軟總線架構在實時多任務軟件系統(tǒng)中的設計應用
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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)的復雜度也日益增大。在集成多個硬件工作模塊組成的復雜系統(tǒng)中，要求軟件系統(tǒng)能同時測控多個模塊的同步工作，軟件設計要求做到實時多任務。針對軟件設計的要求，采用基于實時多任務操作系統(tǒng)提供的底層任務調度機制，建立軟件架構成為較好的選擇。本文提出了基于實時多任務操作系統(tǒng)，建立軟件架構時采用軟總線提供數(shù)據(jù)驅動層的架構模式。針對實時多任務操作系統(tǒng)，分析任務調度與數(shù)據(jù)驅動層。針對資源共享與任務進程獨立性等問題，提出軟總線在共享數(shù)據(jù)維護上的優(yōu)勢。
2．任務調度、共享資源與軟總線結構研究
2.1 嵌入式開發(fā)任務調度和資源共享
目前主要的實時多任務操作系統(tǒng)（VxWorks，嵌入式Linux，WinCE）的任務調度均采用對于不同優(yōu)先級搶占式調度，對同優(yōu)先級采用時間片輪轉調度的方法。為使低優(yōu)先級任務能得到運行，軟件需要能阻塞高優(yōu)先級任務，同時也要能使被阻塞的任務重新就緒運行。操作系統(tǒng)對進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，常借助進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，同時低優(yōu)先級任務對進程間通信資源的占用也始終處于劣勢。任務進程較多復雜軟件系統(tǒng)中，無法避免的會出現(xiàn)多進程共用資源的情況，事實上進程通信資源也是一種多進程共用的資源。進程可以對自身資源進行管理，但對于這些共享的資源，就無法只由共享者中的某一個進行管理。而這個管理卻是必要的，否則進程內部的意外可能通過這些資源蔓延到其他進程，如：進程內部意外的對資源地址賦空,就會使其他共享該資源的進程在使用該資源時崩潰。這就要求在系統(tǒng)設計時，有獨立于各個進程之外的總體的對資源管理的模塊。
2.2 軟總線結構
在此，本文提出軟總線結構來架構復雜的軟件系統(tǒng)，以解決任務調度和資源管理上的困難。軟總線是封裝了操作系統(tǒng)對于進程間通信資源，共享內存等有多個進程共同使用的資源操作的模塊。該模塊為任務進程模塊提供標準的資源申請、使用及回收接口，任務進程使用該接口及協(xié)議的標識進行資源的共享。
首先，軟總線封裝了各種進程可能共享的資源，獨立于進程之外對資源進行管理，使共享資源對于任務進程透明，任務進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進程修改或破壞。任務進程獲取的數(shù)據(jù)，實際是總線上數(shù)據(jù)的副本，而所有關于總線上數(shù)據(jù)的更新都需要總線模塊的認證，以避免出錯?？偩€模塊在操作系統(tǒng)底層調用的基礎上，通過封裝資源、提供接口，構建了一個數(shù)據(jù)驅動層。同時，由于軟總線的封裝，使得在構建軟件系統(tǒng)時，對進程的調度需要通過軟總線來實施。如果在總線模塊處加載系統(tǒng)的調度策略，可以更靈活有效地對每個資源進行任務的調度。使得一方面降低了在開發(fā)初期為任務進程設置合理優(yōu)先級的難度，一方面也使得不同任務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，以軟總線架構底層數(shù)據(jù)驅動的方式構建實時多任務軟件系統(tǒng)，可以有效地保護和管理共享資源并更為簡單靈活對系統(tǒng)進行調度。
3．軟總線軟件架構方案
本設計基于Vxworks操作系統(tǒng)，試驗平臺包括通信、存儲、復接、硬件總線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，軟總線封裝的操作系統(tǒng)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模塊需要通過軟總線進行對資源操作。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操作。
圖1 軟總線架構設計框圖
3.2 軟總線詳細設計
對于軟總線結構的架構方式，設計關鍵節(jié)點就是軟總線模塊。該模塊負責對操作系統(tǒng)的資源封裝和上層功能模塊的資源使用請求處理。本設計中，將軟總線分成兩個主要的部分：資源池和管理表。資源池是軟總線模塊開辟的內存區(qū)域，在內存池上進行系統(tǒng)其他功能模塊的共享資源的創(chuàng)建。
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