基于嵌入式實時系統(tǒng)設計模式的研究與應用

摘要：為滿足嵌入式實時系統(tǒng)快速適應硬件型號升級、快速變更要求以及可伸縮、可修改、可復用等方面的需求，本文提出了一種適用于嵌入式實時系統(tǒng)的設計模式--ERTSDP，解決了系統(tǒng)分析設計中實時性、可靠性等方面的問題，提高了軟件的開發(fā)速度。最后結合具體應用對這一模式的實例化過程加以闡述。

1 引言

從系統(tǒng)的觀點來看，嵌入式實時系統(tǒng)也是系統(tǒng)，特別是硬件技術的快速發(fā)展，嵌入式實時軟件也有快速適應硬件型號升級問題，也有業(yè)務快速變更要求以及可伸縮、可修改、可復用等方面的問題。但面向對象技術對于實時性、可靠性的描述并不適合，在嵌入式實時應用中依然不是主流設計方法，從而引入了模式的概念。

最早也是最基礎的設計模式是Liskov提出的七種基本模式，并提出對象構成模式的五條基本準則[1-4]，為面向對象設計模式奠定了理論基礎。Gamma等四人提出了常用的25種設計模式[5]，為用模式設計軟件體系結構提供了工程實踐的基礎。不過Gamma的模式作用域是局部的，只在單個的協(xié)作內。Bruce Douglas將兩個重要的軟件工程進展--模式和UML相結合，成功地應用在主流實時軟件傳統(tǒng)使用的概念和技術中[6]。

本文討論的模式ERTSDP是基于Bruce Douglass的實時設計模式基礎之上，對典型嵌入式實時系統(tǒng)的設計解決方案加以總結抽象，提出的一套完整的設計思路。這一模式的提出可以促使本領域軟件開發(fā)速度成倍的提高，更為重要的是軟件質量也可以得到保證。

2嵌入式實時系統(tǒng)設計模式(ERTSDP)研究

2.1 設計模式的定義

設計模式[7-9]是對經(jīng)常出現(xiàn)問題的泛解。模式由三個重要的方面組成：第一是問題(problem)，這是要以模式來處理的設計的某個方面的陳述，也就是要用模式解決的某些優(yōu)化和QoS的側面。第二是解決方案(solution)，也就是模式本身，模式用指明了角色的結構圖表示。最后是結果(consequences)。

2.2 ERTSDP (Embedded Real-Time Systems Design Pattern)

1．目的

針對嵌入式實時系統(tǒng)分析和設計過程中的問題進行抽象并建立模型，使得新系統(tǒng)可以通過模式匹配、實例化等手段快速建立，從而達到縮短嵌入式實時產品開發(fā)周期的目的。

2．解

解即模式本身，2.3小節(jié)將詳細討論。

3．結果

結果是使用模式后的一組利弊，將在本文最后討論。

2.3 模式的解

2.3.1 系統(tǒng)分析

分析的目的是定義待開發(fā)系統(tǒng)的基本性質。一般來說，分析是一個黑箱視圖，而設計則按某個服務質量QoS的要求提供充分的功能。對系統(tǒng)的分析又可分為兩個階段：需求分析階段和系統(tǒng)工程階段。

(1)需求分析階段

在需求階段盡可能詳細地標識和捕獲當前原型的需求，可用順序圖、狀態(tài)圖、活動圖、正文描述以及約束等的組合對需求加以描述。

(2)系統(tǒng)工程階段

系統(tǒng)工程階段實際是做高層的體系結構設計。系統(tǒng)工程階段主要定義子系統(tǒng)的體系結構、子系統(tǒng)的接口及交互協(xié)議、將系統(tǒng)的用例和需求分解為子系統(tǒng)的用例和需求以及對系統(tǒng)的算法分析和控制法則規(guī)范說明。

2.3.2 系統(tǒng)設計

設計就是該問題的具體解決方案，是對分析模型的優(yōu)化。優(yōu)化準則的集合就是要求的系統(tǒng)服務質量QoS。如果把每個QoS方面看作是獨立的特征并具有相對重要性的加權因子，那么一個好的設計就是找出下面公式的最小值。

　　Min [ΣQoSFeaturej * Weightj ]

其中Weightj指的是與第j個QoSFeature相關的相對重要性。對系統(tǒng)的設計也分為兩個階段：體系結構設計階段和詳細設計階段。

(1)體系結構設計階段

體系結構包括邏輯體系結構和物理體系結構。邏輯體系結構只涉及模型本身如何組織，這種組織可簡可繁，取決于小組需要用它構造什么；物理體系結構指的是組織存在于運行時的事物。這一階段用五層體系結構視圖、子系統(tǒng)視圖和資源并發(fā)視圖等來描述。

