魏淳

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

航彈制導(dǎo)控制計(jì)算裝置應(yīng)用軟件框架設(shè)計(jì)研究

魏淳

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

文章以航空制導(dǎo)炸彈為研究對(duì)象，提出一種應(yīng)用軟件框架，并研究了以DSP處理器為計(jì)算裝置的軟件框架實(shí)現(xiàn)技術(shù)，從工程實(shí)際出發(fā)進(jìn)行了相關(guān)軟件框架的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。本研究不僅對(duì)航彈的開發(fā)提供了新的思路，而且拓展了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。

HLA；uC/OS；VOS；軟件框架

1 概述

航空制導(dǎo)炸彈是為了實(shí)現(xiàn)普通航彈精確打擊目標(biāo)而提出，是將現(xiàn)代精確制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于航彈。通過制導(dǎo)裝置接收信號(hào)，控制炸彈的飛行軌跡，最終擊中目標(biāo)。計(jì)算裝置是航彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)最重要的部件，其主要功能是完成彈上設(shè)備的管理、協(xié)調(diào)和控制，實(shí)現(xiàn)核心導(dǎo)航、控制和控制算法。計(jì)算裝置通常以微處理器為解算核心，要求在極短的周期內(nèi)完成對(duì)慣性器件的數(shù)據(jù)的采集、GPS數(shù)據(jù)的接受、1553B通信數(shù)據(jù)的接收與處理，在導(dǎo)航算法、制導(dǎo)控制算法的解算下形成控制指令輸出[1]。計(jì)算裝置典型接口如圖1所示。

圖1 計(jì)算裝置接口圖

對(duì)于不同計(jì)算裝置而言，計(jì)算裝置的核心處理器和體統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所不同，應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件不同，難以做到相互兼容、相互移植。 合理和理想的軟件應(yīng)該是易于相互移植，編寫一次，經(jīng)過簡(jiǎn)單的程序修改，就能在不同的硬件平臺(tái)運(yùn)行。由此，提出了應(yīng)用軟件框架思想，旨在解決上述困惑。

嵌入式應(yīng)用軟件框架是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)軟件，通常包括系統(tǒng)調(diào)度內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議棧、與硬件相關(guān)的虛擬化軟件等[2]。嵌入式應(yīng)用軟件框架應(yīng)具有通用操作系統(tǒng)的基本功能，包括系統(tǒng)資源管理模塊，系統(tǒng)調(diào)度模塊，硬件虛擬化模塊等，將硬件和軟件分隔，提供統(tǒng)一的API庫函數(shù)，移植和維護(hù)簡(jiǎn)單[3]。相對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式應(yīng)用軟件框架的突出的特點(diǎn)主要是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、硬件依賴性小等方面。

2 基于嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件框架的設(shè)計(jì)思路

應(yīng)用軟件框架基于分層的軟件設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)可配置、可移植、能靈活擴(kuò)展的嵌入式開發(fā)平臺(tái)。針對(duì)不同的硬件、不同的應(yīng)用迅速搭建整個(gè)軟件系統(tǒng)，不僅有效地減少開發(fā)的工作量，同時(shí)縮短開發(fā)時(shí)間、降低成本。為方便上層應(yīng)用程序的編寫，系統(tǒng)中各層有清晰的接口定義，通過其相應(yīng)的接口調(diào)用，上層應(yīng)用程序能獲得下層的系統(tǒng)服務(wù)，如圖2是應(yīng)用框架軟件體系結(jié)構(gòu)。

圖2 應(yīng)用圖軟2件框應(yīng)架用整軟體結(jié)件構(gòu)框圖架整體結(jié)構(gòu)圖

框架的最底層是硬件抽象層（HAL），HAL將應(yīng)用軟件框架及其功能模塊與底層硬件體系結(jié)構(gòu)徹底隔開，它是對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)硬件平臺(tái)進(jìn)行軟件虛擬化，將不同的硬件標(biāo)準(zhǔn)化為統(tǒng)一操作和控制，為上層VOS層提供統(tǒng)一的硬件操作接口，開發(fā)用戶通過實(shí)現(xiàn)或者簡(jiǎn)單修改相應(yīng)的硬件抽象層，實(shí)現(xiàn)上層操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在不同體系結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)上移植。硬件抽象層之上包括調(diào)度內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，調(diào)度內(nèi)核作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要包括任務(wù)管理、任務(wù)間通信及同步、內(nèi)存管理及中斷處理等功能。

