應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)

李向陽(yáng)，劉顯勤，張向文

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)

李向陽(yáng)，劉顯勤，張向文

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

在分析嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）平臺(tái)與嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件架構(gòu)不統(tǒng)一、無(wú)法實(shí)現(xiàn)代碼重用的基礎(chǔ)上，提出一種應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)流程控制軟件架構(gòu)，解決了架構(gòu)不統(tǒng)一導(dǎo)致代碼無(wú)法重用的問(wèn)題，并經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，證明架構(gòu)可行。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；有限狀態(tài)機(jī)；軟件架構(gòu)；代碼重用

0 引 言

流程控制軟件是武器發(fā)射平臺(tái)的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)武器發(fā)射平臺(tái)的展開(kāi)、撤收等流程動(dòng)作的控制；同時(shí)通過(guò)串口、CAN總線、以太網(wǎng)等通信方式實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的通信；通過(guò)串口、CAN總線、以太網(wǎng)等接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)的配置查詢等功能。

流程控制軟件要求具有實(shí)時(shí)性、確定性。因此，運(yùn)行的平臺(tái)一般采用嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)或嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)，比如 VxWorks。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)并行工作，嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)的流程控制軟件一般采用有限狀態(tài)機(jī)的架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)具有特有的多任務(wù)并行工作的優(yōu)勢(shì)，一般通過(guò)采用多線程的架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)。

隨著武器型號(hào)的發(fā)展，型號(hào)軟件的研制周期越來(lái)越短，而流程控制軟件需要充分的測(cè)試驗(yàn)證才能確保軟件的可靠性。因此，對(duì)軟件的通用化、代碼的重用率要求越來(lái)越高。目前，現(xiàn)有型號(hào)采用嵌入無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件數(shù)量多，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)統(tǒng)一，并形成了一定數(shù)量的重用代碼，使得采用嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)的流程控制軟件在開(kāi)發(fā)效率、可靠性、后期維護(hù)性等方面得到了較大提高，同時(shí)也大大減少了軟件調(diào)試和試驗(yàn)的時(shí)間，降低了研制成本。而采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件數(shù)量少，可重用代碼相應(yīng)也少。

采用有限狀態(tài)機(jī)架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)的流程控制模塊與采用多線程架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)的流程控制模塊一般無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用，這給軟件重用帶來(lái)困難，增加了流程控制軟件研制投入，降低了流程控制軟件的可靠性。同時(shí)，流程控制軟件中需要流程急停及流程急停繼續(xù)、流程急停退出操作，采用有限狀態(tài)機(jī)的架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)將各個(gè)工作任務(wù)進(jìn)行了一定粒度的劃分，只要控制狀態(tài)跳轉(zhuǎn)即可；而采用多線程的架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)流程急停操作時(shí)需要采用線程掛起的方式，流程急停繼續(xù)操作需要采用線程恢復(fù)的方式，流程急停退出操作需要采用線程重啟的方式。這種在軟件正常工作中對(duì)線程掛起、恢復(fù)及重啟操作屬于非常規(guī)的使用方式，有可能對(duì)軟件系統(tǒng)造成不可預(yù)知的影響。

本文在對(duì)有限狀態(tài)機(jī)架構(gòu)方式及多線程架構(gòu)方式的流程控制軟件分析的基礎(chǔ)上，提出了一種有限狀態(tài)機(jī)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相結(jié)合的流程控制軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1 有限狀態(tài)機(jī)架構(gòu)方式的流程控制軟件分析

嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)的有限狀態(tài)機(jī)方式的流程控制軟件采用主循環(huán)和一到多個(gè)中斷組成的前后臺(tái)系統(tǒng)，主循環(huán)和中斷之間通過(guò)共享資源實(shí)現(xiàn)通信。嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用層結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

中斷用于實(shí)現(xiàn)硬件處理、定時(shí)處理等工作，其他流程控制模塊（或配置查詢功能模塊、故障處理功能模塊）、通信處理功能模塊、數(shù)據(jù)處理功能模塊、硬件處理功能模塊、網(wǎng)關(guān)處理功能模塊的并行處理工作采用有限狀態(tài)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)，由主循環(huán)負(fù)責(zé)調(diào)度。

