一種低耦合可移植的嵌入式主控軟件架構(gòu)設(shè)計

趙興祥，趙 濤，唐 瑜，黃 華，彭 湖

（重慶金美通信有限責任公司，重慶400030）

1 引 言

嵌入式系統(tǒng)因其的裁剪性強、可靠性高、實時性好、能耗低等特性，被廣泛應用在電子、通信、醫(yī)療等各行業(yè)中。隨著互聯(lián)網(wǎng)、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)呈現(xiàn)出了系統(tǒng)化、生活化、網(wǎng)絡化、精簡化等發(fā)展趨勢[1]。在此背景下，穩(wěn)定、易擴展、兼容性好的嵌入式軟件架構(gòu)是高水準嵌入式軟件設(shè)計的可靠保障，也是嵌入式產(chǎn)品的性能及穩(wěn)定性的重要決定因素?，F(xiàn)有研究大多集中于此，但并不完善，例如：文獻[2]中提出的軟件架構(gòu)，通過線程管理、備份硬件喚醒、通信協(xié)議設(shè)計等手段增強軟件的可靠性和穩(wěn)定性，但在移植性、擴展性方面的設(shè)計還不充分；文獻[3]中通過擴展Bios 設(shè)計提高嵌入式系統(tǒng)的可靠性，但沒有在擴展性、兼容性方向做出設(shè)計；文獻[4]設(shè)計并實現(xiàn)了基于通信中間件的綜合化信號與信息處理機軟件架構(gòu)RCSSystem，采用直接數(shù)據(jù)包通信方式取代了CORBA 中間件的遠程函數(shù)調(diào)用，通過總線互連，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但架構(gòu)復雜，與硬件、驅(qū)動層耦合性大；文獻[5]中給出了基于多任務的實時處理架構(gòu)設(shè)計方法，但仍存在硬件耦合性大的問題。

針對嵌入式系統(tǒng)耦合高、擴展性不足的現(xiàn)狀，在此設(shè)計一種低耦合、可移植、易擴展、支持熱插拔的嵌入式設(shè)備主控軟件架構(gòu)。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

結(jié)合 SOA（Service Oriented Architecture）思想及分層思想，將軟件定義為服務，服務之間通過輕量化通信中間件進行整合[6]，各服務以插件的方式獨立運行于系統(tǒng)中，可以根據(jù)需求動態(tài)加載或卸載各功能模塊，以滿足用戶業(yè)務、服務及性能的擴展性要求。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 軟件總體架構(gòu)圖

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)平臺，核心管理服務、通信中間件及硬件抽象層構(gòu)成了服務的基礎(chǔ)，形成物理層、MAC 層、網(wǎng)絡層以及安全等多種類的標準接口服務組件，其詳細架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軟件架構(gòu)圖

2.2 核心管理服務

核心管理服務是整個架構(gòu)的基礎(chǔ)服務，作為獨立進程，主要用來實現(xiàn)整個軟件框架的模塊（組件）管理和消息（類似參數(shù)）管理。

2.2.1 模塊管理

模塊管理負責對各服務模塊的加載/卸載過程及服務組件狀態(tài)等進行管理與監(jiān)控，對外提供模塊注冊注銷、模塊狀態(tài)查詢及狀態(tài)主動匯報等標準接口。模塊管理的運作機制如圖3 所示。

圖3 模塊管理服務結(jié)構(gòu)圖

當某個服務啟動時，先調(diào)用注冊接口向模塊管理注冊。模塊管理將該服務加入管理鏈表后，開始啟動監(jiān)控機制。監(jiān)控方式可以是由服務程序主動狀態(tài)匯報，也可以是模塊管理周期地查詢狀態(tài)。服務需要退出時，要先調(diào)用注銷接口脫離模塊管理。

2.2.2 消息管理

參數(shù)管理是參數(shù)（狀態(tài)及配置參數(shù)）的集合，包含參數(shù)的定義與操作。消息管理對消息的訂閱、發(fā)布、可靠性保證等進行管控，與參數(shù)具體含義無關(guān)。參數(shù)管理配合消息管理，實現(xiàn)配置消息的檢查、存儲與初始化。