3 應(yīng)用軟件框架核心層（VOS層）

圖3 嵌入式操作系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

軟硬件緊密藕合性是嵌入式系統(tǒng)的最大特征。決定了嵌入式操作系統(tǒng)的多樣性。不同操作系統(tǒng)的調(diào)用接口不統(tǒng)一，不利于應(yīng)用軟件移植及復(fù)用。所以接口的統(tǒng)一是大勢(shì)所趨。操作系統(tǒng)抽象層-VOS（Virtual operating System）就是這種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)[4-5]。

VOS層是一個(gè)中間層，處于嵌入式操作系統(tǒng)與應(yīng)用程之間，設(shè)計(jì)VOS層的目的是為了給程序員提供一個(gè)與下層具體操作系統(tǒng)無關(guān)的統(tǒng)一的API。VOS層可以減少應(yīng)用程序?qū)唧w的嵌入式操作系統(tǒng)的依賴，增加其通用性和復(fù)用性。VOS層的體系結(jié)構(gòu)如下圖3所示：（箭頭表示調(diào)用關(guān)系）

4 VOS層的具體實(shí)現(xiàn)

4.1 VOS層的API接口函數(shù)的設(shè)計(jì)

VOS層為最上層應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一的編程界面，即框架系統(tǒng)服務(wù)API接口，API接口是由下層操作系統(tǒng)提供的各種系統(tǒng)服務(wù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)上層應(yīng)用程序開發(fā)人員，不需要了解下層的操作系統(tǒng)，只需熟悉框架操作系統(tǒng)封裝層API就足夠了。VOS層模塊功能，包括任務(wù)管理、時(shí)間管理、通信管理、內(nèi)存管理等功能，VOS層部分模塊接口函數(shù)設(shè)計(jì)如下：

VOSTaskCreate（void （*task）（void*pd），void *pdata，OS_STK*ptos，INT8U prio）

4.2 VOS層的API接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

VOS層的API接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，利用C語言宏定義的方式與C++面向?qū)ο笾械亩鄳B(tài)性相結(jié)合來完成這個(gè)過程，其封裝流程如圖4所示。

圖4 對(duì)API函數(shù)FUC的封裝過程

VOS層實(shí)現(xiàn)后，上層應(yīng)用程序需要系統(tǒng)函數(shù)服務(wù)時(shí)，不必直接調(diào)用操作系統(tǒng)API，而是通過調(diào)用VOS層的API而間接調(diào)用操作系統(tǒng)API，消除了上層應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的直接耦合。封裝的重要思想是對(duì)于不同功能模塊，VOS層需要定義不同模塊的基類，然后在基類下派生出的其它類。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，在保持原有封裝操作系統(tǒng)模塊的功能的前提下，為上層應(yīng)用提供了系統(tǒng)服務(wù)。

下面以在操作系統(tǒng)uCOS-II下封裝API函數(shù)VOSTaskCreate（）為例，來說明VOS層的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)于其它的操作系統(tǒng)和模塊的封裝，其實(shí)現(xiàn)過程基本一致。

首先需要VOS層提供的對(duì)進(jìn)程進(jìn)行操作的虛基類，此類只需申明，不需實(shí)現(xiàn)類中的函數(shù)。

Class VOS_TASK

{Public：

Virtual int TASK_create（）；

Virtual int TASK_delete（）；

}；

其中，函數(shù)TASK_create（）和TASK_delete（）是虛函數(shù)，其功能是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的產(chǎn)生和結(jié)束，它們都是虛函數(shù)，不需在基類FR_TASK中實(shí)現(xiàn)。

此后需要定義一個(gè)基類VOS_TASK的繼承類uCOS-II_TASK，在繼承類 uCOS-II_TASK中用uCOS-II的API實(shí)現(xiàn)基類虛函數(shù)TASK_create（）和TASK_delete（）。

