伺服軟件組件產品化設計方法及應用

劉志蕾、張建國、王效亮、丁懷龍、宋茜 /北京精密機電控制設備研究所

軟件開發過程需要按照一定的生命周期模型開展，一般軟件開發包括以下幾個階段：需求分析、軟件設計、軟件測試、驗收交付和運行維護。當從零開始進行開發時，有大量的重復性工作，例如：不同軟件具有相同或相似的功能時，有重復性需求分析、編碼、測試及重復的項目文檔。

隨著型號任務的不斷增多，各型號配套伺服軟件開發設計及測試任務也越來越繁重，每個軟件設計/測試人員同時負責5 ～10 個型號軟件的開發/測試工作。為了在有限的人力資源條件下，縮短型號伺服軟件的開發及測試周期、降低開發難度的同時，進一步保證和提高軟件設計質量，研究所開展了軟件組件產品化工作。

一、總體思路

1.軟件組件產品化規劃框架

目前，研究所伺服軟件主要為伺服控制類、CPLD/FPGA 類和地面測試類三大類，3 類軟件持續開展產品化設計工作，在產品級、框架級、模塊級3 個層次形成系列化彈箭上伺服軟件產品，按照軟件工程化相關要求，完成產品化組件的代碼走查、單元測試、開發方測試、第三方測試和系統聯試，有條件的通過飛行試驗驗證，彈箭上伺服控制軟件重用率力爭達到60%以上。軟件產品化規劃框架如圖1 所示。

圖1 軟件產品化規劃框架

產品級組件主要是針對3 種情況：一是當一個型號完全借用另一個型號的硬件產品，且伺服控制類軟件不做任何修改時，該伺服控制類軟件屬于產品級重用；二是當硬件處理器平臺及其外圍電路模塊（主要是外圍邏輯電路）相同或基本相同，所配置的CPLD/FPGA 軟件可以實現產品級重用；三是地面測試類軟件中完成特定功能、可在多個型號通用的軟件也屬于產品級重用。產品級組件可以實現目標碼級的重用。

框架級組件主要依托不同的處理器平臺來開展，一個處理器平臺一般開發出一個通用框架級組件產品，所有以此處理器為平臺的軟件都重用此框架級組件產品。框架級組件產品一般為源代碼級的重用。

模塊級組件主要面向功能單元，當一個功能單元功能基本固定、性能基本一致的情況下，可以采取模塊封裝的形式形成模塊級組件產品，模塊級組件產品可以有很多，規模一般很小，主要是在軟件研制過程中積累起來的。模塊級組件產品可以實現目標碼級或源代碼級的重用。

2.制定產品化設計標準

研究所根據軟件組件的設計、測試、使用等方面的特點，結合軟件工程化實際，制定了《嵌入式軟件組件產品化設計要求》和《基于源代碼的軟件組件產品化設計要求》2 項標準，用于指導和推動軟件產品組件的研制和應用。同時，還制定了《軟件工程過程方針及通用要求》《軟件工程過程文檔及記錄格式要求》《軟件研制過程》《嵌入式軟件C語言編程要求》《可編程邏輯器件Verilog HDL 代碼設計要求》《伺服軟件靜態測試規范》《伺服軟件單元測試規范》和《伺服軟件配置項測試規范》等多項標準，用于指導軟件的編碼、研制文檔的編寫和軟件測試用例的設計，推動軟件產品化進程。

二、軟件組件產品化設計

1.模塊級組件設計

對伺服控制軟件進行功能分析和總結，各型號嵌入式伺服軟件的主要功能為采用1553B/CAN/422 總線完成與控制、遙測系統的信息通信，并完成系統閉環控制及性能補償功能。系統測試過程中，可以通過1553B/CAN/422 總線完成軟件的升級及控制參數的更改。

按照軟件功能的不同，軟件模塊主要有初始化模塊、閉環控制模塊、參數采集處理模塊、通信處理模塊和總線在線程序下載及參數裝訂模塊等5 大類。初始化模塊和閉環控制模塊由于各型號使用資源或需求的差異，不能達到較高的通用性和一致性，設計為源代碼模塊級組件。參數采集處理模塊、通信處理模塊和總線在線程序下載及參數裝訂模塊均涉及到軟件內外接口，通過進一步分析，參數采集處理模塊中常用的包括AD 采集和旋變位置采集處理，由于使用的通道和處理方式差異性較大，設計為源代碼模塊級組件。通信處理模塊中各軟件1553B 總線通信處理一致性更高，而CAN 總線和422 總線相對協議差異較大，不易統一，故1553B 總線通信處理模塊設計成目標碼模塊級組件，CAN/422總線通訊處理模塊設計成源代碼模塊級組件。總線在線程序下載及參數裝訂模塊均為研究所內使用，協議可統一，故均設計為目標碼模塊級組件。

源代碼模塊級組件和目標碼模塊級組件的開發流程均按照軟件工程化及GJB5000A 三級認證要求執行，其開發流程略有不同。目標碼模塊級組件開發流程見圖2。目標碼模塊級組件開發工作包括以下幾個方面：

