計(jì)算機(jī)總線技術(shù)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張堅(jiān)林

（清遠(yuǎn)市技師學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511517）

計(jì)算機(jī)總線技術(shù)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張堅(jiān)林

（清遠(yuǎn)市技師學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511517）

測控系統(tǒng)的發(fā)展是社會進(jìn)步與更新?lián)Q代的共同需求，是計(jì)算機(jī)技術(shù)在實(shí)際環(huán)境中的有效實(shí)踐。特別是總線技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了測控系統(tǒng)的工作效率，加強(qiáng)了穩(wěn)定性，拓展了應(yīng)用范圍，為新技術(shù)的推廣打下了良好的基礎(chǔ)。本文從測控系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)總線的結(jié)構(gòu)入手，分析了總線在數(shù)據(jù)驅(qū)動中的應(yīng)用，以期能為總線技術(shù)的教學(xué)提供一些有益的經(jīng)驗(yàn)。

測控系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)總線技術(shù)

1 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步，企業(yè)單位及個人對于計(jì)算機(jī)軟件的需求不斷增長，導(dǎo)致軟件系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。不僅是應(yīng)用規(guī)模十分龐大，軟件之間的交互也日益增多，使用單一對象的軟件開發(fā)模式已經(jīng)無法滿足這種需求。尤其是在測控系統(tǒng)中，對軟件開發(fā)的效率及成本控制有著更高的要求。因此，培養(yǎng)合格的軟件開發(fā)人才，成為當(dāng)前所有高校的一項(xiàng)共識。目前來說，常見的方法主要是利用已有的構(gòu)件模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過一個合理而規(guī)范的框架來使這些模塊進(jìn)行集成，共同發(fā)揮作用從而形成一個新的應(yīng)用。該應(yīng)用吸取了各個模塊的高效穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了操作復(fù)雜、信息落后的缺點(diǎn)，提高了軟件開發(fā)的效率，縮短了開發(fā)時間，節(jié)省了開發(fā)成本，并且在后期維護(hù)的工作中，也占有一定的優(yōu)勢，使其在測控領(lǐng)域中的應(yīng)用中極具競爭力。該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)就是領(lǐng)域框架的設(shè)計(jì)，即基于總線技術(shù)的框架設(shè)計(jì)。本文通過分析計(jì)算機(jī)總線的結(jié)構(gòu)，了解實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動所需要的基本模塊，并進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，以期為計(jì)算機(jī)總線技術(shù)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用積累一些經(jīng)驗(yàn)，日后能夠?yàn)樘岣呓虒W(xué)效率作出一些貢獻(xiàn)。

2 測控系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)總線的結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)總線就是指系統(tǒng)的硬件和軟件總線，硬件總線是計(jì)算機(jī)各個部件包括輸入輸出設(shè)備相互傳送信息的公共通道，其他類型的接口模塊，只要符合接入標(biāo)準(zhǔn)，都可以通過硬件總線接入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可拓展性。軟件總線則是虛擬的傳輸通道，其作用與硬件總線相同，都是進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳送。接入軟件總線時也需要使用標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，通過系統(tǒng)中各個模塊之間功能的集成，來實(shí)現(xiàn)信息的交換?？梢詫⒖偩€結(jié)構(gòu)想象為各個模塊之間的中介，模塊接入系統(tǒng)之后，信息的傳輸和交換都需要經(jīng)過總線結(jié)構(gòu)，通常接入的模塊會采用COM或動態(tài)鏈接庫的形式，以便實(shí)現(xiàn)動態(tài)加載，提高硬件總線的處理效率。模塊加載完成之后，所有信息都要利用軟件總線來進(jìn)行通訊，以完成模塊集成或互相協(xié)作的目的。軟件總線的加入能夠有效降低模塊之間的耦合度，一些二進(jìn)制的模塊也能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)用，極大地縮短了軟件開發(fā)的周期，提高了軟件處理復(fù)雜信息的能力，在一定程度增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

想要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的軟件總線需要有四個基本模塊：

（1）通訊模塊，它可以協(xié)調(diào)所有接入系統(tǒng)中的模塊的信息交換過程，提高信息傳輸?shù)陌踩?，縮短信息處理的時間。

（2）構(gòu)件管理模塊，它可以對每個接入系統(tǒng)的模塊進(jìn)行管理，并按照一定的順序來安排系統(tǒng)對各個模塊的響應(yīng)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

（3）接口模塊，它負(fù)責(zé)鏈接各個模塊與系統(tǒng)，只有符合標(biāo)準(zhǔn)的模塊才可以接入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模塊與總線、模塊與模塊之間的信息交互。

（4）任務(wù)調(diào)度模塊，它是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的主要模塊，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容來調(diào)動系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與流動，即數(shù)據(jù)的驅(qū)動。

3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的總線技術(shù)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

