松耦合嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計研究與實現(xiàn)

摘要：本文在嵌入式軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了一種松耦合設(shè)計的方法。通過嵌入式軟件系統(tǒng)地橫向松耦合，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)中各個子模塊可以單獨編譯，單獨運行，模塊間故障隔離以及系統(tǒng)運行時動態(tài)升級的目的；通過嵌入式軟件系統(tǒng)的縱向松耦合設(shè)計，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)跨操作系統(tǒng)，跨硬件平臺運行的需求。通過實驗結(jié)果以及在數(shù)據(jù)通信設(shè)備中的應(yīng)用表明，松耦合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計具有良好的可擴展性和可移植性，非常適合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；松耦合設(shè)計；可移植性

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 24-0168-02

1 引言

松耦合就是降低系統(tǒng)部件和部件之間的偶合性，也就是降低部件的依賴性，使得部件之間相對獨立，這樣對于日后系統(tǒng)的維護及擴展都是很有好處的。在應(yīng)用軟件開發(fā)中，松耦合設(shè)計模塊得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了比較大的效果，而在嵌入式開發(fā)中，應(yīng)用卻比較少見。在一個嵌入式軟件系統(tǒng)中，由于模塊與模塊之間相互調(diào)用函數(shù)，共享全局變量等，造成了模塊之間緊耦合的關(guān)系，一個模塊出現(xiàn)故障時，會造成其他模塊甚至整個軟件系統(tǒng)的崩潰。如果各個模塊之間是松耦合的關(guān)系，相互隔離，能夠單獨進行編譯，安裝，出現(xiàn)上述問題的可能性將會降低。更重要的是，在保持模塊間松耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件運行時對單個模塊的升級而不影響整個系統(tǒng)。

與此同時，嵌入式軟件一般都與操作系統(tǒng)以及硬件平臺關(guān)系緊密，系統(tǒng)跨平臺移植一直是一項比較復(fù)雜的工作。特別在通信產(chǎn)品的嵌入式軟件開發(fā)中，對于一些公共的協(xié)議模塊，比如路由協(xié)議（OSPF，BGP），應(yīng)用協(xié)議（DHCP，F(xiàn)TP），這些在所有的產(chǎn)品中都是通用，而各個通信產(chǎn)品所用的硬件平臺和嵌入式操作系統(tǒng)是不一樣的，使這些模塊成為一個平臺，實現(xiàn)各個產(chǎn)品與平臺的無縫銜接，具有較高可移植性，是嵌入式軟件系統(tǒng)縱向松耦合設(shè)計的目標。

2 松耦合設(shè)計的方法

圖1為整個系統(tǒng)的架構(gòu)思想，對于松耦合的主要設(shè)計思想為上下分離，左右分開。該系統(tǒng)總共分為三層。

層1：主要是各個業(yè)務(wù)模塊，每個業(yè)務(wù)模塊可以是一個功能模塊，也可以是一個獨立的協(xié)議模塊，這些模塊就像刀片服務(wù)器一樣，能實現(xiàn)即插即用，具有高可擴展性。

層2：消息代理器層，這是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是本文的核心思想，從圖中可以看出，它是連接業(yè)務(wù)模塊之間，以及業(yè)務(wù)模塊與操作系統(tǒng)的樞紐。

層3：也是最底層，包括操作系統(tǒng)和硬件，本文設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)不包括這層，對于不同的硬件架構(gòu)的產(chǎn)品，這一層是不一樣的。

消息代理模塊是本設(shè)計的核心部件，它是連接模塊間以及軟件與操作系統(tǒng)以及硬件之間的橋梁。橫向松耦合通過它實現(xiàn)了模塊間通信，是星型通信模型的中心節(jié)點；縱向松耦合通過它實現(xiàn)了軟件與操作系統(tǒng)以及硬件的通信，實現(xiàn)了平臺無關(guān)性功能。

圖1 松耦合嵌入式軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 橫向松耦合設(shè)計

模塊和模塊之間相互隔離，每個模塊即一個任務(wù)，有自己獨立的堆?？臻g，它們之間不能相互調(diào)用函數(shù)，也不能相互訪問其他任務(wù)的全局變量。模塊和模塊之間只能通過進程間通信方式進行通信。由于有很多個模塊同時存在，一般情況下，各個模塊之間的通信模型是網(wǎng)狀模型，如圖2所示，我們在這里使用了星型模型，通過設(shè)立了一個消息代理模塊作為各個模塊通信的中轉(zhuǎn)站，各個模塊只需要和消息代理模塊建立連接即可，由消息代理模塊完成消息的發(fā)送。

