基于軟件總線技術的管控軟件框架設計

許 坤，沈 偉，鄧 洲

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

現(xiàn)代軟件開發(fā)的一個趨勢是軟件構(gòu)件化[1]。軟件開發(fā)的規(guī)模越來越大，功能越來越復雜，這對于軟件模塊的可靠性、可重用性提出了更高的要求。為了有效提高軟件開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期[2-3]，降低人力物力成本，基于構(gòu)件的軟件總線技術逐漸被廣泛應用。

軟件總線是為保證軟件系統(tǒng)開發(fā)過程規(guī)范性和系統(tǒng)應用中的適用性以及可擴展性而提出的一種設計思想。軟件總線是一種虛擬總線[4]，這組總線可以為多種語言編寫的不同類型不同功能的程序服務。軟件總線是一組標準的軟件模塊，它為計算機操作系統(tǒng)、各種軟部件提供數(shù)據(jù)傳輸，并為這些程序提供虛擬共享的通道與接口界面[3]。

本文基于軟件總線技術設計了一種管控軟件，對某大型系統(tǒng)中電磁收發(fā)設備的頻譜使用進行管理。該系統(tǒng)內(nèi)電子設備數(shù)量多、密度大、對電磁頻譜資源的占用存在較為嚴重的沖突，需要采取有效管理措施。本文設計的軟件，目的就是依據(jù)一定的決策規(guī)則對系統(tǒng)內(nèi)電子設備進行管控，實現(xiàn)各電子設備的兼容協(xié)同工作。

1 軟件總線技術

軟件總線是一組虛擬的數(shù)據(jù)傳輸通道和即插即用的構(gòu)件集成框架，也就是提供數(shù)據(jù)傳輸通道的軟件及其標準接口[2]，支持應用程序間、軟件構(gòu)件間的功能共享和信息交互，能有效降低應用程序之間、構(gòu)件之間的耦合度。

軟件總線一般完成4個基本功能[5]：

(1)通信功能：軟件總線的最重要功能，能夠?qū)崿F(xiàn)安裝在軟件總線上的由不同語言編寫的異構(gòu)構(gòu)件之間的相互通信。

(2)構(gòu)件調(diào)度功能：實現(xiàn)軟件構(gòu)件庫的管理，完成對軟件構(gòu)件的安裝、卸載、調(diào)用。

(3)管理控制功能：解決對軟件總線的合理分配、有效使用等問題。

(4)接口功能：解決軟件總線與不同語言編寫的軟件構(gòu)件間的通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌趩栴}。

“軟件總線+構(gòu)件”技術，可以理解為面向?qū)ο蠹夹g的擴展與提升。構(gòu)件是可復用軟件模塊，是被封裝的對象類。構(gòu)件實現(xiàn)一定的功能，可以單獨開發(fā)調(diào)試，調(diào)試完成后插入到軟件總線上使用[6]。軟件總線對構(gòu)件進行組裝集成，使多個構(gòu)件以公共接口互相連接，實現(xiàn)構(gòu)件的即插即用。接口規(guī)范的統(tǒng)一，使軟件總線與構(gòu)件、構(gòu)件與構(gòu)件之間的通信復雜度大大降低。軟件總線的結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1中，構(gòu)件安裝或加載到總線上，構(gòu)件間通過軟件總線進行通訊，相互協(xié)作，完成較為復雜的功能；部分構(gòu)件通過不同層次的總線生成復合構(gòu)件，再插入底層軟件總線，實現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分層，提供了一個可重用的軟件系統(tǒng)解決方案。

2 基于軟件總線的管控軟件框架設計

2.1 軟件基本框架

傳統(tǒng)軟件總線的設計思想，是著眼于網(wǎng)絡環(huán)境下的分布式應用[7]。本文在單機系統(tǒng)中基于軟件總線技術進行管控軟件開發(fā)，避免了分布式應用中面臨的容錯處理、負載平衡等比較繁瑣的問題。軟件總線及各構(gòu)件之間的通信采用消息機制，降低了構(gòu)件間的耦合性，增強了系統(tǒng)的靈活性與可擴展性。

管控軟件的框架見圖2。

圖2 管控軟件基本框架

在軟件框架中包含5類模塊：總線調(diào)度模塊、驅(qū)動模塊、策略模塊、設備信息處理模塊、顯示模塊，其功能描述如下：

總線調(diào)度模塊：創(chuàng)建軟件總線并維護其運行；創(chuàng)建消息隊列并維護其運行；對各軟構(gòu)件進行安裝、注冊以及卸載。

驅(qū)動模塊：包括網(wǎng)絡驅(qū)動、串口驅(qū)動、并口驅(qū)動3種構(gòu)件。網(wǎng)絡驅(qū)動為軟件系統(tǒng)提供了與外部進行網(wǎng)絡信息交換的功能，包括UDP協(xié)議和TCP協(xié)議2種通信協(xié)議方式。串口驅(qū)動為系統(tǒng)提供了與外部以RS232或RS422方式進行串口通訊的功能。并口驅(qū)動則為系統(tǒng)提供了與外部進行I/O通訊的功能。

設備信息處理模塊：包括若干個設備信息處理構(gòu)件，每個構(gòu)件對應被管控的一個外部電子設備。負責接收、處理、存儲外部設備的工作狀態(tài)及參數(shù)，以及策略模塊下發(fā)的管理命令。

策略模塊：包括一個管控策略構(gòu)件。根據(jù)收集到的各外部設備的工作狀態(tài)、參數(shù)，進行電磁兼容態(tài)勢判斷，依據(jù)一定的決策規(guī)則，作出綜合決策，并發(fā)出管控命令。

