嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘   要： 本文采用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法對(duì)星載姿軌控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)采用層次模塊化結(jié)構(gòu)。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)連接姿軌控應(yīng)用程序和底層硬件，文中給出了姿軌控計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖、軟件應(yīng)用層縱橫結(jié)合型結(jié)構(gòu)，以及任務(wù)模塊調(diào)度管理的仿真結(jié)果。
引言
軟件體系結(jié)構(gòu)是對(duì)軟件各高層抽象的理解，必須在較早階段對(duì)軟件進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)層的分析，其中算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇處在軟件體系結(jié)構(gòu)的較低層次上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的問題包括：用一系列組件來(lái)組織一個(gè)系統(tǒng)，全局控制結(jié)構(gòu)，通信、同步和數(shù)據(jù)存取協(xié)議，設(shè)計(jì)元件之間功能的劃分，物理的分布方式，系統(tǒng)運(yùn)行狀況的估計(jì)和測(cè)量，演化方向，設(shè)計(jì)模式的選擇等，這些都是設(shè)計(jì)階段的軟件體系結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)星載軟件的設(shè)計(jì)方法、開發(fā)手段已不能適應(yīng)日益復(fù)雜的需求，采用微內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種縮短開發(fā)周期、調(diào)試方便有效的快速解決方案。經(jīng)過(guò)比較，在采用32位微處理器的前提下選用Vxworks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

圖1 縱橫結(jié)合型體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件體系結(jié)構(gòu)分析與總體設(shè)計(jì)
目前比較普遍的體系結(jié)構(gòu)有：
管道和過(guò)濾器型
這種體系結(jié)構(gòu)中每個(gè)組件有一系列輸入和一系列輸出，一個(gè)組件從它的入口讀取數(shù)據(jù)流，在它的出口產(chǎn)生數(shù)據(jù)流。組件就是過(guò)濾器，在組件之間傳送數(shù)據(jù)的接口即管道。
面向?qū)ο蟮慕M織方式
數(shù)據(jù)和它的原始操作是封裝在對(duì)象內(nèi)部，對(duì)象通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)來(lái)協(xié)同工作。對(duì)象要保證內(nèi)部數(shù)據(jù)的正確性和對(duì)外實(shí)現(xiàn)方法的隱藏性。
共享存儲(chǔ)體型
包含兩種不同的組件，中心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代表當(dāng)前狀態(tài)，一系列獨(dú)立的組件來(lái)操縱中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)中心存儲(chǔ)體相互通訊。
解釋機(jī)型
用軟件產(chǎn)生的一個(gè)虛擬機(jī)，模仿其他機(jī)器，解釋并執(zhí)行特定的指令序列。
垂直型
包含一系列類，并將它們組織成層次和線索。層次是在相同抽象層次的一系列類。線索是一類子系統(tǒng)，它們之間存在調(diào)用與被調(diào)用的關(guān)系，在執(zhí)行后，完成一個(gè)子系統(tǒng)的功能。
層次型
一個(gè)分層系統(tǒng)中，每一層向它的上一層提供服務(wù)，同時(shí)使用它的下一層提供的服務(wù)。這種結(jié)構(gòu)支持基于抽象層次的設(shè)計(jì)、演化和重用。層次型又分為橫向型、縱向型與縱橫結(jié)合型。
橫向體系結(jié)構(gòu)，是指某一個(gè)軟件系統(tǒng)可分為多個(gè)層次，層次之間的組件關(guān)系較為簡(jiǎn)單，只有上層組件調(diào)用下層組件的關(guān)系，而同一層次內(nèi)部各組件之間的聯(lián)系較為密切，相互之間傳送消息比較頻繁。在采用體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按信息流來(lái)劃分邊界，信息流內(nèi)部再劃分子系統(tǒng)。
縱向體系結(jié)構(gòu)中包含層次和線索兩個(gè)概念。層次是指在相同的抽象層次上的一系列組件，而線索是子系統(tǒng)的特例，指所包含的一系列組件用于完成一個(gè)功能?？v向的軟件結(jié)構(gòu)具有可理解性、可適應(yīng)性、可重用性。
縱橫結(jié)合型體系結(jié)構(gòu)中，一個(gè)組件不僅在垂直方向與其他組件發(fā)生關(guān)系，同時(shí)在水平方向也與其他組件發(fā)生作用。針對(duì)衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的需求，軟件系統(tǒng)采用縱橫結(jié)合型體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
在姿軌控軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要力求簡(jiǎn)單，模塊化結(jié)構(gòu)的軟件易于單獨(dú)開發(fā)而后集成，在按照共同的數(shù)據(jù)接口開發(fā)后，便于測(cè)試，若在軌運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問題，易于查找錯(cuò)誤和排除錯(cuò)誤，從而到達(dá)提高可靠性的目的。在設(shè)計(jì)小衛(wèi)星軟件系統(tǒng)的過(guò)程中，可以借鑒“模塊化公用艙”和“軟件總線”思想，對(duì)星載嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)采用模塊化軟構(gòu)件來(lái)設(shè)計(jì)軟件的功能模塊，從而提高軟件開發(fā)的效率、程序的質(zhì)量，并改進(jìn)維護(hù)方式。

