姜曉輝，郭久武，王 博，劉 承，崔賽楠

(1.北京特種機電技術研究所測評中心，北京100012;2.中國兵器工業(yè)計算機應用技術研究所車電系統(tǒng)研發(fā)部，北京100089)

0 引 言

目前航電、車電、船電計算處理環(huán)境均向集群處理機方向發(fā)展，呈現(xiàn)信息集中處理、設備分布控制，軟件采用構件集成等特點，軟件發(fā)展表現(xiàn)為以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)互連互通，洛克希德馬丁等幾家國際軍工公司制定了軟件數(shù)據(jù)中心服務規(guī)范標準——數(shù)據(jù)分發(fā)服務［1－3］。該標準只定義了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存在形式和通信架構，對應用軟件集成規(guī)范和形態(tài)并沒有明確規(guī)定。筆者針對嵌入式設備資源受限、軟件集成困難、通信環(huán)境復雜等問題，提出了嵌入式軟件構件形態(tài)、構件化軟件體系結構，改進了在分布式集群處理機環(huán)境下設備之間通信數(shù)據(jù)的處理方式［4］，并在嵌入式實時操作系統(tǒng)中得到實施驗證。

1 嵌入式軟件構件形態(tài)

嵌入式軟件構件是具有獨立業(yè)務功能、可獨立部署，通過標準化的接口與其他軟件構件進行信息交互的軟件實體［5－7］。構件所完成的獨立業(yè)務功能由構件設計者按各自的需要設計。

為在資源受限的嵌入式環(huán)境下，實現(xiàn)構件的資源管控與構件的信息交互，筆者對軟件構件的形態(tài)進行了規(guī)范，設計了軟件構件基類，為構件提供了標準化的構件集成接口。包括:構件的初始化、啟動、停止和卸載接口;提供統(tǒng)一的信息訂閱、發(fā)布接口;提供構件配置接口，便于構件的開發(fā)人員進行定時器處理、創(chuàng)建任務等。

嵌入式軟件構件形態(tài)如圖1所示。要將各軟件構件裝配在一起，形成一個完整的應用系統(tǒng)，每個軟件構件還需要一個描述性的文件。構件描述文件描述了軟件構件的裝配信息，包括構件名稱、標識符、版本、啟動入口函數(shù)、屬性和優(yōu)先級等信息。通過讀取構件描述文件，實現(xiàn)構件的運行時集成。

通過基類規(guī)范了嵌入式軟件構件的標準接口，在軟件構件集成時能有效對軟件構件進行管控，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

圖1 嵌入式軟件構件形態(tài)Fig.1 Embedded software component formation

2 分布式集群處理機通信處理

電子信息系統(tǒng)內(nèi)部處理機環(huán)境十分復雜［8，9］，包括通用的處理單元和各種專用處理單元，如數(shù)字信號圖像處理板、專用的數(shù)據(jù)交換板、數(shù)據(jù)采集設備、配電管理設備等;此外，通用的計算處理機設備的結構形式也不同，幾個處理單元之間緊密耦合在一起，組成集成處理機，集成處理機之間可通過數(shù)據(jù)交換單元連接在一起，組成松散的集群處理機;通用處理單元和專用處理單元之間通過不同的總線連接在一起，如專用的DSP(Digital Signal Processor)處理板與通用處理單元可通過機內(nèi)總線(如:PCI(Peripheral Component Interconnect)、PCI－e、RapidIO、FC(Fiber Channel))進行數(shù)據(jù)通信，不同集成處理機的通用處理單元之間可通過外部網(wǎng)絡總線進行數(shù)據(jù)通信，通用處理單元可通過外部網(wǎng)絡總線(如:CAN(Controller Area Network)、FlexRay)與遠端專用設備進行數(shù)據(jù)通信［10，11］。分布式集群處理環(huán)境如圖2所示。

圖2 分布式集群處理機環(huán)境Fig.2 Distributed cluster processor environment

主要包括分布式集群處理機各通用處理單元之間的通用網(wǎng)絡通信處理和通用處理單元與遠端專用設備信息交互的專用網(wǎng)絡通信處理。

通用網(wǎng)絡通信處理負責將每個通用處理單元部署運行的軟件構件所發(fā)布的信息通過交換網(wǎng)絡發(fā)布到其他通用處理單元，實現(xiàn)各通用處理單元間信息的共享。

對于構件之間產(chǎn)生的周期發(fā)布信息，信息服務按照發(fā)布周期向其他通用處理單元進行組播;對于觸發(fā)信息，當信息更新時向其他通用處理單元進行組播。分布式集群處理機環(huán)境下信息共享工作流程如圖3所示。