采用有限狀態(tài)機(jī)架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件是將各功能模塊的功能進(jìn)行一定粒度的劃分，即劃分出來(lái)的工作片段占用毫秒級(jí)及以下（不超過(guò)1 ms）的處理時(shí)間，多個(gè)工作片段共同完成該功能，并且每個(gè)工作片段完成后能夠回到主循環(huán)，不影響其他功能模塊工作的實(shí)時(shí)性。有限狀態(tài)機(jī)以“事件驅(qū)動(dòng)”方式工作[1,2]，在確定轉(zhuǎn)移條件發(fā)生時(shí)，做出相應(yīng)動(dòng)作，變更工作狀態(tài)。以流程控制為例的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。流程控制共分為8個(gè)狀態(tài)。軟件上電后首先進(jìn)入初始狀態(tài)，接收到啟動(dòng)流程指令后轉(zhuǎn)入流程進(jìn)行處理狀態(tài)，如果流程正常執(zhí)行結(jié)束則轉(zhuǎn)入流程正常結(jié)束狀態(tài)；如果流程中產(chǎn)生故障則轉(zhuǎn)入流程急停處理狀態(tài)，在流程急停處理完成后進(jìn)入流程暫停狀態(tài)，在流程暫停狀態(tài)接收到急停退出指令則轉(zhuǎn)入流程退出處理狀態(tài)，處理完成進(jìn)入流程非正常結(jié)束狀態(tài)；在流程暫停狀態(tài)接收到忽略故障指令則轉(zhuǎn)入流程繼續(xù)處理狀態(tài)，處理完成進(jìn)入流程進(jìn)行處理狀態(tài)，流程結(jié)束轉(zhuǎn)入流程正常結(jié)束狀態(tài)；在流程正常結(jié)束狀態(tài)或流出非正常結(jié)束狀態(tài)接收到啟動(dòng)流程指令都可繼續(xù)進(jìn)行流程控制。

主循環(huán)的調(diào)度方式如圖 3所示。主循環(huán)負(fù)責(zé)循環(huán) 調(diào)用所有外部模塊和軟件自身的功能模塊。

采用有限狀態(tài)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)來(lái)代替操作系統(tǒng)對(duì)多個(gè)并行工作進(jìn)行調(diào)度，能夠滿足流程控制軟件實(shí)時(shí)性和確定性的要求。

2 多線程架構(gòu)方式的流程控制軟件分析

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用層軟件采用多線程的架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)，線程間采用消息隊(duì)列、信號(hào)量、共享資源等實(shí)現(xiàn)通信[3]。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用層結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

流程控制功能模塊、配置查詢功能模塊、故障處理功能模塊、通信處理功能模塊、數(shù)據(jù)處理功能模塊、硬件處理功能模塊、網(wǎng)關(guān)處理功能模塊等每個(gè)模塊采用一個(gè)或多個(gè)線程實(shí)現(xiàn)。以某流程控制軟件為例，其通過(guò)流程處理主線程、流程處理從線程、硬急停線程、急停處理線程、故障處理線程、配置查詢線程、CAN數(shù)據(jù)處理線程、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送線程、以太網(wǎng)接收線程、以太網(wǎng)發(fā)送線程[4～8]共同實(shí)現(xiàn)，流程處理軟件啟動(dòng)及線程工作方式如圖5所示。

線程之間通過(guò)信號(hào)量、消息隊(duì)列及共享資源實(shí)現(xiàn)信息交換。其中流程處理主線程實(shí)現(xiàn)流程控制的主任務(wù)，流程處理從線程實(shí)現(xiàn)與流程控制主任務(wù)并行的任務(wù)，如果有多于2個(gè)并行的流程控制任務(wù)還要增加更多的流程處理線程。當(dāng)硬急停線程采集到急停命令后掛起流程處理主線程、從線程，并執(zhí)行相應(yīng)的急停處理工作。當(dāng)急停處理線程通過(guò)CAN總線數(shù)據(jù)處理線程接收到流程急停轉(zhuǎn)移指令后恢復(fù)流程處理主、從線程，接收到流程急停退出指令后重啟流程處理主、從線程。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