圖2  設(shè)計(jì)流程圖

圖3 仿真圖

圖4  仿真圖

從軟件角度，姿軌控軟件主要完成以下功能：設(shè)置系統(tǒng)工作模式、部件工作狀態(tài)；接收星務(wù)總線傳來(lái)的軌道參數(shù)、在軌編程信息等；實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；根據(jù)控制律，計(jì)算控制指令，對(duì)太陽(yáng)或地球跟蹤定向；在軌檢測(cè)、系統(tǒng)重構(gòu)等?？蓪⑿禽d控制計(jì)算機(jī)軟件分為三部分：系統(tǒng)引導(dǎo)程序、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。

設(shè)計(jì)流程與任務(wù)調(diào)度方式
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為應(yīng)用軟件和其它模塊提供運(yùn)行環(huán)境和多任務(wù)管理。應(yīng)用軟件通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊采集敏感部件的姿態(tài)信息和GPS接收機(jī)的軌道信息，進(jìn)行控制規(guī)律的解算，并通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)帆板。程序和數(shù)據(jù)注入模塊通過(guò)數(shù)據(jù)總線獲得地面的程序或者數(shù)據(jù)注入到應(yīng)用軟件；遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)管理模塊通過(guò)數(shù)據(jù)總線與地面測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。
姿軌控應(yīng)用程序在實(shí)現(xiàn)上由多個(gè)任務(wù)協(xié)同工作完成，在結(jié)構(gòu)上分為多任務(wù)調(diào)度管理任務(wù)(或稱為Schedule任務(wù))、遙測(cè)遙控任務(wù)、故障診斷及系統(tǒng)重構(gòu)任務(wù)、程序和數(shù)據(jù)注入任務(wù)、系統(tǒng)工作模式管理任務(wù)、姿態(tài)確定與控制、軌道控制等應(yīng)用任務(wù)模塊。
作為多任務(wù)操作系統(tǒng)，為了突出實(shí)時(shí)性，降低系統(tǒng)調(diào)度的開銷，它的任務(wù)并不是真正的任務(wù)而是線程。姿軌控系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)可以工作在系統(tǒng)級(jí)或者應(yīng)用級(jí)，而且有許多不同的運(yùn)行方式，這些都可以在使用中自由選擇，軟件設(shè)計(jì)人員有很大的靈活性。因此在姿軌控軟件的設(shè)計(jì)中，要充分考慮到嵌入式軟件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，合理利用它的特性。
在整個(gè)姿軌控系統(tǒng)中多任務(wù)管理任務(wù)工作于系統(tǒng)級(jí)，其他的任務(wù)均工作于應(yīng)用級(jí)。工作于系統(tǒng)級(jí)的任務(wù)有更高的權(quán)限且受到操作系統(tǒng)的保護(hù)，這樣可以防止應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)程序的誤操作，Schedule任務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)其他任務(wù)的管理，工作于系統(tǒng)級(jí)。在其他的任務(wù)中與硬件相關(guān)的底層任務(wù)優(yōu)先級(jí)較高，其中故障檢測(cè)與恢復(fù)任務(wù)級(jí)別最高，其次是遙測(cè)遙控管理任務(wù)，最后是姿態(tài)系統(tǒng)I/O任務(wù)。
在姿軌控軟件系統(tǒng)中，所有的任務(wù)都被設(shè)置成可以被中斷的工作方式，以充分發(fā)揮硬件中斷的作用，在一定程度上提高了程序運(yùn)行的并行度。在任務(wù)調(diào)度上，所有任務(wù)都工作在可剝奪的調(diào)度方式下，即在任何時(shí)刻，只要有一個(gè)任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)而且優(yōu)先級(jí)高于正在運(yùn)行的任務(wù)，則立即掛起當(dāng)前的任務(wù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行新的任務(wù)，直到這個(gè)任務(wù)執(zhí)行完成后，再喚醒原來(lái)被掛起的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