圖2 軟件目標碼模塊級組件開發流程圖

（1）目標碼模塊級組件開發時需要組成專門的項目組，項目組設置可以在任務書中明確，至少要明確項目負責人、任務書提出人員、需求分析及設計人員、測試人員和配置管理人員，任務書提出人員、需求分析及設計人員、測試人員要相互獨立；

（2）目標碼模塊級組件需進行代碼走查、靜態分析、單元測試和配置項測試（需要有調用此組件的軟件配合），組件更改后需要進行代碼走查、靜態分析、單元測試、配置項測試和回歸測試，測試通過后作為組件產品發布新版本；

（3）目標碼模塊級組件的開發方配置項測試和第三方配置項測試應進行正式評審，一般與調用該組件的型號軟件一同開展。

源代碼模塊級組件開發要求如下：

（1）源碼模塊級組件的源代碼需從已交付使用過的軟件中提取；

（2）源碼模塊級組件研制過程中輸出2 個文檔，分別是組件使用說明和組件源代碼文件；

（3）源碼模塊級組件使用說明包含組件概述、組成、使用說明等部分；

（4）源代碼文件格式由所使用的編譯環境和編程語言決定，如.c、.cpp、.cs 文件等；

（5）源代碼需開展代碼走查，以會議紀要方式記錄，走查問題的跟蹤以會議問題的管理方式開展。

2.框架級組件的開發設計

框架級組件開發要求如下：

（1）選擇經過飛行試驗考核的有代表性的各平臺軟件，整個軟件工程作為框架級組件；

（2）框架級組件輸出2 個文檔，分別是組件使用說明和組件源代碼文件。其他要求與源碼模塊級組件開發要求基本相同。

框架級組件根據伺服軟件處理器平臺和配套伺服系統的不同進行設計開發，目前研究所共有6 個框架級組件。

3.產品級組件的開發設計

產品級組件開發流程與要求目標碼模塊級組件基本相同，不同之處在于地面測試類產品級組件無第三方測試要求。

針對3 種情況的產品級組件進行梳理，目前研究所可完全做到產品級重用的組件共11 個。

三、軟件組件的管理

1.組件的配置管理

各類型組件均作為一個獨立的軟件配置項進行開發庫、受控庫和產品庫的配置管理，嚴格履行軟件審批，組件通過第三方測試后方可納入產品庫。

2.組織級組件庫管理

組件納入配置管理后，通過評審后由組件設計人員納入組織級組件庫。納入組件庫時，需將組件源代碼/目標碼、組件使用說明和組件評審結論一同納入。

3.組件的重用

組件重用人員必須清楚組件的功能、性能、接口等內容，使用前需要詳細解讀組件使用說明中的所有內容，對組件的重用依據，包括組件的使用方式、數據接口、協議接口、調用方法、編程環境、硬件平臺、編譯器選項等內容進行分析，確保滿足組件的重用條件后從組織資產的組件庫中出庫。出庫時需要寫明應用的軟件，經過審批和再次確認方能進行實際應用。

重用組件型號軟件的相關設計文檔中需對軟件組件進行重用說明，并開展相應評審。

目標碼組件重用時不允許組件重用人員直接調用軟件源代碼，不允許其更改源代碼，不可對組件封裝庫進行更改。

續表表1 組件重用情況

源代碼組件重用時，如重用的需求與組件的功能不同，可以將源代碼復制修改后使用。

4.組件的更改

目標碼組件和產品級組件如果確實需要添加新的功能、性能要求，需與軟件組件項目負責人商議進行軟件升級；其更改由組件的設計人員進行，不允許組件使用者對其進行更改，更改必需履行更改審批，必要時進行評審。組件更改時需從受控庫出庫，組件更改完成后必須經過相應的測試，測試通過后方可納入配置管理。

四、軟件產品化應用

截至目前，研究所共有各級別組件37 個，其中模塊級組件20 個，框架級組件6 個，產品級組件11 個，且除地面測試類產品級組件外的其他30 個組件均已經過飛行試驗的考核，各組件自納入組織資產庫后應用情況見表1。

表1 組件重用情況

研究所在2012 年之前，軟件重用基本為框架重用，重用率約為17%；在線程序下載及參數裝訂組件成功應用后，重用率達到30%；1553B 總線控制軟件組件成功應用后，重用率約為33%；近年隨著源代碼級模塊組件逐步應用，軟件產品化進一步發展，目前軟件重用率可達65%。

各組件的成功應用實現了各軟件設計人員的優勢互補，集結每個設計人員的優勢、經驗和教訓，消除了包括分析、設計、編碼等大量的重復性工作，提高了軟件開發的效率；同時避免相似程序模塊的重復測試，減少了測試人員的工作量，測試效率可提高30%以上。軟件組件產品化工作的開展對縮短軟件開發周期、提高軟件產品質量都有著極其重大的意義。