一種事件驅(qū)動型嵌入式軟件框架設(shè)計

周春華

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007)

一種事件驅(qū)動型嵌入式軟件框架設(shè)計

周春華

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007)

提出了一種事件驅(qū)動型嵌入式軟件設(shè)計框架，抽象并實現(xiàn)了嵌入式軟件程序中包括基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、基于消息隊列的任務(wù)間通信、發(fā)行-訂閱服務(wù)、共享資源訪問和系統(tǒng)定時器服務(wù)等在內(nèi)的公共功能，簡化了嵌入式軟件的應(yīng)用程序設(shè)計。

嵌入式軟件；事件驅(qū)動；軟件框架

引 言

嵌入式軟件程序通常采用面向過程方式開發(fā)，然而隨著芯片成本的降低和需求的日益提高，嵌入式軟件程序規(guī)模越來越來大，這種開發(fā)方式越來越難以駕馭日漸復(fù)雜的嵌入式軟件程序，軟件工程中的面向?qū)ο笤O(shè)計思想和應(yīng)用程序框架設(shè)計理念開始逐漸成為嵌入式軟件開發(fā)的重要方向。

本文提出了一種事件驅(qū)動型嵌入式軟件框架，該框架抽象并實現(xiàn)了嵌入式軟件程序的大量公共服務(wù)任務(wù)，包括基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、基于消息隊列的任務(wù)間通信、發(fā)行-訂閱模式、共享資源訪問模式和系統(tǒng)定時服務(wù)等。在基于框架的程序設(shè)計中，嵌入式軟件框架控制系統(tǒng)的運行，用戶任務(wù)僅以被框架回調(diào)的方式運行，不僅簡化了程序開發(fā)，而且使程序設(shè)計更加安全，不易出錯。

1 事件驅(qū)動型嵌入式軟件框架

事件驅(qū)動型嵌入式軟件框架的工作原理如圖1所示，框架包括一個消息循環(huán)、一個任務(wù)就緒表、一個基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度器和一個消息隊列。

圖1 事件驅(qū)動型框架原理框圖

中斷到任務(wù)的通信，或是任務(wù)間的通信都通過消息隊列進(jìn)行。當(dāng)中斷或任務(wù)要向其他任務(wù)發(fā)送通知信息時，它會向消息隊列發(fā)送一條消息，并同時在任務(wù)就緒表中將目標(biāo)任務(wù)激活，這個消息包含了目標(biāo)任務(wù)的 ID、消息碼以及其他附加的消息內(nèi)容。

任務(wù)調(diào)度器會不斷檢查任務(wù)就緒表，并查找其中優(yōu)先級最高的任務(wù)(任務(wù)ID越小，優(yōu)先級越高)，當(dāng)找到一個被激活的優(yōu)先級最高的任務(wù)時，任務(wù)調(diào)度器會根據(jù)其ID檢查消息隊列發(fā)送給該任務(wù)的消息。因為任務(wù)是在消息發(fā)送的同時被激活的，因此這個時候隊列中一定存在發(fā)給該任務(wù)的消息。任務(wù)調(diào)度器找出這個消息后分發(fā)給相應(yīng)任務(wù)的消息處理函數(shù)進(jìn)行處理。當(dāng)隊列為空時，任務(wù)就緒表中也必然僅僅剩下一個空閑任務(wù)(空閑任務(wù)始終激活)，這時任務(wù)調(diào)度器會調(diào)用空閑任務(wù)的處理函數(shù)進(jìn)行一些系統(tǒng)空閑處理(通常將空閑函數(shù)設(shè)為空，即什么也不做)。

在事件驅(qū)動型系統(tǒng)開發(fā)中，用戶應(yīng)用系統(tǒng)被劃分為一個個獨立的任務(wù)，每個任務(wù)都具有一個唯一的ID號來標(biāo)識它們的優(yōu)先級和任務(wù)自身。每個任務(wù)都具有一個消息處理函數(shù)，這個消息處理函數(shù)在系統(tǒng)初始化時被注冊到框架，這樣當(dāng)框架查找到存在發(fā)送給該任務(wù)的消息時，會回調(diào)任務(wù)的消息處理函數(shù)進(jìn)行消息處理。

2 基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度算法

基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度算法可以采用參考文獻(xiàn)[1]中描述的算法，該算法中的任務(wù)就緒表如圖2所示。