五層體系結構視圖[6]是一個特定的體系結構，作用于許多嵌入式和實時系統(tǒng)的通用結構。它包含五個域：應用域(application domain)、用戶界面域(user interface domain)、通信域(communication domain)、抽象操作系統(tǒng)域(abstract OS domain)和抽象硬件域(abstract hardware domain)。

子系統(tǒng)視圖是表示重要子系統(tǒng)的類圖，多用于對系統(tǒng)進行細化時。

資源并發(fā)視圖是實時和嵌入式系統(tǒng)一個最突出的特點。一個有資源服務的元素，它的有效性由一個或多個服務質量(QoS)特性來定義。QoS是資源的量化性質，如容量、執(zhí)行速度、可靠性等等。

(2)詳細設計階段

詳細設計階段是對對象和類的內部精細加工，它只限制在單個對象和類之中。詳細設計時，多數(shù)優(yōu)化都集中在數(shù)據(jù)構造、算法分解、對象狀態(tài)機的優(yōu)化、對象實現(xiàn)策略、關聯(lián)的實現(xiàn)以及可見性和封裝問題等方面。

模式是對設計中一般問題的抽象，所以針對具體應用的模式匹配以及實例化是可根據(jù)需要對ERTSDP變動的。譬如，需求分析階段可以根據(jù)問題的復雜性對描述手段任意組合；系統(tǒng)工程階段也是微周期中的可選部分；如果系統(tǒng)非常復雜，可以遞歸調用子系統(tǒng)視圖對系統(tǒng)分解、分級細化；還可在體系結構設計時增加Activity圖實現(xiàn)對任務的劃分，增加sequence圖對系統(tǒng)運行流程描述。

總之，在具體應用中可以靈活的應用模式來輔助設計。下面通過對常見的嵌入式實時系統(tǒng)--遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用ERTSDP模式進行分析和設計，闡述了實例化模式的方法，同時也是對這一模式的討論和驗證。

3 基于ERTSDP的遠程監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)需求分析

遠程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)深透到社會的各個方面，簡而言之，遠程監(jiān)控系統(tǒng)就是將現(xiàn)場設備的運行數(shù)據(jù)發(fā)送至遠端加以監(jiān)測和控制。本系統(tǒng)投入運行后預期的用戶有三類：普通用戶、系統(tǒng)管理員、故障專家。他們具有不同的職責，因而賦予了不同的權限。圖1的Use Case框圖可以清晰地反映出他們各自的權限職責。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的Use Case框圖

3.2 系統(tǒng)體系結構設計

本系統(tǒng)包含三個子系統(tǒng)--NetWeb、NetIO和RemoteClient(見圖2)。NetWeb是整個系統(tǒng)的核心，承擔著實時/歷史數(shù)據(jù)管理、報警條件檢測，存貯用戶組態(tài)信息等功能；NetIO用于實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集(輸入)和裝置的控制(輸出)；RemoteClient則實現(xiàn)了客戶端圖形用戶界面的功能。其中NetWeb和NetIO通過RS485總線進行通訊，NetWeb 和RemoteClient則通過socket進行信息交換。

NetWeb運行在嵌入式開發(fā)板上，操作系統(tǒng)是自主研發(fā)的嵌入式實時Linux，采用的方案設計是uClinux+RTAI。

圖2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的五層體系結構視圖

3.3 子系統(tǒng)視圖

子系統(tǒng)視圖是表示重要子系統(tǒng)的類圖，多用于對系統(tǒng)進行細化時。圖3是細化后的NetWeb子系統(tǒng)，從圖中可以看到，特殊的雙內核OS--uClinx+RTAI決定了NetWeb模塊分為實時應用和非實時應用。下面將從初始化和運行兩方面對圖3詳細解釋。
 

圖3 NetWeb模塊的子系統(tǒng)視圖

3.3.1 NetWeb子系統(tǒng)初始化

NetWeb子系統(tǒng)初始化過程主要由KernelInit模塊和UserInit模塊(圖中灰色的模塊)實現(xiàn)。首先KernelInit模塊執(zhí)行，完成內核空間的初始化任務；然后啟動UserInit模塊，這個過程比較復雜，首先Store模塊將系統(tǒng)存儲的配置信息和數(shù)據(jù)信息傳給UserInit模塊(標注{1}所示)，然后KernelInit模塊驅動485Driver模塊實時采集當前模塊的信息，傳送給UserInit模塊(標注{3}、{2}所示)，UserInit模塊經(jīng)過兩者信息的比較，確定采集的對象，以及模塊信息的變更、系統(tǒng)狀態(tài)的變更等，最終完成初始化工作。

