劉思思　劉迪　盧娥

摘要摘要：針對(duì)彈載飛行控制軟件研制現(xiàn)狀，探討軟件重用的目的、意義及技術(shù)途徑；結(jié)合彈載飛行控制軟件的組成和設(shè)計(jì)原則，分析可重用軟件應(yīng)滿足的基本條件；提出一種基于領(lǐng)域工程的彈載飛行控制軟件重用實(shí)施方法；從軟件工程化要求、編碼要求、軟件測(cè)試要求和硬件設(shè)計(jì)要求等方面建立彈載飛行控制軟件通用構(gòu)件庫(kù)的可重用構(gòu)件選取標(biāo)準(zhǔn)。最后，用實(shí)例說(shuō)明了彈載飛行控制軟件重用的可操作性。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：彈載飛行控制軟件；軟件重用 ；可重用構(gòu)件

DOIDOI：10.11907/rjdk.151201

中圖分類號(hào)：TP3-0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）004002304

0引言

我國(guó)航天事業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，型號(hào)發(fā)射任務(wù)密集，對(duì)彈載飛行控制軟件研制周期提出了更高要求。開(kāi)發(fā)人員往往迫于項(xiàng)目壓力，優(yōu)先進(jìn)行軟件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，而忽視軟件重用問(wèn)題。當(dāng)前彈載飛行控制軟件研制實(shí)行項(xiàng)目管理，不同項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的軟件框架不同，開(kāi)發(fā)人員所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不同，軟件重用難以推廣。此外，不同型號(hào)彈載計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的不同，也直接導(dǎo)致了底層驅(qū)動(dòng)軟件的不可重用。

1彈載飛行控制軟件重用

1.1軟件重用的目的和意義

早期的彈載計(jì)算機(jī)電路是由模擬電路搭建而成的，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，彈載計(jì)算機(jī)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，彈載飛行控制軟件研制快速興起。但受現(xiàn)實(shí)條件的約束，每個(gè)型號(hào)彈載飛行控制軟件研制都不得不重復(fù)編碼、測(cè)試、調(diào)試、編寫(xiě)文檔、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等工作。

當(dāng)前彈載飛行控制軟件研制工作量大、時(shí)間緊、任務(wù)重，從開(kāi)發(fā)效率、企業(yè)成本，以及軟件工程化、標(biāo)準(zhǔn)化、軟件測(cè)試等角度考慮，實(shí)施彈載飛行控制軟件重用迫在眉睫。彈載飛行控制軟件不同于其它商業(yè)軟件，需要找到符合自身特點(diǎn)的重用技術(shù)途徑和實(shí)施方法。

1.2軟件重用的技術(shù)途徑

軟件重用的技術(shù)包括庫(kù)函數(shù)、模板、面向?qū)ο?、設(shè)計(jì)模式、組件、框架、構(gòu)架等。圖1為軟件重用的主要技術(shù)、實(shí)現(xiàn)途徑以及實(shí)例。

面向?qū)ο蠹夹g(shù)主要針對(duì)使用面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言開(kāi)發(fā)的軟件，彈載飛行控制軟件作為嵌入式軟件，一般采用C語(yǔ)言，或者C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程進(jìn)行開(kāi)發(fā)。因此，可以綜合考慮庫(kù)函數(shù)、模板、構(gòu)件、架構(gòu)、框架等技術(shù)途徑，選取符合彈載飛行控制軟件自身特點(diǎn)的重用方法。

構(gòu)件、架構(gòu)、框架三者呈現(xiàn)層次遞進(jìn)的關(guān)系，同時(shí)又存在交集。對(duì)于彈載飛行控制軟件而言，可以將各函數(shù)單元?jiǎng)澐譃楣δ軜?gòu)件；架構(gòu)主要指軟件的組織結(jié)構(gòu)，即邏輯時(shí)序和構(gòu)件的調(diào)用關(guān)系；框架則可理解為工程的文件目錄結(jié)構(gòu)，包括頭文件的定義和引用關(guān)系等。只有正確理解上述概念，才能正確區(qū)分彈載飛行控制軟件的構(gòu)件、架構(gòu)和框架，為重用打好基礎(chǔ)。