圖2 任務(wù)就緒表

任務(wù)就緒表包括一個字節(jié)的優(yōu)先級分組變量taskpriogroup和一個優(yōu)先級變量數(shù)組taskprio[N]，N最大為8，即數(shù)組taskprio[N]最多可包含8個字節(jié)。

taskprio[N]中的每一個位都表示一個任務(wù)的就緒狀態(tài)，位的位置與任務(wù)ID的映射關(guān)系見圖2，這樣8個字節(jié)的taskprio[N]最多可以表達(dá)共 64個任務(wù) ID(1～64)的就緒狀態(tài)。當(dāng)某一個任務(wù)被激活時，對應(yīng)其 ID的位被置為1，當(dāng)任務(wù)未激活時，對應(yīng)的位被置為 0。

taskprio[0]中的任意一個位被置為1時，taskpriogroup的0位被置1，否則該位被清零；taskprio[1]中的任意一個位被置為1時，taskpriogroup的1位被置為1，否則該位被清零，以此類推。

這種算法的優(yōu)勢在于它的任務(wù)查找算法(在當(dāng)前任務(wù)就緒表中查找被激活的優(yōu)先級最高的任務(wù))執(zhí)行時間短而且具有確定的執(zhí)行時間，算法細(xì)節(jié)可參見參考文獻(xiàn)[1]。

圖 2 中的就緒表最多可以管理 64 個任務(wù)，對于一般的嵌入式軟件來說已經(jīng)足夠了。也可以通過擴(kuò)充優(yōu)先級分組變量 taskpriogroup和優(yōu)先級變量數(shù)組 taskprio[N]來擴(kuò)大框架管理的任務(wù)數(shù)。

3 主任務(wù)循環(huán)

不同于一般面向過程的嵌入式程序設(shè)計，事件驅(qū)動型系統(tǒng)的主任務(wù)循環(huán)由框架控制(如圖3所示)，框架會不斷地在任務(wù)就緒表中查找最高優(yōu)先級的任務(wù)，若無任務(wù)被激活，則框架會執(zhí)行空閑處理函數(shù)，之后繼續(xù)在就緒表中查找最高優(yōu)先級的任務(wù)，周而復(fù)始；若在就緒表中查找到被激活的任務(wù)，則框架會去消息隊列查找發(fā)給被激活的最高優(yōu)先級任務(wù)的消息，并回調(diào)該任務(wù)的消息處理函數(shù)進(jìn)行消息處理。從這里可以看到，當(dāng)使用嵌入式軟件框架進(jìn)行編程時，應(yīng)用程序設(shè)計者不必關(guān)注整個大循環(huán)的實現(xiàn)，大循環(huán)和任務(wù)的調(diào)度由框架控制，程序員所有的工作就是設(shè)計好消息處理函數(shù)，程序設(shè)計工作被簡單化了。

圖3 主任務(wù)循環(huán)流程圖

4 消息隊列與消息結(jié)構(gòu)

圖4 消息鏈表

為了便于消息的插入、刪除與查找操作，消息隊列采用單向鏈表實現(xiàn)，消息隊列結(jié)構(gòu)如圖4所示。通常情況下，單向鏈表僅維護(hù)一個隊列頭指針就可以了，其他元素都可以通過遍歷得到，圖中的鏈表與通常的單向鏈表相比，消息隊列多維護(hù)了一個尾指針，目的是減少在隊列中插入新元素的時間。

消息幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，消息幀內(nèi)容必須包括指向下一個消息節(jié)點的指針，目標(biāo)任務(wù)ID和一個消息碼，附屬內(nèi)容是可選的。

圖5 消息幀結(jié)構(gòu)

這里的目標(biāo)任務(wù)ID是一個多字節(jié)數(shù)組，長度與優(yōu)先級變量數(shù)組taskprio的長度相同，其中的每一個位表示一個任務(wù)ID，這樣做的目的是支持嵌入式軟件設(shè)計中的發(fā)行-訂閱模式，也就是面向?qū)ο笾械挠^察者模式[2],即多個任務(wù)可以向某個任務(wù)訂閱消息，這個任務(wù)需要向多個訂閱其消息服務(wù)的多個任務(wù)同時發(fā)送消息，此時，消息的發(fā)送不是單點的，而是群發(fā)的。