Class uCOS-II_TASK：public VOS_TASK

{Public：

Int TASK_create（）{OSTaskCreate（）；}

Int TASK_delete（）{OSTaskDel（）；}

}

其中，OSTaskCreate（）函數(shù)為操作系統(tǒng)uCOS-II下產(chǎn)生進(jìn)程的API函數(shù)；OSTaskDel（）為操作系統(tǒng)uCOS-II下結(jié)束進(jìn)程的API函數(shù)。

然后定義一個(gè)全局的指向基類的指針，再定義一個(gè)派生類的對(duì)象。

VOS_TASK*P；

#ifdef uCOS-II

uCOS-II_TASK uC_Pro；

#endif

其中全局指針p指向基類VOS_TASK，定義uC_Pro為派生類uCOS-II_TASK的對(duì)象。然后定義VOS層的API函數(shù)，使其具有全局作用域，這樣該函數(shù)就成為框架為應(yīng)用層提供的API函數(shù)，只有通過它應(yīng)用層才能獲得封裝操作系統(tǒng)的提供的相應(yīng)服務(wù)。這里只對(duì)框架API函數(shù)VOSTaskCreate（）進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

VOSTaskCreate（）

{#ifdef uCOS-II

P=＆uC_Pro；

#endif

P-＞TASK_create（）；/*轉(zhuǎn)向uCOS-II下的任務(wù)進(jìn)程創(chuàng)建*/

}

#ifdef判斷是封裝操作系統(tǒng)的類型，如果封裝操作系統(tǒng)是uCOS-II，那么需要讓基類指針p指向uCOS-II派生類下的對(duì)象P=＆uC_Pro，根據(jù)多態(tài)性，此時(shí)p指向的是uCOS-II操作系統(tǒng)下的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程函數(shù)OSTaskCreate（），實(shí)現(xiàn)通過基類的指針調(diào)用了被封裝操作系統(tǒng)對(duì)象的模塊實(shí)現(xiàn)。

如果有需要對(duì)多個(gè)操作系統(tǒng)的兼容，需要通過條件編譯語句#ifdef實(shí)現(xiàn)，其過程類似。這樣雖然應(yīng)用框架對(duì)進(jìn)程的操作實(shí)現(xiàn)是基于不同的操作系統(tǒng)，但是對(duì)上層則提供了統(tǒng)一的接口函數(shù)VOSTaskCreate（），與設(shè)計(jì)思路相符。

5 結(jié)論

在TMS320C6713硬件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件框架HLA層，封裝了操作系統(tǒng)uCOS-II作為VOS核心層。運(yùn)行多個(gè)任務(wù)進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，其實(shí)時(shí)性基本滿足航彈的基本應(yīng)用。但測(cè)試僅在DSP體系結(jié)構(gòu)上，仍需經(jīng)受其它硬件系統(tǒng)的考驗(yàn)，以證明其通用性。

[1]雄偉.航空炸彈通用制導(dǎo)控制計(jì)算裝置研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2007.

[2]徐際威.基于DSP的SINS/GPS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京理工大學(xué)，2006.

[3]蘇娟.基于uCOS-II的工業(yè)嵌入式平臺(tái)的研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]楊朝陽.虛擬操作系統(tǒng)中的POSIX實(shí)時(shí)接口的設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（1）：42-48.

[5]Dennis E.Hall.虛擬操作系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，1983，19（8）：47-54.

〔責(zé)任編輯 李?！?/p>

Research on Software Framework for G＆C Computer on Bomb

WEI Chun
（School of Physical Science and Electronics，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037009）

T his paper，with guided bombs for the study，presents a software framework，stud ies software framework implementation techniques for G＆C Computer on Bomb from engineering reality，and carr ies out the software framework for the design，implementation，and testing.This study not only provides a new way of thinking on the development of guided bombs，but develop s embedded system technology.

HLA；uC/OS；VOS；a pplication f ramework

O175

A

1674-0874（2012）03-0020-03

2011-10-15

魏淳（1978-），男，山西大同人，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。