采用上述架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件，一個(gè)線程負(fù)責(zé)連續(xù)完成一個(gè)工作，不完成一個(gè)固定工作相關(guān)函數(shù)不退出。因此，在嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件無(wú)法完全應(yīng)用在多線程架構(gòu)下的流程控制軟件；同樣，采用這種方式實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件也無(wú)法應(yīng)用在嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)上。如果能將在嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)上采用的有限狀態(tài)機(jī)架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件的方法也應(yīng)用在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)上，則能解決軟件重用的問(wèn)題，并能夠避免采用線程掛起、線程恢復(fù)及線程重啟等操作，確保軟件運(yùn)行的可靠性。

3 應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 控制軟件實(shí)現(xiàn)

將原有的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件直接與外設(shè)交互的工作采用單獨(dú)的線程實(shí)現(xiàn)，其他流程處理主線程、流程處理從線程、急停處理線程、故障處理線程、配置查詢線程合并為一個(gè)工作處理線程，如圖7、圖8所示。工作處理線程采用有限狀態(tài)機(jī)的方式工作，按嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)方式實(shí)現(xiàn)流程控制、配置查詢、故障處理、數(shù)據(jù)處理等工作。工作處理線程工作方式與嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)的工作方式相同，如圖8所示。

3.2 控制軟件驗(yàn)證

某型號(hào)的流程控制軟件需要運(yùn)行在龍芯+VxWorks操作系統(tǒng)平臺(tái)（嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)），其實(shí)現(xiàn)的流程控制、配置查詢等功能與另外一個(gè)型號(hào)運(yùn)行在XC164處理器平臺(tái)（嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)）的流程控制軟件基本一致。

因此，該軟件研制時(shí)通過(guò)采用有限狀態(tài)機(jī)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)方式，將另外一個(gè)型號(hào)的嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件移植到嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)，其研制周期由原來(lái)的3～4個(gè)月縮短為1.5個(gè)月。代碼重用情況如表1所示。除網(wǎng)關(guān)處理功能模塊原有的軟件不涉及，硬件處理功能模塊由于運(yùn)行平臺(tái)不同而導(dǎo)致與硬件處理部分差異較大外，其他功能模塊重用率平均達(dá)到89.2%。

表1 代碼重用情況統(tǒng)計(jì)

采用有限狀態(tài)機(jī)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)方式加重用嵌入式無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件，經(jīng)過(guò)了各項(xiàng)試驗(yàn)考核，軟件運(yùn)行可靠。

4 結(jié) 論

本文提出的應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)流程控制軟件架構(gòu)通過(guò)應(yīng)用具體型號(hào)流程控制軟件研制，證明此種架構(gòu)的可行性。采用此種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件提高了軟件的可重用程度及開(kāi)發(fā)效率，降低了研制成本，提高了軟件的可驗(yàn)證程度。同時(shí)，采用此種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的流程控制軟件規(guī)避了線程掛起、線程恢復(fù)及線程重啟等對(duì)操作系統(tǒng)線程的非常規(guī)操作，進(jìn)一步提高了軟件的可靠性。

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Software Realization of Flow-control Software on RTOS Base on FSM

Li Xiang-yang，Liu Xian-qin，Zhang Xiang-wen
(Beijing Institue of Space Lauch Technology, Beijing, 100076)

Software code can not reuse because difference of software architecture between embendded RTOS and embendded without OS. This article presents a software architecture of RTOS base on Finite State Machine(FSM). This method resolves problem of code reuse, practical application proves this architecture.

Real-time operating system; Finite state machine; Software architecture; Code reuse

TP311.1

A

1004-7182(2017)02-0080-07

10.7654/j.issn.1004-7182.20170218

2016-07-31；

2016-11-03

李向陽(yáng)（1977-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娨合到y(tǒng)控制