5 共享資源訪問

共享資源的訪問控制是嵌入式軟件設(shè)計中的常見問題，例如一個串口正在進(jìn)行通信時，另外的任務(wù)可能也會需要使用串口，就出現(xiàn)了資源的共享問題。在操作系統(tǒng)支持的搶占式多任務(wù)環(huán)境下，這個問題通常通過互斥型信號量來解決，在非搶占式多任務(wù)情況下，通常有以下幾種策略：

① 在頂層任務(wù)規(guī)劃時，確保不同任務(wù)對資源的使用時間錯開，不會發(fā)生資源競爭的情況,這種設(shè)計雖然很好，但有時很難做到。

② 在調(diào)用資源時，允許資源返回忙狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前要使用的資源為忙狀態(tài)時，它等待一段時間再重試，這種設(shè)計的缺點是不像前述的互斥型信號量一樣用一個統(tǒng)一的方法解決問題，每個調(diào)用任務(wù)都需要編寫超時等待函數(shù)，工作量比較大。

③ 共享資源內(nèi)嵌一個緩存機(jī)制。這正是本框架采取的方法，框架維護(hù)一個消息緩存隊列，當(dāng)共享資源正在處理一個消息，而另外一個消息不期而至?xí)r，共享資源可以將這個后到的消息放入緩存隊列，待當(dāng)前任務(wù)處理完畢后，再將這個緩存的消息轉(zhuǎn)移到主消息隊列，一旦被轉(zhuǎn)移到主消息隊列，這個消息就會被調(diào)度器檢查到并再次交給資源任務(wù)進(jìn)行處理。

6 系統(tǒng)定時服務(wù)

嵌入式系統(tǒng)中會有大量的定時需求，從毫秒級、秒級、甚至到分鐘級不等，操作系統(tǒng)通常會有一個時基為應(yīng)用程序提供定時服務(wù)，這個時基的周期通常為10～100 ms。本文的嵌入式軟件框架也提供了一個定時服務(wù)，當(dāng)用戶程序需要使用定時服務(wù)時，只需要調(diào)用框架提供的定時服務(wù)訂閱函數(shù)接口，通知框架定時的時間長度、單次還是周期定時以及定時時間到時框架發(fā)給任務(wù)的定時消息的消息碼。訂閱完成后框架就會按照指定的時間間隔和發(fā)送模式(單次還是周期)定時給任務(wù)發(fā)送消息。

框架的這個功能比通常的操作系統(tǒng)做得更好，通常的操作系統(tǒng)會提供一個固定的時基，當(dāng)任務(wù)需要更大的時基時，需要自己維護(hù)一個累加變量以累計時間。而框架可以直接提供任務(wù)所需要的任意長度的時間，進(jìn)一步簡化用戶程序的設(shè)計。框架內(nèi)部為任務(wù)維護(hù)了虛擬定時器[3]，當(dāng)任務(wù)向框架訂閱定時服務(wù)時，框架會為其維護(hù)一個虛擬定時器，這個虛擬定時器的時鐘源來自于系統(tǒng)的固定硬件定時器，在虛擬定時器的內(nèi)部會為任務(wù)維護(hù)時鐘累加變量，這樣框架僅在到達(dá)用戶指定的任務(wù)時間間隔時，才會向任務(wù)發(fā)送通知消息。

結(jié) 語

本文詳細(xì)描述了嵌入式軟件框架設(shè)計中的任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級算法以及任務(wù)通信隊列、發(fā)行-訂閱模式、共享資源的延遲訪問和系統(tǒng)定時服務(wù)等的實現(xiàn)方案，根據(jù)本文方案所設(shè)計的嵌入式軟件框架在多個工業(yè)產(chǎn)品中獲得應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，采用框架進(jìn)行程序設(shè)計不僅簡化了程序員的編程工作，而且使編程更加安全。

[1] Jean J,Labrosse.Micro C/OS-II,TheReal-TimeKernel,Second Editio[M].邵貝貝,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[2] 秦曉波.設(shè)計模式之禪[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[3] 李云.專業(yè)嵌入式軟件開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

周春華(博士)，主要研究方向為機(jī)電工程。

Event-driven Programming Frame Design for Embedded System

Zhou Chunhua

(Field engineering college,PLA Univ. of Sci&Tech,Nanjing 210007,China)

A kind of event-driven programming frame for embedded systems is proposed in this paper.The public functions in embedded software are abstracted and realized,which includes task schedule based on priority,communications based on message queue,publish-subscribe service,access of share-resources and timer services.So the application programming of embedded software is simplified.

embedded software;event-driven;software frame

TP336

A

士然

2016-11-17)