顯示模塊：包括一個人機界面構(gòu)件。負責顯示各外部設備的工作狀態(tài)、參數(shù)以及對各外部設備下發(fā)的管理命令。

2.2 軟件總線結(jié)構(gòu)分析

本文設計的軟件總線，核心是對構(gòu)件進行集成的鏈表結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件之間進行通信的的消息機制。鏈表是一種物理存儲單元上非連續(xù)的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)元素的邏輯順序通過鏈表中的指針鏈接次序?qū)崿F(xiàn)。鏈表由一系列結(jié)點組成。圖3描述了軟件總線的鏈表結(jié)構(gòu)。

圖3 軟件總線的鏈表結(jié)構(gòu)

這是一個雙向鏈表，可以從任意結(jié)點開始，很方便地訪問其前驅(qū)結(jié)點(通過prev指針)與后繼結(jié)點(通過next指針)。結(jié)點中包含一個構(gòu)件ID與指向該構(gòu)件對象的指針。對鏈表進行遍歷操作，很容易實現(xiàn)對各構(gòu)件的訪問。

構(gòu)件對象中包含數(shù)據(jù)、功能函數(shù)，以及規(guī)范的消息處理接口函數(shù)。構(gòu)件之間交互通過消息機制實現(xiàn)。軟件總線作為各個構(gòu)件的集成平臺，負責消息的傳遞、派發(fā)。軟件總線為構(gòu)件提供透明的服務，使遵循總線接口規(guī)范的構(gòu)件實現(xiàn)即插即用。

2.3 軟件總線的消息機制

消息中包含著構(gòu)件之間需要傳輸?shù)男畔ⅲ畔㈩愋桶ㄔO備狀態(tài)、數(shù)據(jù)、控制命令等，所以消息也有多種類型。消息結(jié)構(gòu)中包含多個域，其定義如表1所示。

表1 消息結(jié)構(gòu)中的域說明

構(gòu)件既是消息發(fā)生的主體與來源，也是消息派送的目的地。圖4描述了軟件總線的消息傳輸機制。應用程序工作時，總線調(diào)度模塊首先調(diào)用rngCreate函數(shù)創(chuàng)建1個ring buffer緩沖區(qū)，這是1個FIFO型消息隊列，緩沖區(qū)的大小根據(jù)程序的需要而定。當構(gòu)件由于外部事件驅(qū)動而產(chǎn)生消息后，即調(diào)用rngBufPut函數(shù)，把消息壓進消息隊列。與此同時，總線調(diào)度模塊中執(zhí)行著一個不斷從消息隊列中檢測消息的無限循環(huán)，一旦讀到了有消息存在，就調(diào)用rngBufGet函數(shù)提取消息，并調(diào)用MsgDispatch函數(shù)進行消息派送。消息派發(fā)的主要依據(jù)是消息中的目標。從鏈表的首結(jié)點開始，對目標進行構(gòu)件ID匹配，并按照鏈表的次序一直執(zhí)行到底。一旦檢測到有構(gòu)件的ID匹配成功，則由該構(gòu)件調(diào)用消息接收處理函數(shù)，完成消息響應。這個消息響應有可能會導致該構(gòu)件發(fā)出新的消息，并進而產(chǎn)生新一輪的消息循環(huán)。

2.4 管控軟件功能的實現(xiàn)

在VxWorks系統(tǒng)中進行如圖2所示的軟件總線框架設計，基于雙向鏈表結(jié)構(gòu)和消息機制，由總線調(diào)度模塊把生成的若干構(gòu)件進行集成。系統(tǒng)啟動后，對構(gòu)件進行注冊、初始化，開始工作并等待消息。作為驅(qū)動模塊的3個構(gòu)件：網(wǎng)絡驅(qū)動、串口驅(qū)動和并口驅(qū)動，將響應外部事件的激勵，接收外部設備的網(wǎng)絡報文、串口報文或I/O信號，轉(zhuǎn)化為內(nèi)部消息發(fā)給相應的設備信息處理構(gòu)件。收到消息的設備信息處理構(gòu)件從中提取并存儲設備狀態(tài)、數(shù)據(jù)，再發(fā)出消息給管控策略構(gòu)件。管控策略作為業(yè)務處理核心構(gòu)件，根據(jù)收集到的各外部設備工作狀態(tài)、參數(shù)，進行全局電磁兼容態(tài)勢判斷，依據(jù)一定的決策準則，作出綜合決策，以消息的形式發(fā)出管控命令給對應的設備信息處理構(gòu)件。設備信息處理構(gòu)件再根據(jù)業(yè)務規(guī)則生成管理命令報文或數(shù)字量信息，發(fā)送消息給驅(qū)動構(gòu)件，最終由驅(qū)動構(gòu)件完成報文或I/O信號的發(fā)出。

圖4 軟件總線的消息傳輸機制

3 結(jié)束語

基于軟件總線技術進行軟件系統(tǒng)開發(fā)，具有即插即用、靈活性、開放性、易擴展性等優(yōu)點，大大提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本與難度，逐漸成為軟件開發(fā)的主流技術。本文基于軟件總線技術設計的管控軟件，有效解決了某系統(tǒng)內(nèi)部的電磁頻譜沖突問題，使系統(tǒng)內(nèi)各電子設備協(xié)同工作。該軟件框架具有通用性與可擴展性，適用于單機系統(tǒng)的軟件開發(fā)設計。