圖3 分布式集群處理機環(huán)境下通用信息共享工作流程Fig.3 General information sharing's working principle in distributed cluster－processor environment

對分布式集群處理機環(huán)境中設備按照軟件平臺網(wǎng)絡地址模型進行地址編號，并分配獨立的通信網(wǎng)絡地址，在系統(tǒng)中唯一存在。通過軟件平臺提供的分布式信息共享分發(fā)，實現(xiàn)軟件構件在不同的通用處理單元的信息交互，使有信息交互的軟件構件部署運行在不同的通用處理單元也能正常交互信息，實現(xiàn)了軟件構件與自身部署運行位置無關，分布式集群處理機環(huán)境信息共享流程如圖4所示。通用處理單元間信息交互網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換指令格式如圖5所示。

圖4 分布式集群處理機環(huán)境信息共享流程Fig.4 Information sharing process indistributed cluster－processor environment

圖5 交換指令數(shù)據(jù)格式Fig.5 Exchange instruction data format

指令的字段具體含義如表1所示。

表1 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換指令說明Tab.1 Instruction of network data exchange

為提高網(wǎng)絡通信效率，對通用處理單元進行了信息域的劃分，并通過組播的方式一次性向分布式集群處理機環(huán)境下域內(nèi)的通用處理單元發(fā)布信息，組播及點對點信息通信均采用交換指令，節(jié)點接收到信息指令后，按指令解析處理，并更新到全局信息空間。

專用設備可通過標準的uPNP協(xié)議接入通用計算處理設備中［12，13］，但實際工程應用中存在大量的行業(yè)專用設備，沒有實現(xiàn)uPNP協(xié)議。專用網(wǎng)絡通信處理就是為專用設備定制的信息服務，為接入這些專用設備，可為不同的專用設備定制對應的專用信息服務，通過適配方式將專用設備數(shù)據(jù)轉換為通用的信息數(shù)據(jù)，適配轉換示意圖如圖6所示。

圖6 專用設備信息適配Fig.6 Specialized equipment information adapted

3 嵌入式構件化軟件平臺

3.1 平臺體系結構

分布式集群處理機環(huán)境涉及硬件平臺、總線類型繁多，為方便上層應用軟件開發(fā)，在分布式集群處理機環(huán)境下采用平臺化的軟件架構，以構件化的形式集成應用功能。軟件平臺具備清晰的層次關系和接口關系，實現(xiàn)應用與服務的分離，降低軟件之間的耦合程度，提高軟件的可靠性與可重用性。分布式集群處理機軟件體系結構如圖7所示。

軟件平臺可方便地對各功能系統(tǒng)軟件構件快速集成，各構件間無耦合與依賴關系，能采用“構件組裝”的方式，按不同功能需求組合出不同的應用軟件;提供軟件構件信息交互環(huán)境，軟件構件開發(fā)只需專注于自身的信息與邏輯處理，與通信鏈路無關，與軟件構件部署運行位置無關;能有效監(jiān)控和管理軟件構件對系統(tǒng)資源的使用情況，提高軟件穩(wěn)定性與可靠性。

圖7 分布式集群處理機軟件總體結構Fig.7 Overall structure of software of distributed cluster processor

3.2 軟件構件動態(tài)集成

各軟件構件通過系統(tǒng)配置藍圖文件進行組裝，平臺軟件負責加載運行該文件所配置的軟件構件。軟件構件的動態(tài)集成如圖8所示。

3.3 軟件構件信息服務

軟件構件間通信以信息為數(shù)據(jù)交換基礎。采用全局信息空間的概念，所有對該空間中的信息感興趣的軟件構件都可方便地訂閱或發(fā)布相應的信息［14，15］。使軟件構件開發(fā)人員能致力于構件內(nèi)部功能的實現(xiàn)，無需關注底層通信的復雜性，而使構件間信息交互與底層通信鏈路及構件所運行位置無關。構件信息交互如圖9所示。

圖8 軟件構件動態(tài)集成示意圖Fig.8 Dynamic integration software component diagram

圖9 構件信息交互Fig.9 Component information interaction

通過軟件平臺提供的軟件構件訂閱/發(fā)布信息接口，實現(xiàn)軟件構件間的松耦合關系，軟件構件均可獨立部署在軟件平臺上，與其他軟件構件無依賴關系。平臺軟件可保證多構件能并發(fā)實時處理數(shù)據(jù)，可提供5 ms的最小訂閱信息周期。

