)據(jù)的更新速度要求。每個組件與外界的聯(lián)系由四個端口（port）組成。內部實現(xiàn)黑箱操作。采用兩級存儲保存數(shù)據(jù)，力圖實現(xiàn)最大限度減少訪問沖突，減少組件間的依賴性。PBO技術結合了端口自動代數(shù)模型和對象的軟件抽象[1]。每一個PBO相當于一個控制系統(tǒng)，可以用傳遞函數(shù)來表示，由此，可以采用精確的數(shù)學方法對子進行描述和驗證。每一個PBO也是一個標準化了的對象，即所有的PBO有著同樣的結構和同樣的有限狀態(tài)機，它和外界的接口也是標準經(jīng)的。PBO的執(zhí)行是互相獨立的，并行的，不需要同步，使得PBO之間的依賴降低到最低的限度，可以動態(tài)地加入或退出某個PBO。PBO相當于一個即插即用的軟件組件，可以通過重新配置以適合需求。所以，采用PBO技術開發(fā)的軟件具有開放性，易于修改和升級。

3 PBO技術中實時軟件的特點[2]

實時軟件要求極端的可靠性。許多系統(tǒng)一經(jīng)啟動，要連續(xù)不斷運行。采用PBO可實現(xiàn)動態(tài)重配置，重配置時間開銷對于系統(tǒng)運行幾乎不受影響，滿足這類實時系統(tǒng)修改和升級的要求。采用PBO技術設計的軟件，數(shù)據(jù)通過共享存儲器，能夠實現(xiàn)高速運行，提高設備采樣率，也使得任何信息能夠隨時處理，滿足實時系統(tǒng)及時性要求，這樣也就保證系統(tǒng)產生的結果在時間上具有嚴格的正確性。基于普通模塊設計的軟件，采用消息傳統(tǒng)機制，可能由于消息的阻塞而使事件處理的及時性得不到保證；而PBO技術通過共享變量表實現(xiàn)通信，鎖定CPU時傳輸?shù)淖兞亢苌?，等待資源的CPU能夠很快獲得所需的資源，保證實時系統(tǒng)能夠及時處理各種事情。由于許多PBO進程在多CPU上獨立并行，可同時處理數(shù)據(jù)的輸入或輸出，也滿足了實時系統(tǒng)同時性的要求。

4 關于軟件測試的問題[2,3]

由于實時系統(tǒng)具有很高的可靠性要求，因此，對其的測試不僅要針對系統(tǒng)的功能行為，還要針對系統(tǒng)的時序行為，所以嵌入式實時系統(tǒng)的測試是軟件界公認難點。由于某些行為只在特定的系統(tǒng)狀態(tài)下和某些特定的事件序列到達時才會發(fā)生，為了避免軟件缺陷，需要精心設計測試用例并保證足夠的測試覆蓋率。在PBO技術中，進程的調度通過實時操作系統(tǒng)（RTOS）實現(xiàn)，使得對共享存儲器訪問的時序列加隨機和不可預測，各種可能的情形也更多，相對測試的覆蓋面隨之減少。基于PBO軟件技術的架構不同于其它傳統(tǒng)實時軟件技術構架，隨之對測試環(huán)境的模擬也新的要求，各個PBO之間是獨立開發(fā)的，對應的測試要求與之相應。這增加了對測試環(huán)境要求的難度，而且各個PBO之間輸入輸出數(shù)據(jù)的測試也變得更為復雜。對于在非正常環(huán)境下，測試的結果也更難預料和把握。另外，一般嵌入式軟件測試時，模擬運行速度與其實際執(zhí)行速度不同，仍將此方法運用于基于PBO技術的軟件測試，會掩蓋軟件中許多錯誤。所以，采用PBO技術，有可能增加軟件測試的難度。

5 軟件重用與動態(tài)可重配置[4]

每一個PBO是一個軟件重用的構件，它有著標準的接口和開放的擴展性。這種軟件重用是一種二時進代碼級的重用，擺脫了編程語言的限制，能夠即插即用。采用一組PBO的組合，就形成了一種配置，這種配置可以實現(xiàn)一定的功能，滿足實時系統(tǒng)的需要。隨著時間的推移和技術的發(fā)展，需求會逐漸發(fā)生變化，因此，采用部分原PBO再加入一些新PBO，以構造一種新的配置，滿足變化后的需求。通過軟件重用，可以降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)時間，不斷滿足實時軟件變化的要求。

6 PBO技術應用開實時嵌入式軟件開發(fā)

在航空航天器的軟件設計中，由于其造價非常高，因此希望它能夠具有更多的功能。但是這類軟件必須面臨存儲空間受限，運算能力有限的硬件限制。我們不可能制作一個滿足各種功能的軟件，因為這樣的軟件必然相當龐大，修改和升級都非常困難。PBO技術適合于這類軟件的開發(fā)，因此它能很好地支持軟件重用和動態(tài)重配置。我們可以將一些PBO進行組合，使其具有一定功能，當其完成某項任務后，就可以采用動態(tài)重配置，使其具有新的功能，完成新的任務。PBO技術基于精確的理論模型，可以在此基礎上進行嚴格的數(shù)學分析，完成規(guī)范的程序設計，保證軟件系統(tǒng)的可靠性。將來可以將其應用于需求分析中[5]，采用形式化的方法建立規(guī)格說明，從而實現(xiàn)從需求分析直到代碼實現(xiàn)的全過程形式化設計。

但是，PBO技術運用于這類軟件也可能面臨一些問題。PBO之間的信息交換非常有限，這對于大數(shù)據(jù)量處理必須另辟捷徑。在航空航天器中，經(jīng)常要處理拍攝的各種圖片和大量的傳感器數(shù)據(jù)，還要將它們及時發(fā)回地面控制中心，這些都必須重新考慮。許多PBO進程運行于多處理器上，它們之間協(xié)同工作要進行的網(wǎng)絡計算也不容易。在PBO組件數(shù)目較多時，數(shù)據(jù)復制機制能否具有高可靠性和及時性也都是可能遇到的問題。