1.3可重用軟件

重用最重要的是要有可重用的軟件。導(dǎo)彈分類方法較多，如根據(jù)作戰(zhàn)使命不同可分為戰(zhàn)略導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈；根據(jù)發(fā)射載具不同可以分為空空導(dǎo)彈、面空導(dǎo)彈等；根據(jù)制導(dǎo)體制不同可以分為雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈、紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈等。不同類型導(dǎo)彈其彈載飛行控制軟件研制任務(wù)需求和彈載計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)不盡相同，底層驅(qū)動(dòng)，接口協(xié)議，算法模型等較難重用。同一類型導(dǎo)彈彈載飛行控制軟件的研制需求和彈載計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)往往具有共同特性?？梢詮目傮w需求層次區(qū)分出不同的軟件系統(tǒng)，新研彈載飛行控制軟件可以在同一系統(tǒng)類型的彈載飛行控制軟件的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。

從系統(tǒng)角度來(lái)講，可重用的彈載飛行控制軟件應(yīng)滿足以下條件：①軟件模塊劃分及其框架、架構(gòu)布局合理；②軟件運(yùn)行的硬件平臺(tái)DSP及數(shù)據(jù)接口選型標(biāo)準(zhǔn)；③通信協(xié)議制定規(guī)范。以上3個(gè)條件也是對(duì)軟件控制算法功能模塊劃分、軟件運(yùn)行硬件平臺(tái)和通信協(xié)議提出的通用化要求。

除此之外，結(jié)合航天特點(diǎn)，可重用的彈載飛行控制軟件相關(guān)配套文檔要齊備；軟件必須通過(guò)單元測(cè)試、確認(rèn)測(cè)試和第三方評(píng)測(cè)，所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題都已經(jīng)改正且通過(guò)回歸測(cè)試。此外，應(yīng)經(jīng)過(guò)型號(hào)研制所有階段的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2彈載飛行控制軟件組成與設(shè)計(jì)原則

彈載飛行控制軟件通常由底層硬件驅(qū)動(dòng)軟件、接口協(xié)議層軟件和應(yīng)用層軟件組成。其中，底層硬件驅(qū)動(dòng)軟件主要完成硬件端口的初始化，設(shè)備自檢和數(shù)據(jù)輸入輸出控制；接口協(xié)議層軟件主要完成數(shù)據(jù)組包發(fā)送和接收解包；應(yīng)用層軟件主要完成制導(dǎo)控制計(jì)算和指令形成計(jì)算。上述3層軟件由時(shí)間驅(qū)動(dòng)的事件響應(yīng)機(jī)制，即彈上時(shí)序和邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。彈載飛行控制軟件組成如圖2所示。

彈載飛行控制軟件具有實(shí)時(shí)性高、時(shí)序和邏輯復(fù)雜，可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。其設(shè)計(jì)需遵守以下原則：

（1）自頂向下的原則。即在確定彈載計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的前提下，首先確定軟件的基本結(jié)構(gòu)，然后細(xì)化到實(shí)現(xiàn)這些功能的每一個(gè)具體的軟件模塊，形成詳細(xì)的軟件開(kāi)發(fā)卷宗，直至定義某一個(gè)具體的函數(shù)、變量和指針，使設(shè)計(jì)做到有條不紊，開(kāi)發(fā)過(guò)程清晰明了，從宏觀上把握軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（2）結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)原則。包括程序和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)細(xì)化軟件模塊，形成由所有軟件模塊按照一定的接口關(guān)系和數(shù)據(jù)交換關(guān)系構(gòu)成的軟件結(jié)構(gòu)，做到結(jié)構(gòu)完整，易讀、易查、易測(cè)試。

（3）針對(duì)彈載計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性應(yīng)用特點(diǎn)，以導(dǎo)彈工作時(shí)序?yàn)橹骶€，進(jìn)行合理的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，通過(guò)彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可靠地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

3彈載飛行控制軟件重用方法

彈載飛行控制軟件與其它商業(yè)軟件不同，必須探索出一條符合航天型號(hào)軟件特點(diǎn)的重用途徑。近年來(lái)，相關(guān)研究成果豐富。2006年，北京航天自動(dòng)控制研究所孟小韋、馬衛(wèi)華[1]認(rèn)為，可以從模塊級(jí)和任務(wù)級(jí)兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行軟件通用化設(shè)計(jì)，并提出了開(kāi)發(fā)飛行控制軟件集成開(kāi)發(fā)工具原型。2007年，中國(guó)空間技術(shù)研究院提出了可重的星載軟件構(gòu)件應(yīng)具有的基本特性[2]。2011年，上海衛(wèi)星工程研究所提出了基于（I/O層、軟件總線層和應(yīng)用層）層次框架的星載軟件重用方法[3]。