多任務(wù)調(diào)度管理的仿真實(shí)現(xiàn)
采用開發(fā)工具Tornado，運(yùn)用系統(tǒng)集成仿真器VXSIM來(lái)進(jìn)行任務(wù)模塊調(diào)度的仿真。仿真時(shí)考慮一種特殊情況：遙測(cè)遙控任務(wù)taskTelemetry打斷模式管理任務(wù)taskManager的執(zhí)行，但在遙測(cè)遙控任務(wù)執(zhí)行的過(guò)程中，系統(tǒng)發(fā)生了故障，則遙測(cè)遙控任務(wù)也被故障檢測(cè)及系統(tǒng)重構(gòu)任務(wù)taskFaultdeal中斷，待系統(tǒng)故障處理完后恢復(fù)執(zhí)行taskTelemetry任務(wù)，完成后再恢復(fù)執(zhí)行工作模式管理任務(wù)。其仿真結(jié)果如圖3所示。
針對(duì)衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的需求，應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用縱橫結(jié)合型層次體系結(jié)構(gòu)。通過(guò)姿軌控系統(tǒng)工作模式管理模塊對(duì)各應(yīng)用軟件任務(wù)模塊的調(diào)用來(lái)完成姿軌控應(yīng)用軟件系統(tǒng)的功能。在每執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)后，自動(dòng)讀取任務(wù)模塊調(diào)度表中的下一個(gè)任務(wù)，通過(guò)計(jì)算，確定下次任務(wù)開始執(zhí)行的時(shí)間，并開始計(jì)時(shí)，時(shí)間到達(dá)后，據(jù)飛行任務(wù)模式字等內(nèi)容創(chuàng)建并運(yùn)行相應(yīng)的姿軌控應(yīng)用任務(wù)模塊。對(duì)于需要再次調(diào)用的任務(wù)在運(yùn)行完后掛起，等下次用時(shí)激活運(yùn)行即可；對(duì)于不會(huì)再次調(diào)用的任務(wù)則在運(yùn)行完后刪除，以免占用空間。
根據(jù)衛(wèi)星的工作模式，采用二維結(jié)構(gòu)體數(shù)組Table[][]來(lái)定義任務(wù)模塊調(diào)度表。作為數(shù)組元素的構(gòu)體變量包括任務(wù)名taskname、任務(wù)優(yōu)先級(jí)taskpri、任務(wù)標(biāo)志位taskflag等，其中任務(wù)名、任務(wù)標(biāo)志位定義為字符串?dāng)?shù)組，如下所示：
struct scheduleTable
{char taskname[12];
int taskpri;
char taskflag[8];
}Table[][];
采用雙重循環(huán)語(yǔ)句來(lái)讀寫任務(wù)模塊調(diào)度表，調(diào)用相應(yīng)任務(wù)模塊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的管理，完成姿態(tài)軌道控制任務(wù)。模塊調(diào)度表定義為modenum×tablenum維數(shù)組，modenum為系統(tǒng)工作模式數(shù)，tablenum為當(dāng)前工作模式下需調(diào)用的最大任務(wù)模塊數(shù)，程序語(yǔ)句如下：
for (I=1;I<=modenum;I++)
  for(J=1;J<=tablenum;J++)
{ /*據(jù)任務(wù)標(biāo)志位進(jìn)行判斷；*/
taskspawn()/taskRestart(taskIdmodule)；/*創(chuàng)建或直接啟動(dòng)任務(wù)Table[][].name；*/
........
taskDelay();
taskSuspend()/taskDelete(taskIdmodule); /*據(jù)需求掛起或刪除運(yùn)行完畢的當(dāng)前任務(wù)；*/
}
仿真程序演示了衛(wèi)星工作模式1調(diào)用module1、module2完成相應(yīng)姿軌控任務(wù)，工作模式2調(diào)用module3、module4、module1來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)軌道控制。module2運(yùn)行完后釋放表明工作模式1結(jié)束的信號(hào)量，再運(yùn)行taskJudger任務(wù)進(jìn)行工作模式切換，經(jīng)判斷進(jìn)入模式2，調(diào)用module3、module4、module1，模式2結(jié)束再進(jìn)行模式切換。依次類推，循環(huán)完成姿軌控任務(wù)。仿真結(jié)果如圖4所示。
任務(wù)模塊運(yùn)行順序：工作模式管理模塊→module1→module2→工作模式管理模塊→module3→module4→module1→工作模式管理模塊→module4→.......

結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的姿軌控計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)采用層次模塊化設(shè)計(jì)和適合星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需求的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能達(dá)到星載軟件易調(diào)試、移植性強(qiáng)、易維護(hù)的目的，可適應(yīng)有限的星載嵌入式控制計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間，縮短開發(fā)周期、保證可靠性，模塊結(jié)構(gòu)保證了星載軟件的可靠性和可重構(gòu)性，對(duì)衛(wèi)星型號(hào)系列化和軟件工程化有重要意義。