計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)

曹晨陽

摘要 目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使計(jì)算機(jī)技術(shù)日趨完善，其現(xiàn)已成為人們?nèi)粘９ぷ?、學(xué)習(xí)和生活中，不可或缺的重要工具。軟件作為計(jì)算機(jī)的核心，其設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，直接關(guān)系到軟件的使用，通過嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)，能夠使計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)水平獲得大幅度提升?；诖它c(diǎn)，本文首先對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)的框架進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，進(jìn)而分析了嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】嵌入式實(shí)時(shí)軟件 計(jì)算機(jī) 軟件設(shè)計(jì)

1 嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)的框架

1.1 結(jié)構(gòu)化框架

這是嵌入式實(shí)時(shí)軟件中技術(shù)最為成熟的一種軟件框架，其較為常見的類型有兩種，一種是單任務(wù)，另一種是多任務(wù)。前者最為突出的特點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：運(yùn)行效率高、資源占用量少、整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需OS支持等等。雖然單任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)較多，但其不足之處也是顯而易見的，即在對(duì)任務(wù)進(jìn)行處理的過程中，任務(wù)與任務(wù)之間并不存在優(yōu)先級(jí)，而且也不能進(jìn)行搶占，即使有緊急任務(wù)，也必須等待處理，正因如此，使得該軟件框架只能在一些較為簡(jiǎn)單的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用。后者是以任務(wù)作為最基本的單元，任務(wù)之間的通信由RTOS（實(shí)時(shí)系統(tǒng)）提供，多任務(wù)的軟件框架如圖1所示。

在多任務(wù)框架中，任務(wù)劃分是設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，目前使用較為廣泛的一種設(shè)計(jì)方法是DARTS（實(shí)時(shí)軟件分析），從本質(zhì)的角度上講，這種設(shè)計(jì)方法是結(jié)構(gòu)化框架在嵌入式軟件設(shè)計(jì)中的擴(kuò)展性應(yīng)用，具體是對(duì)任務(wù)關(guān)聯(lián)性的分析，以時(shí)間特性作為主要依據(jù)，將模塊合理分配到相關(guān)的任務(wù)當(dāng)中。由于任務(wù)處理模塊之間的同步可以借助RTOS來實(shí)現(xiàn)，所以通過多任務(wù)框架能夠使計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)人員的工作效率獲得大幅度提升，并且設(shè)計(jì)出來的軟件質(zhì)量也會(huì)有所更高。

1.2 構(gòu)件化框架

在構(gòu)件化軟件框架中，構(gòu)件是最為基本的組成單元，借助中間件各個(gè)構(gòu)件之間可以進(jìn)行交互，對(duì)于進(jìn)行交互的構(gòu)件而言，只有接口定義為己知信息。從本質(zhì)的角度上講，構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)接口的有效分離，單個(gè)構(gòu)件對(duì)與自身相關(guān)的接口進(jìn)行修改的過程中，僅僅會(huì)對(duì)與接口存在交互的構(gòu)件造成影響，并不會(huì)對(duì)其它構(gòu)件產(chǎn)生影響，由此使得構(gòu)件化框架具有非常高的擴(kuò)展性。為在最短的時(shí)間內(nèi)完成分離，要對(duì)大量細(xì)節(jié)性的內(nèi)容進(jìn)行屏蔽，這個(gè)屏蔽過程，可以借助中間件來完成。在構(gòu)件化軟件框架中，中間件是一個(gè)非常重要的組成部分，具有總線的作用，各種相關(guān)的構(gòu)件模型，均可通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)集成到中間件上進(jìn)行使用。在嵌入式實(shí)時(shí)軟件中，最為常用的構(gòu)件化設(shè)計(jì)方法為CORBA，它是由OMG組織制定的應(yīng)用程序體系規(guī)范，通過該方法能夠?qū)崿F(xiàn)DCE中的軟件與硬件之間的無縫連接。由于OMG是非盈利性組織，從而使得CORBA成為公共框架，它的構(gòu)件模型接口含有輸出服務(wù)，并且只有輸出服務(wù)，由此使得構(gòu)件化的軟件框架能夠不同軟件靈活替換的問題。