領(lǐng)域工程強(qiáng)調(diào)為一組相似或相近系統(tǒng)的應(yīng)用建立基本能力和必備基礎(chǔ)（包括產(chǎn)品空間、構(gòu)件、體系結(jié)構(gòu)）的過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件獲取和重用的有效方法[4]。相關(guān)研究表明，相似領(lǐng)域的軟件更容易重用。在彈載飛行控制軟件重用過(guò)程中，可以根據(jù)導(dǎo)彈系統(tǒng)類別從縱向領(lǐng)域確定可重用軟件系統(tǒng)框架和架構(gòu)，進(jìn)而根據(jù)軟件總體研制需求從橫向領(lǐng)域選擇可重用的構(gòu)件。

因此，從領(lǐng)域工程的角度出發(fā)，可以按照領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設(shè)計(jì)、領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)3個(gè)活動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)施彈載飛行控制軟件重用，如圖3所示。具體步驟如下：

第一步：領(lǐng)域分析。分析彈載飛行控制軟件的系統(tǒng)類別，獲得領(lǐng)域模型；參照導(dǎo)彈種類劃分，如戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略、空空和面空、雷達(dá)制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)等區(qū)分彈載飛行控制軟件；同時(shí)兼顧彈載計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，確定軟件領(lǐng)域模型，即可重用軟件選型。

第二步：領(lǐng)域設(shè)計(jì)。按照軟件研制任務(wù)需求，確定軟件框架，設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)。不同領(lǐng)域模型的軟件架構(gòu)可能有所不同，但是軟件框架基本相同。因此，可以在選擇好可重用軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行框架和架構(gòu)設(shè)計(jì)。

第三步：領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)。將滿足需求的功能構(gòu)件組成軟件系統(tǒng)。

4彈載飛行控制軟件可重用構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)

一套可重用軟件不一定包含所有的可重用構(gòu)件。從圖2可以看出彈載飛行控制軟件組成層次和功能模塊，可在此基礎(chǔ)上，建立可重用的彈載飛行控制軟件可重用構(gòu)件庫(kù)，該庫(kù)由彈載飛行控制軟件的功能模塊（構(gòu)件）組成。

4.1軟件工程化要求

航天系統(tǒng)從1996年開(kāi)始，就已從標(biāo)準(zhǔn)化和加強(qiáng)測(cè)試入手，推行航天型號(hào)軟件的工程化開(kāi)發(fā)。1998年召開(kāi)的航天系統(tǒng)第四次責(zé)任人會(huì)議提出提高航天型號(hào)軟件質(zhì)量，全面加強(qiáng)航天型號(hào)軟件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，初步確立了型號(hào)軟件的管理體制，并著手確定箭（星）載計(jì)算機(jī)的選型，確定了統(tǒng)一型號(hào)軟件的運(yùn)行環(huán)境[5]。

航天型號(hào)實(shí)施軟件重用和推進(jìn)型號(hào)軟件工程化工作是相互促進(jìn)的。彈載飛行控制軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程一般包括：系統(tǒng)需求分析與設(shè)計(jì)、軟件需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)、組裝測(cè)試、確認(rèn)測(cè)試、系統(tǒng)聯(lián)試、驗(yàn)收交付、運(yùn)行維護(hù)等10個(gè)階段。實(shí)施彈載飛行控制軟件重應(yīng)參照航天型號(hào)軟件工程化相關(guān)要求，如Q/QJA 30A2013《航天型號(hào)軟件工程化要求》等，規(guī)范軟件研制各階段的技術(shù)和管理。

4.2編碼要求

正確性、健壯性、可靠性、性能、易用性、清晰性、安全性、可擴(kuò)展性、兼容性、可移植性等是軟件的質(zhì)量屬性[7]。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)全面考慮每個(gè)屬性，確保型號(hào)發(fā)射成功，實(shí)施“零缺陷”的質(zhì)量管理。代碼編寫(xiě)質(zhì)量越高，軟件出錯(cuò)概率就越小，程序執(zhí)行效率越高，資源余量就越大。因此，可重用構(gòu)件必須充分考慮軟件質(zhì)量屬性，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的程序模塊。