服務完成注冊后，向消息管理模塊訂閱該服務啟動及運行過程中所需的全部參數(shù)。消息管理將該服務所訂閱的參數(shù)記錄到參數(shù)訂閱列表，并通過參數(shù)管理模塊獲取參數(shù)值后，發(fā)給消費者服務程序。如果某個參數(shù)值被修改，參數(shù)管理依據(jù)參數(shù)訂閱列表分發(fā)給各服務模塊。消息管理的體制如圖4。

圖4 消息管理服務結(jié)構(gòu)圖

路由拓撲、信道質(zhì)量等實時且不需要保存的信息，由提供者主動發(fā)布，消息管理按需分發(fā)給服務消費者。

這一設(shè)計的思想是：參數(shù)管理只需關(guān)注初始化配置參數(shù)，設(shè)備狀態(tài)信息無需初始化，由供方服務主動發(fā)布；設(shè)備新增的參數(shù)，只需信息提供方、需求方自行訂閱分發(fā)即可，核心管理模塊無需做任何更改。

2.3 通信中間件

本架構(gòu)中，服務間通信均通過通信中間件來實現(xiàn)。借鑒SCA 思想，通信中間件類似CORBA（Common Object Request Broker Architecture）的對象請求代理ORB。中間件以庫文件的形式集成到服務軟件中，通過宏定義選擇編譯，可廣泛移植于不同操作系統(tǒng)平臺。一般情況下，作為獨立的線程運行在各個調(diào)用服務中，在沒有操作系統(tǒng)的CPU 上，中間件可以是一個接口封裝。

通信中間件的功能包括：

1）自動完成通信目標的查詢及信息可靠傳輸；

2）為宿主程序提供同步、異步消息傳輸保障；

3）記錄各個模塊的通訊地址而無需每次發(fā)送消息重復查詢服務。

通信中間件的工作流程如圖5。

圖5 通信中間件工作流程圖

假設(shè)有服務A、B，在相互不知道對方是否存在的情況下，服務A 需要向服務B 發(fā)送業(yè)務時，服務A 向通信中間件發(fā)起試探，并從中間件獲得服務B的通信接口信息，隨后，即可向服務B 發(fā)起業(yè)務。通信的可靠性由通信中間件來保障。服務B 向服務A發(fā)起業(yè)務時，也是相同的操作。

通信中間件對外提供的接口如圖6 所示。

圖6 通信中間件結(jié)構(gòu)圖

消息中間件的創(chuàng)建由服務調(diào)用發(fā)起，服務需為通信中間件提供接收消息的回調(diào)函數(shù)。消息中間件的同步發(fā)送接口會阻塞服務進程，異步發(fā)送接口要求服務提供回調(diào)函數(shù)。

2.4 平臺基礎(chǔ)服務

平臺基礎(chǔ)服務包括日志服務及調(diào)試打印服務兩個基本服務和系統(tǒng)資源抽象服務。

(1) 日志服務

日志記錄了包括各服務啟動、異常現(xiàn)場、系統(tǒng)資源使用情況等重要信息[7]。日志服務的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中匯聚，周期性更新并保存到flash 上。

日志服務對外提供日志輸入與日志顯示兩種標準接口。外部程序按照接口要求調(diào)用獲得日志服務。日志服務的構(gòu)建如圖7 所示。

圖7 日志服務結(jié)構(gòu)圖

(2) 網(wǎng)絡調(diào)試打印服務

網(wǎng)絡調(diào)試服務提供基于優(yōu)先級的、支持本地/遠端信息輸出的服務[8]，結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 網(wǎng)絡調(diào)試打印服務結(jié)構(gòu)圖

調(diào)用print_config 標準接口啟動調(diào)試打印服務，并配置優(yōu)先級、輸出目標IP 等參數(shù)。通過xPrint 接口打印自定義的輸出格式數(shù)據(jù)。

(3) 系統(tǒng)資源抽象服務

服務對平臺IPC（Inter-Process Communication）、信號、串口等系統(tǒng)資源進行抽象化，將其封裝成標準的服務接口，無差別地為其他服務（包括通信中間件）提供支持。