3.3.1 軟件構件運行管理

為實現(xiàn)軟件構件的調(diào)度與構件運行時的資源管控，要求所有的軟件構件必須提供初始化、啟動、停止與卸載接口，軟件構件集成環(huán)境通過讀取相應的配置文件動態(tài)加載軟件構件后，依次調(diào)用加載的軟件構件的初始化與啟動接口，完成軟件構件的啟動。

構件描述文件中還描述有構件使用的內(nèi)存情況、信號量使用情況等資源描述信息。軟件構件集成環(huán)境加載軟件構件時，同時記錄每個構件的資源使用情況，并在運行過程中，通過操作系統(tǒng)提供的接口監(jiān)控系統(tǒng)中每個任務使用的資源情況。將不同任務的資源使用情況匯總形成各個軟件構件的資源使用情況匯總，當構件資源超過描述文件中規(guī)定值時，軟件構件集成環(huán)境調(diào)用構件的停止接口，停止構件的運行，并釋放相應的資源，再調(diào)用卸載接口，完成構件的卸載。

3.4 軟件構件冗余備份

3.4.1 單元級冗余備份

集群處理機軟件通過一套配置文件，實現(xiàn)了系統(tǒng)中軟件構件動態(tài)部署與系統(tǒng)的冗余備份設計。集群處理機各通用處理單元均存放系統(tǒng)所有軟件構件的庫文件與相關描述文件，同時各通用處理單元各自有一個節(jié)點藍圖配置文件，用來描述通用處理單元所部署軟件構件組成關系以及通用處理單元間的冗余備份關系。

分布式集群處理機環(huán)境下各通用處理單元之間通過交換網(wǎng)絡以定期廣播的方式進行心跳檢測，一段時間為未接收到目標節(jié)點的心跳信息即認為目標節(jié)點失效，啟動冗余備份策略。單元級冗余備份策略如圖10所示。

圖10 單元級冗余備份Fig.10 Unit－level redundant backup

通用處理單元2按照預先配置好的冗余備份策略對通用處理單元1進行監(jiān)測，通過任務網(wǎng)絡以1 s為周期向通用處理單元1發(fā)送心跳信息，詢問通用處理單元1系統(tǒng)運行狀態(tài)，通用處理單元1應立即將心跳信息反饋給通用處理單元2，如通用處理單元2在3 s內(nèi)未接收到通用處理單元1反饋的狀態(tài)信息，則認為通用處理單元1工作不正常，通用處理單元2按照配置藍圖加載并運行通用處理單元1所加載運行的功能構件，代替通用處理單元1實現(xiàn)系統(tǒng)功能，完成系統(tǒng)的冗余重構過程。

3.4.2 構件級冗余備份

構件級冗余備份是更細粒度的冗余備份，是在監(jiān)控節(jié)點在線的情況下，進一步判斷監(jiān)控節(jié)點內(nèi)構件的運行狀態(tài)。當監(jiān)控的構件為異常狀態(tài)時，加載并運行該構件，代替監(jiān)控節(jié)點的異常構件完成構件的業(yè)務功能。構件級冗余備份策略如圖11所示。

圖11 構件級冗余備份Fig.11 Component－level redundant backup

4 結語

通過規(guī)范軟件構件形態(tài)和開發(fā)規(guī)范能很好地解決聯(lián)合開發(fā)嵌入式軟件的集成問題，通過信息分享機制滿足了分布式處理機之間的信息共享問題。目前已經(jīng)應用于嵌入式實時操作系統(tǒng)(VxWorks)中，驗證了筆者提出的嵌入式軟件構件形態(tài)、分布式集成處理機通信處理、嵌入式構件化軟件平臺，并應用于實際的車輛綜合電子系統(tǒng)分布式集群處理環(huán)境中。整個系統(tǒng)包括6個通用計算處理設備和47個專用處理設備，共集成32個軟件構件，經(jīng)驗證，系統(tǒng)運行良好。

由于目前所采用的嵌入式實時操作系統(tǒng)只提供了平板內(nèi)存管理機制，每個軟件構件都能訪問全部地址空間，在該系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件構件模型是不安全的。隨著嵌入式實時操作系統(tǒng)的技術發(fā)展，提供了實時進程(Real Time Process)的應用編程接口，能對每個進程訪問的地址空間進行有效的隔離保護。作者將在現(xiàn)有研究成果的基礎上，結合嵌入式實時操作系統(tǒng)實時進程的新特性逐步完善軟件構件集成安全可靠性方面的工作。

［1］谷青范，康介詳，馮國良，等.動態(tài)自適應DDS實時中間件的研究與實現(xiàn)［J］.計算機科學，2012，39(7):36－38.GU Qingfan，KANG Jiexiang，F(xiàn)ENG Guoliang，et al.Reasearch on Implementation of Dynamic Adaptive Real－Time Middleware Based on DDS ［J］.Computer Science，2012，39(7):36－38.