2 嵌入式實(shí)時(shí)軟件的技術(shù)特點(diǎn)

對(duì)于嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)而言，它的本質(zhì)與普通的軟件基本類似，唯一的差別在于實(shí)時(shí)性，這一特征的存在使得嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)具有了與普通軟件所不同的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

2.1 實(shí)時(shí)性

這是嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)最為突出的一個(gè)特點(diǎn)，也是其與普通軟件之間存在的主要差別，在軟件設(shè)計(jì)開發(fā)中，實(shí)時(shí)性非常重要，特別是對(duì)于一些較為特殊的應(yīng)用程序而言，都對(duì)實(shí)時(shí)性有著非常高的要求。在構(gòu)件化軟件框架中，需要在構(gòu)件模型當(dāng)中對(duì)實(shí)時(shí)屬性進(jìn)行有效的表示，一方面接口的調(diào)用要滿足實(shí)時(shí)性要求，另一方面，構(gòu)件的分析要提供實(shí)時(shí)屬性的正確描述，據(jù)此可選擇與實(shí)時(shí)性要求完全相符的構(gòu)件，從而使設(shè)計(jì)出來的軟件具備實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，并行與異步是需要重點(diǎn)解決的問題，為達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，幾乎所有的實(shí)時(shí)軟件全部采用了并行與異步這兩種最為基本的運(yùn)行機(jī)制，在最終的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，需要考慮各種算法對(duì)實(shí)時(shí)性可能產(chǎn)生的不同影響，選取最適宜的算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 多樣性

嵌入式實(shí)時(shí)軟件并沒有統(tǒng)一的形式，基本上每一款嵌入式軟件都是以定制的方法提供給用戶，由此使得嵌入式軟件技術(shù)具備了多樣性和定制性的特點(diǎn)，為滿足不同用戶的個(gè)性化定制需要，就必須不斷提高軟件過程技術(shù)。

3 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)

3.1 嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)的運(yùn)用

在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

3.1.1 對(duì)任務(wù)進(jìn)行合理劃分

對(duì)于嵌入式的RTOS而言，應(yīng)用軟件是層級(jí)最高的存在，也是RTOS相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)，是不可或缺的核心部分，它的重要性不言而喻。在嵌入式RTOS中，微內(nèi)核可以提供諸多功能，其中絕大多數(shù)功能都與任務(wù)有關(guān)，如任務(wù)同步、任務(wù)通信、任務(wù)管理域控制等等，可將之視作為軟件程序開發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)，而嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)將計(jì)算機(jī)軟件以最為合理的方式，劃分為若干個(gè)彼此之間相互獨(dú)立的任務(wù)，由此可以使軟件的設(shè)計(jì)過程得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化，并且還能對(duì)軟件與系統(tǒng)進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，從而使設(shè)計(jì)出來的軟件可以在系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行。在對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的并行任務(wù)進(jìn)行具體劃分時(shí)，需要進(jìn)行重點(diǎn)分析的因素是程序的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，據(jù)此對(duì)數(shù)據(jù)的執(zhí)行順序及并行轉(zhuǎn)換加以確定，進(jìn)而將單個(gè)或是多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換劃分為一個(gè)任務(wù)。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序當(dāng)中，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的通信存在異步關(guān)系，這個(gè)關(guān)系是設(shè)計(jì)人員在劃分任務(wù)時(shí)需要著重考慮的關(guān)鍵性因素之一，具體可從如下兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)該因素進(jìn)行考慮。一是內(nèi)部功能?？蓪⒂?jì)算機(jī)軟件程序的并行任務(wù)細(xì)分為以下幾種：周期性任務(wù)、應(yīng)用控制任務(wù)、用戶接口任務(wù)以及同步和異步任務(wù)等等。可以將某個(gè)事件的激活任務(wù)，與激活該任務(wù)的相關(guān)功能融合到一起，形成一個(gè)任務(wù)，同時(shí)，還可將一些關(guān)聯(lián)程度較高的任務(wù)合并到一起，使其成為一個(gè)任務(wù)，并由相同的事件對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣便可以對(duì)計(jì)算機(jī)當(dāng)中的軟件資源進(jìn)行共享，由此可使軟件設(shè)計(jì)流程得以簡(jiǎn)化，有助于軟件設(shè)計(jì)效率的提升。二是要對(duì)I/O接口功能予以考慮，正常情況下，計(jì)算機(jī)中的軟件程序多是以中斷或是輪詢的方式對(duì)I/O事件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而在輪詢的過程中，會(huì)對(duì)CPU資源進(jìn)行較多的占用，這樣一來，可能會(huì)使計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度被拖慢，因此，為滿足軟件的實(shí)時(shí)性要求，可在軟件設(shè)計(jì)中，以中斷方式為主。