2.5 公共應用服務

公共應用服務是指一般嵌入式通信設(shè)備均需要的一般服務，如人機交互服務、網(wǎng)絡管理服務、軟件維護服務、測試支撐服務等。

架構(gòu)支持 LED 顯示屏、WEB、控制臺命令（Shell）等多手段的人機交互方式，形成標準的接口對外提供調(diào)用服務。類似于以操作為對象，對外提供不同的網(wǎng)絡管理服務接口，為上層應用或服務提供網(wǎng)絡管控手段。

軟件維護服務主要是指軟件升級，涉及的場景共有三種，歸納于圖9 中。

圖9 軟件維護的三個場景

網(wǎng)絡中有服務器時，設(shè)備與服務器中的軟件進行版本檢測對比，不是最新版本則從服務器下載最新的軟件進行升級。沒有服務器時，設(shè)備之間自主進行軟件版本匹配，如果設(shè)備之間軟件版本不一致則從最新版本設(shè)備中下載新程序進行更新升級。

架構(gòu)中的測試支撐服務是一個集中處理可測試性的接入窗口服務。設(shè)備軟硬件可測試性主要由具體的硬件、軟件模塊提供支撐。

硬件可測試性支撐服務需要做到：提供各項硬件測試、檢測的執(zhí)行過程，并返回測試結(jié)果的自動測試功能；提供自動跳轉(zhuǎn)參數(shù)以滿足性能指標的自動校準功能。軟件可測試服務，指的是提供各項測試的測試用例、測試指令輸入口及執(zhí)行測試用例功能。

測試支撐服務整體結(jié)構(gòu)如圖10 所示。其具備的功能包括：

①支持測試指令、校準指令輸入；

②支持調(diào)試指令輸入；

③具備測試、校準操作執(zhí)行過程集合。

該服務對外提供輸入接口，可按照既定輸入規(guī)范，對軟硬件模塊進行狀態(tài)更改、控制及故障定位等進行測試與調(diào)試。

圖10 測試支撐服務結(jié)構(gòu)圖

3 平臺適應性分析

本設(shè)計選用的軟件架構(gòu)，適用于Linux 系統(tǒng)下ARM、PowerPC、X86 等平臺的嵌入式設(shè)備開發(fā)。核心管理服務在開發(fā)過程中，考慮程序移植性，支持多平臺的編碼設(shè)計，以宏定義的方式，針對不同的硬件平臺進行編譯選擇?？紤]Linux 的內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)特性，在內(nèi)核態(tài)中，通過自定義標準函數(shù)指針的形式，對外提供注冊注銷以及數(shù)據(jù)發(fā)送接口，其他軟件模塊動態(tài)注冊時提供其數(shù)據(jù)接收接口；應用態(tài)模塊間通過套接字進行模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。

本架構(gòu)下的服務，應用態(tài)下以.so 文件存在，內(nèi)核態(tài)下以.ko 文件形式存在。核心管理程序根據(jù)用戶需求，動態(tài)調(diào)用、加載相應服務程序；用戶結(jié)束服務后，殺死或卸載對應的服務，減輕CPU 的負載壓力。依據(jù)Linux 系統(tǒng)可剪裁的特性，可根據(jù)嵌入式設(shè)備不同的應用需求，調(diào)整Linux 系統(tǒng)的實時性、搶占式參數(shù)，對架構(gòu)中各模塊的優(yōu)先級進行設(shè)置，提高架構(gòu)在各平臺下不同應用場景的適配性。

4 結(jié)束語

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的應用背景，針對嵌入式設(shè)備可熱插拔、按需擴展、廣泛移植應用的需求，設(shè)計了可通用的主控軟件架構(gòu)。該軟件架構(gòu)基于SOA 思想進行設(shè)計，具有松耦合、易擴展、可移植、平臺無關(guān)等多個特點，已在多個項目和設(shè)備上實際應用，軟件的耦合性、擴展性、移植性均得到充分驗證，也可較好地適用于SCA、SDN 等技術(shù)的應用環(huán)境，具有良好的實用性和應用前景。