3.3.2 NetWeb子系統(tǒng)運行流程

當系統(tǒng)完成初始化開始運行后，Gather模塊調用485Driver模塊相關接口API對底層32個NetIO模塊進行輪詢式采集，采集上來的數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾整合后，正常的數(shù)據(jù)傳送至Transfer模塊，這時調用RTAI內核中的RT_SHM模塊實現(xiàn)內核和用戶空間大規(guī)模數(shù)據(jù)的共享(見標注{4})。Receive模塊從RT_SHM接受到數(shù)據(jù)，送到Store模塊存儲，然后根據(jù)用戶要求送到Socket模塊傳到遠程客戶端。如果過濾整合時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，就驅動AlarmKernel模塊，這個模塊啟動RTAI的RT_FIFO模塊，將需報警數(shù)據(jù)通過管道(見標注{5})傳送至用戶空間的AlarmUser模塊。AlarmUser模塊再驅動Email模塊以郵件的形式完成報警。

3.4 資源并發(fā)視圖

本系統(tǒng)中任務間資源共享的方式主要有兩種：共享內存和消息隊列。圖4和圖5分別對這兩種資源共享方式采用并發(fā)視圖進行了分析。

圖4 共享內存訪問并發(fā)視圖

共享內存對于大規(guī)模的數(shù)據(jù)共享非常適用，這里討論的是RTAI提供的實時SHM。RT_SHM并沒有提供任何互斥機制來控制實時進程和非實時進程訪問同步性(對于實時任務或非實時任務之間的共享有保護措施，故不再考慮)，雖然可以自己實現(xiàn)一些lock機制來控制，但是考慮到內核任務的優(yōu)先級遠高于用戶任務，即實時任務從來不會被非實時任務中斷，所以實時任務對共享區(qū)寫數(shù)據(jù)時永遠是一次性寫完所有模塊信息，而且這些數(shù)據(jù)的時間戳是一致的，可以保證數(shù)據(jù)的正確性(如圖4)；而非實時任務讀共享數(shù)據(jù)時是可能發(fā)生過程中被中斷的情況，導致可能一次讀取的模塊數(shù)據(jù)的時間戳不一致。但實際中寫進程的速度遠遠大于讀進程的速度，同時考慮到實際運行時模塊數(shù)據(jù)變化是連續(xù)的，同一模塊不同時間戳采集的數(shù)據(jù)變化率不會很大，而現(xiàn)階段讀進程只要滿足用戶需要的刷新頻率(QoS)就足夠了，所以對于數(shù)據(jù)部分丟失現(xiàn)階段并不可惜。

圖5 消息隊列訪問并發(fā)視圖

消息隊列提供了一種傳輸多條消息的機制。如圖5所示，Sender線程因響應evRun事件而運行。Sender類調用rQueue::insert()操作，并鎖定信號燈。在rQueue::insert()操作過程中，該線程被更高優(yōu)先級的Receiver線程中斷。Receiver試圖檢查在其隊列中新加入的消息。它調用rQueue::remove()，同時試圖鎖定信號燈。如果失敗，Receiver自動掛起或被阻塞，因為信號燈已經(jīng)被鎖定到Sender線程，這使得Sender線程繼續(xù)工作，完成store()操作。一旦完成，rQueue類釋放它的信號燈。它將解除對Receiver線程的阻塞，Receiver線程這時可以鎖定信號燈，讀取等待在隊列中的消息，解除信號燈的鎖定，處理收到的消息。

4 系統(tǒng)仿真平臺

通過應用ERTSDP模式對遠程監(jiān)控系統(tǒng)分析、設計以及實現(xiàn)，滿足了用戶預期的需求。為了對系統(tǒng)功能、性能進一步驗證，搭建了系統(tǒng)仿真實驗平臺(如圖6)。圖中標注為NetWeb的模塊就是系統(tǒng)的嵌入式裝置，這一模塊內部是net-start開發(fā)板，操作系統(tǒng)是嵌入式實時Linux，子系統(tǒng)NetWeb的所有功能就運行其上。并排的五個模塊都是NetIO模塊，分別連接有不同的輸入/輸出信號，可以看到它們是通過RS－485與NetWeb相連。AI模塊通過傳感器采集到燈泡(圖中$圓圈)的溫度值，根據(jù)溫度的高低決定是否啟動DO模塊輸出控制風扇的轉動。同時AO模塊可以根據(jù)用戶需求，經(jīng)由可控硅的控制可變電壓，進而調節(jié)燈泡的亮暗程度。

圖6 實驗系統(tǒng)平臺結構

5 結論

本文提出的設計模式ERTSDP是一種構建系統(tǒng)的完整解決方案，旨在為典型的嵌入式實時應用提供分析設計的模型。實踐證明這一模式非常適用于實時性、可靠性的描述，可以有效地提高嵌入式實時領域軟件的開發(fā)速度，并使軟件的質量得以保證。