3.1.2 確定任務(wù)的組織形式

通過嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的任務(wù)進(jìn)行合理劃分之后，這些任務(wù)便會(huì)具有獨(dú)立性的特點(diǎn)，對(duì)獨(dú)立任務(wù)的組織形式進(jìn)行確定的過程中，邏輯與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系是需要優(yōu)先考慮的兩個(gè)因素。嵌入式RTOS的應(yīng)用程序一般都會(huì)保存在Flash和ROM，為使RTOS的運(yùn)行更加穩(wěn)定，并發(fā)揮出自身的協(xié)調(diào)作用，便需要在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)布局進(jìn)行優(yōu)化，在具體優(yōu)化的過程中，需要著重考慮的因素是存儲(chǔ)映像的布局問題，當(dāng)系統(tǒng)從物理地址中對(duì)相關(guān)的軟件程序指令進(jìn)行調(diào)取后，嵌入式RTOS則會(huì)先行啟動(dòng)ROM，并使ROM在物理地址上完成初始化，采用這種任務(wù)組織形式，可以使處理器調(diào)取向量的速度獲得大幅度提升，由此可能夠使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率隨之提高。

3.2 調(diào)度實(shí)時(shí)性與時(shí)鐘通信

在利用嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)相關(guān)任務(wù)的調(diào)度應(yīng)采用優(yōu)先級(jí)的方法，這種做法可以使系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵性任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間有所減少。如果同一個(gè)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)數(shù)量較多，可按任務(wù)的緊急程度，提升其優(yōu)先級(jí)的級(jí)數(shù)，使最緊急的任務(wù)得到最先處理。時(shí)鐘與任務(wù)之間的實(shí)時(shí)通信是設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)過程中予以充分考慮的問題，可利用嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)為每個(gè)任務(wù)設(shè)定只屬于它的時(shí)鐘服務(wù)，并借助信號(hào)和隊(duì)列機(jī)制，實(shí)現(xiàn)軟件與任務(wù)的同步，由此除了可以使軟件的性能獲得大幅度提升之外，還能使任務(wù)的實(shí)時(shí)性得到保障。

4 結(jié)論

綜上所述，計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì)過程因具體的需要而異，但無論需要如何，都要求軟件具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。故此，設(shè)計(jì)人員可對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)進(jìn)行合理運(yùn)用，以此來提高計(jì)算機(jī)軟件的整體設(shè)計(jì)水平。在未來一段時(shí)期，應(yīng)加大對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)軟件技術(shù)的研究力度，使其逐步完善，從而更好地為軟件設(shè)計(jì)開發(fā)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]肖鵬，計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中嵌入式實(shí)時(shí)軟件的運(yùn)用分析[J].無線互聯(lián)科技，2015（14）.

[2]郭先旗，謝文彩.計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中嵌入式實(shí)時(shí)軟件的應(yīng)用分析[J].自然科學(xué)：全文版，2016（10）：00094-00094.

[3]劉長(zhǎng)榮，丁勤.嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的運(yùn)用分析[J]，電腦知識(shí)與技術(shù)，2016，12（36）： 208-209.

[4]馬宇馳，計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中嵌入式實(shí)時(shí)軟件的應(yīng)用探析[J].信息通信，2014（04）：104-104.

[5]劉凱英.計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中嵌入式實(shí)時(shí)軟件的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J]，數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（05）：168-168.