測控系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)通常分為三個層次：一是數(shù)據(jù)輸入層，即從所有接入系統(tǒng)的硬件設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)信息，常見的數(shù)據(jù)輸入層設(shè)備有數(shù)據(jù)采集卡和通訊連接設(shè)備；二是數(shù)據(jù)處理層，將獲取到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，為下一步的數(shù)據(jù)輸出做好準(zhǔn)備，例如濾波操作、故障檢測等；三是數(shù)據(jù)輸出層，主要是將經(jīng)過系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，或者輸出到其他終端以供用戶查詢。這個過程就是數(shù)據(jù)信息的通訊。將總線技術(shù)應(yīng)用到測控系統(tǒng)中后，可以設(shè)計(jì)為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式進(jìn)行工作：數(shù)據(jù)輸入層獲得數(shù)據(jù)后，會在軟件總線中形成數(shù)據(jù)流，驅(qū)動數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)輸出層進(jìn)行各種操作，例如接口模塊處理所有接入系統(tǒng)的功能模塊與軟件總線之間的信息交互，構(gòu)件管理模塊根據(jù)系統(tǒng)處理任務(wù)的優(yōu)先級來分配各個功能模塊的動態(tài)加載及初始化，通訊模塊再次將經(jīng)過處理的信息集成為數(shù)據(jù)流，輸出到其他功能模塊中，從而實(shí)現(xiàn)信息的交互與通訊。這三個模塊之間的協(xié)作需要經(jīng)過任務(wù)調(diào)度模塊的統(tǒng)一安排才能實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)流的輸入和輸出，都要經(jīng)過任務(wù)調(diào)度模塊的處理才能進(jìn)行下一個步驟。

下面介紹這幾種模塊的應(yīng)用：

（1）構(gòu)件管理模塊

構(gòu)件管理模塊負(fù)責(zé)各個功能構(gòu)件的加載及初始化，換句話說，就是協(xié)調(diào)各個功能構(gòu)件的運(yùn)行，以保證順利接入總線并實(shí)現(xiàn)信息通訊，同時還能避免構(gòu)件數(shù)量增加所導(dǎo)致的加載緩慢，提高總線的處理效率。其流程大概分成四步：功能構(gòu)件接入總線、構(gòu)件管理啟動響應(yīng)、處理所有的構(gòu)件信息、處理完畢準(zhǔn)備接入任務(wù)調(diào)度模塊。其中，構(gòu)件管理模塊的響應(yīng)主要是從接入的構(gòu)件中提取相應(yīng)的初始化信息，然后將信息存儲到總線系統(tǒng)的內(nèi)存中；直到所有的構(gòu)件信息存儲完畢，響應(yīng)才算結(jié)束。然后總線系統(tǒng)開始處理內(nèi)存中的構(gòu)件信息，并通過接口模塊將處理結(jié)果反饋到各個構(gòu)件的數(shù)據(jù)庫中；各個構(gòu)件根據(jù)這些經(jīng)過處理的信息來進(jìn)一步完成自己的初始化，這時各個構(gòu)件才算是真正地接入到了總線當(dāng)中。與此同時，總線能夠直接接收到各個構(gòu)件的信息請求，例如自己數(shù)據(jù)庫中可用的信息，需要其他構(gòu)件提供的信息等，構(gòu)件管理模塊將這些信息請求集成為任務(wù)表，為接下來的任務(wù)調(diào)動模塊的工作做好準(zhǔn)備。

（2）任務(wù)調(diào)度模塊

任務(wù)調(diào)度模塊是軟件總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的主要模塊，它能夠根據(jù)各個模塊提交的任務(wù)信息來進(jìn)行合理的分析和處理，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行效率的最大化。例如構(gòu)件管理模塊在集成了信息請求的任務(wù)表之后，會提交到任務(wù)調(diào)度模塊中，任務(wù)調(diào)度模塊會根據(jù)任務(wù)表中的請求來驅(qū)動系統(tǒng)從其他模塊中提取相應(yīng)的信息，或者調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來處理數(shù)據(jù)。這就是任務(wù)調(diào)度模塊完成任務(wù)的過程。需要注意的一點(diǎn)是，每次提交任務(wù)表的時候，都會形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)流，處理該數(shù)據(jù)流的時候可能需要用到若干個其他構(gòu)件的數(shù)據(jù)庫信息及處理函數(shù)；然而在調(diào)用其他構(gòu)件數(shù)據(jù)庫信息及處理函數(shù)的過程中，這些任務(wù)表又有可能會產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)流。這就需要任務(wù)調(diào)度模塊將處理數(shù)據(jù)流時產(chǎn)生的任務(wù)表進(jìn)行再次集成，然后提交任務(wù)表，并再次形成新的數(shù)據(jù)流；這種反復(fù)循環(huán)的模式驅(qū)動了系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)工作，但是其中涉及到了大量的計(jì)算，需要一個優(yōu)秀的算法來支持模塊的運(yùn)行。