模塊和消息代理之間是C/S關(guān)系，業(yè)務(wù)模塊是客戶端，消息代理模塊是服務(wù)器端。它們之間的通信方式包括兩種類型，一種是直接消息通信，另外一種是訂閱發(fā)布模型。 直接消息通信用于1對1的通信，而訂閱發(fā)布則用于多對1的通信，比如接口模塊檢測到網(wǎng)絡(luò)接口的Up/down狀態(tài)后，需要通知給多個模塊進行相應(yīng)處理。

圖2 星型通信模型

2.2 縱向松耦合設(shè)計

縱向耦合設(shè)計主要是為了解決嵌入式軟件在不同操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件平臺（商用芯片，網(wǎng)絡(luò)處理器）的可移植性。首先對于操作系統(tǒng)，我們在這里主要考慮linux和vxworks。這兩個操作系統(tǒng)在任務(wù)管理和內(nèi)存管理方面相差比較多，如何做到軟件在這兩個系統(tǒng)間切換時候，修改工作量較??；而對于商用芯片，由于各個廠家芯片提供的API接口也是各不相同。如圖1所示，我們在消息代理器增加了兩個抽象層，一個是硬件抽象層，一個是平臺抽象層，這兩層都是兩個不同的任務(wù)，它們和業(yè)務(wù)模塊之間通過消息代理器進行通信。

HAL：主要是對芯片的抽象，業(yè)務(wù)模塊有些信息需要寫入到芯片中，比如路由信息等。HAL層通過接收到業(yè)務(wù)模塊發(fā)來的路由信息，需要進行整合和適配到不同芯片，以實現(xiàn)跨芯片的無縫移植。

PAL：主要實現(xiàn)了內(nèi)存管理的適配，以及與內(nèi)核通信的適配，為不同內(nèi)核提供了不同的通信方式。業(yè)務(wù)模塊通過PAL層與內(nèi)核進行通信，獲取相關(guān)信息。

3 消息代理器

從上面介紹可以看出，整個松耦合系統(tǒng)設(shè)計的核心就是消息代理器，它完成了各個業(yè)務(wù)模塊之間的通信，同時也是連接底層操作系統(tǒng)內(nèi)核以及硬件的通道。消息代理器的設(shè)計主要分為三個部分。客戶端，服務(wù)器端，消息處理。各個部分的作用如下：

客戶端：業(yè)務(wù)模塊通過客戶端向服務(wù)器注冊，并且訂閱感興趣公共消息類型。

服務(wù)器端：服務(wù)器端偵聽各個業(yè)務(wù)模塊的注冊信息，并且維護各個客戶端的信息，并進行消息的發(fā)送與接受。

消息處理端：主要提供對服務(wù)器端和客戶端之間消息的封裝與解封裝。

消息代理器的工作過程如下：3.1 初始化過程，包括服務(wù)器端的初始化和客戶端的初始化，客戶端的初始化由各個業(yè)務(wù)模塊完成，每個業(yè)務(wù)模塊都初始化一個客戶端的實例。3.2 客戶端發(fā)起連接，服務(wù)器端收到連接后需要對連接成功的客戶端建立一個鏈表，用來保存客戶端信息，為后續(xù)通信做準備。3.3 客戶端與服務(wù)器端通信。通信由業(yè)務(wù)模塊發(fā)起，消息處理端進行消息的封裝，封裝完后，發(fā)送給服務(wù)期端，服務(wù)器端根據(jù)保存的客戶端鏈表來確認消息是從哪個客戶端發(fā)來的，然后進行對應(yīng)的回調(diào)處理。

圖3 消息代理器初始化過程

圖4 客戶端向服務(wù)器發(fā)起連接流程

4 總結(jié)與展望

通過將各個業(yè)務(wù)模塊設(shè)計成刀片式的應(yīng)用，并借助于消息代理器將業(yè)務(wù)模塊之間的通信模型改成星型模型，減少了模塊之間的連接關(guān)系。消息代理器 是本設(shè)計中最重要的組成部分，對整個框架起了基礎(chǔ)性的作用，其也可單獨作為一個獨立的模塊運行。

使用松耦合開發(fā)模式是開發(fā)一個高可移植性，高可擴展性系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，本文在嵌入式軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了模塊間的橫向松耦合以及軟件與嵌入式操作系統(tǒng)，硬件平臺的縱向松耦合設(shè)計，并且進行了實現(xiàn)。適合應(yīng)用在通信產(chǎn)品的嵌入式軟件開發(fā)上，而需要把該系統(tǒng)運行在不同操作系統(tǒng)的產(chǎn)品上時，其更有用武之地。

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[作者簡介]曾紅李（1982- ），男，碩士，中興通訊股份有限責任公司，二級主任工程師，主要研究方向：數(shù)通產(chǎn)品軟件系統(tǒng)設(shè)計。