［2］孫文俊，馮燕，張宏宇.基于DDS的實時信息交換平臺研究［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術，2011，2(1):49－53.SUN Wenjun，F(xiàn)ENG Yan，ZHANG Hongyu.Research on Real－Time Data Exchange Platform Based on DDS ［J］.Command Information System and Technology，2011，2(1):49－53.

［3］盧傳富，錢興華.實時數(shù)據(jù)發(fā)布服務的研究［J］.艦船電子工程，2006，26(1):32－38.LU Chuanfu，QIAN Xinghua.Research of Real－Time Data Delivery Service［J］.Ship Electronic Engineering，2006，26(1):32－38.

［4］ANDREW S TANENBAUM，MAARTEN VAN STEEN.分布式系統(tǒng)原理與泛型［M］.2版.北京:清華大學出版社，2008.ANDREW S TANENBAUM，MAARTEN VAN STEEN.Distributed Systems Principles and Paradigms［M］.2 ed.Beijing:Tsinghua University Press，2008.

［5］曹敬瑜，柴瑋巖，王博，等.嵌入式分布計算環(huán)境下的高效軟件構件化框架研究［J］.兵工學報，2013，35(4):451－458.CAO Jingyu，CHAI Weiyan，WANG Bo，et al.Reasearch on Efficient Software Component Framework for Embedded Distributed Computing Environment［J］.Acta Armamentaril，2013，35(4):451－458.

［6］丁博，王懷民，史殿習，等.一種支持軟件可信演化的構件模型［J］.軟件學報，2011，22(1):322－332.DING Bo，WANG Huaimin，SHI Dianxi，et al.Component Model Supporting Trustworthiness－Oriented Software Evolution［J］.Journal of Software，2011，22(1):322－332.

［7］王琦，曾廣平，楊傾生.基于構件的服務模板研究［J］.計算機工程與設計，2013，34(7):44－50.WANG Qi，ZENG Guangping，YANG Qingsheng.Study on Service Template Based on Component［J］.Computer Engineering and Design，2013，34(7):44－50.

［8］胡黃水，秦貴和.基于實際無線環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制算法［J］.吉林大學學報:工學版，2012，37(4):958－962.HU Huangshui，QIN Guihe.Real Wireless Environment Based to Pology Control Algorithm for Wireless Sensor Networks［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2012，37(4):958－962.

［9］陳思國，姜旭，王健，等.車載自組網(wǎng)與通用移動通信系統(tǒng)混雜網(wǎng)絡技術［J］.吉林大學學報:工學版，2013，38(3):706－710.CHEN Siguo，JIANG Xu，WANG Jian，et al.Mashup of Vehicular Ad－Hoc Network and Universal Mobile Telecommunications System ［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2013，38(3):706－710.

［10］XU Bing，QIN Guihe.Control of MOST Network Equipment Based on Speech Interface ［J］.Computer Engineering and Design，2009，29(2):268－271.

［11］蘇偉，楊斌.數(shù)據(jù)分發(fā)服務在分布式嵌入式系統(tǒng)中的研究與設計［J］.成都信息工程學院學報，2011，26(1):72－76.SU Wei，YANG Bin.The Study and Design of Data Distribution Service in Distributed and Embedded Systems［J］.Journal of Chengdu University of Information Technology，2011，26(1):72－76.

［12］王傳勝，李喬儒.基于JMS的消息服務的研究與開發(fā)［J］.計算機工程與設計，2005，26(12):35－41.WANG Chuansheng，LI Qiaoru.Research and Application of Message Service Based on JMS ［J］.Computer Engineering and Design，2005，26(12):35－41.

［13］QIN Guihe，LI Baoling，SONG Yiqing，et al.Design of In－Vehicle MOST Network Audio Node ［J］.Computer Engineering and Applications，2007，26(2):94－96.

［14］馮慶，桑楠，熊光澤.嵌入式應用中運行支撐框架的構件化技術研究［J］.計算機科學，2005，32(3):152－155.FENG Qing，SANG Nan，XIONG Guangze.Research on Component－Based Runtime－Supporting Framework of Embedded Systems［J］.Computer Science，2005，32(3):152－155.

［15］李玲，付園，麻曉珍，等.云存儲系統(tǒng)中數(shù)據(jù)冗余策略優(yōu)化問題［J］.吉林大學學報:信息科學版，2013，31(1):1－7.LI Ling，F(xiàn)U Yuan，MA Xiaozhen，et al.Research of Data Redundancy Policy Optimization Problem in Cloud Storage System［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2013，31(1):1－7.