算法過程如下：

任務(wù)調(diào)度模塊對構(gòu)件管理模塊提交的任務(wù)表進(jìn)行響應(yīng)，從接入系統(tǒng)的各個功能構(gòu)件中獲取信息請求，這些信息請求就是原始的數(shù)據(jù)流。這些原始數(shù)據(jù)流需要經(jīng)過接口管理模塊才能進(jìn)入軟件總線當(dāng)中，同時系統(tǒng)也可以做好處理這些數(shù)據(jù)流的準(zhǔn)備。當(dāng)這些數(shù)據(jù)流進(jìn)入總線之后，任務(wù)調(diào)度模塊會將它們與之前構(gòu)件管理模塊提交的任務(wù)表信息進(jìn)行集成，形成新的數(shù)據(jù)流。然后新的數(shù)據(jù)流會進(jìn)入線程池進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。如果在線程池處理數(shù)據(jù)的過程中，產(chǎn)生了新的數(shù)據(jù)流，即之前提到過的反復(fù)循環(huán)的任務(wù)模式，就需要將這些新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流返回到接口管理模塊中進(jìn)行處理，得到系統(tǒng)響應(yīng)后，然后再次進(jìn)入線程池。

（3）線程池

線程池可以說是總線技術(shù)的主要技術(shù)，在測控系統(tǒng)中發(fā)揮了十分重要的作用。它的實(shí)質(zhì)是對任務(wù)調(diào)度模塊提交的任務(wù)表進(jìn)行有效的處理，由于不同的任務(wù)包含了不同的時效性，需要根據(jù)各個接入系統(tǒng)的模塊的請求進(jìn)行判斷，然后設(shè)置對應(yīng)的優(yōu)先級。例如數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)控制需要較高的優(yōu)先級，而數(shù)據(jù)存儲和信息通訊的優(yōu)先級就較低。這樣可以避免低優(yōu)先級的任務(wù)阻礙高優(yōu)先級的任務(wù)，合理分配系統(tǒng)資源，最大限度地提高系統(tǒng)處理信息的效率。在處理任務(wù)流的過程中，隨時會產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)流，線程池需要將這些數(shù)據(jù)流經(jīng)過任務(wù)調(diào)度模塊返回接口模塊中，并再次啟動數(shù)據(jù)處理的響應(yīng)。

線程池的設(shè)計(jì)如下：保證線程池中每個線程有一個FIFO的任務(wù)隊(duì)列，F(xiàn)IFO是英文First Input First Output的縮寫，意思就是先入先出，該任務(wù)隊(duì)列保證了數(shù)據(jù)處理的過程能夠按照順序來執(zhí)行，是一種傳統(tǒng)有效的處理機(jī)制。每個線程都有各自固定的優(yōu)先級，在處理任務(wù)流時，線程池會根據(jù)任務(wù)調(diào)度模塊的響應(yīng)，將具有較高優(yōu)先級的任務(wù)加入到具有對應(yīng)的線程當(dāng)中，保證了任務(wù)的優(yōu)先處理。同時，當(dāng)任務(wù)流較少時，線程池會安排一些任務(wù)隊(duì)列進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到任務(wù)流增加或有較高優(yōu)先級任務(wù)時再進(jìn)行喚醒。這樣不僅降低了系統(tǒng)的損耗，也大大提高了任務(wù)處理的效率。

4 結(jié)論

總線技術(shù)的應(yīng)用能夠很好地降低測控系統(tǒng)中各個模塊之間的耦合度，有利于系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)，對系統(tǒng)軟件的復(fù)用達(dá)到了更高的層次：不僅縮短了軟件的開發(fā)周期，也提高了軟件的可靠性。特別是線程池概念的引入，使得系統(tǒng)處理任務(wù)流的效率大大提高，在一定程度上提高了測控系統(tǒng)的性能。

[1]李軍．基于軟件總線技術(shù)的測控系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)測量與控制，2005，13(8)：849-850．

[2]袁占亭．基于軟件總線技術(shù)的軟件工程方法[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，39(15)：137-139．

TheApplication of Computer Bus Technology in the Measurement and Control System

Zhang Jianlin
(Qingyuan City Technician Institute,Qingyuan 511517,Guangdong)

The development of measurement and control system is the common demand of social progress and upgrading.It is the effective practice of the computer technology in the practical environment.Especially,the application of bus technology greatly improves the efficiency of the measurement and control system,strengthening the stability and expanding the application scope,laying a good foundation for the promotion of the new technologies.This paper introduces the structure of the computer bus in the measurement and control system,and analyzes in the application of bus in data driven,hoping to provide some experience for bus technology teaching.

measurement and control system;computer bus technology

G434

A

1008-6609(2017)03-0055-03

張堅(jiān)林（1978-），男，廣東清遠(yuǎn)人，教師，一級實(shí)習(xí)指導(dǎo)老師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教學(xué)。