當(dāng)前彈載飛行控制軟件主要有兩種變量作用域（數(shù)據(jù)類型）使用體系。全局變量參數(shù)傳遞和結(jié)構(gòu)體類型變量進(jìn)行參數(shù)傳遞，兩種用法各有優(yōu)劣。

全部變量增加了函數(shù)間數(shù)據(jù)聯(lián)系的渠道，如果在一個(gè)函數(shù)中改變了全局變量的值，就可能影響到其它函數(shù)。在程序設(shè)計(jì)中，模塊劃分要求內(nèi)聚性強(qiáng)[6]，與其它模塊的耦合性弱，而全局變量不符合這一原則。使用結(jié)構(gòu)體類型數(shù)據(jù)傳遞參數(shù)，則可以將函數(shù)有效封閉起來(lái)，切斷與外界的聯(lián)系。全局變量會(huì)降低程序的清晰性，在執(zhí)行各函數(shù)時(shí)都可能改變外部變量的值。而結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型可以將一組變量組織成一個(gè)組合項(xiàng)，能清晰反映該組變量之間的內(nèi)在聯(lián)系，但由于結(jié)構(gòu)體變量必須使用引用的方式訪問(wèn)，因此代碼不夠簡(jiǎn)潔，調(diào)試查找不方便。

因此，在建立可重用的構(gòu)件庫(kù)的過(guò)程中，全局變量和結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型應(yīng)結(jié)合使用，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，提高程序的可讀性和可靠性。

4.3軟件測(cè)試要求

可重用構(gòu)件必須經(jīng)過(guò)充分的軟件測(cè)試，使圈復(fù)雜度、基本復(fù)雜度、扇出數(shù)、函數(shù)形參個(gè)數(shù)等指標(biāo)在符合標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言要求的基礎(chǔ)上，滿足（GJB53692005）《航天型號(hào)軟件C語(yǔ)言安全子集》、（GJBZ1412004）《軍用軟件測(cè)試指南》等規(guī)范，以及相關(guān)軍種軟件編碼標(biāo)準(zhǔn)要求。彈載飛行控制軟件安全關(guān)鍵等級(jí)一般為A級(jí)，動(dòng)態(tài)度量指標(biāo)應(yīng)滿足修正語(yǔ)句覆蓋率、條件覆蓋率和條件判斷覆蓋率（MC/DC）均為100%的要求。

測(cè)試人員在做靜態(tài)測(cè)試時(shí)，經(jīng)常遇到單個(gè)函數(shù)代碼行數(shù)超過(guò)200行的情況，很難滿足動(dòng)態(tài)測(cè)試覆蓋率指標(biāo)要求。對(duì)于復(fù)雜算法的模型文件，軟件開(kāi)發(fā)人員應(yīng)按照算法功能模塊將代碼拆分并封裝成幾個(gè)子函數(shù)。這樣，既增強(qiáng)了程序的可讀性，也利于測(cè)試，否則很難達(dá)到100%的覆蓋率指標(biāo)要求。動(dòng)態(tài)指標(biāo)中的MC/DC覆蓋率對(duì)代碼分支判斷程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求很高，可重用構(gòu)件應(yīng)滿足MC/DC覆蓋率指標(biāo)100%的要求。

4.4硬件設(shè)計(jì)要求

彈載計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境及外圍環(huán)境直接影響底層驅(qū)動(dòng)軟件能否重用。

當(dāng)前各型號(hào)彈載計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)不盡相同，有C32、C6000和C28XX系列等，有的是單CPU系統(tǒng)，有的是多CPU系統(tǒng)。目前同一領(lǐng)域的導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)硬件DSP基本已經(jīng)統(tǒng)型，外圍接口也基本一致。

隨著導(dǎo)彈不斷小型化，計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)也向一體化和小型化方向發(fā)展。即采用一體化設(shè)計(jì)的飛行控制設(shè)備，制導(dǎo)、導(dǎo)引和引戰(zhàn)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。因此，要求硬件環(huán)境和外圍環(huán)境的變化不會(huì)對(duì)重用產(chǎn)生影響，即要求彈載計(jì)算機(jī)在“多合一”前后硬件電路功能和底層驅(qū)動(dòng)軟件不變，實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)軟件構(gòu)件的可重用。

4.5其它要求

（1）命名規(guī)范?？芍赜脴?gòu)件的函數(shù)和變量命名應(yīng)該規(guī)范化，例如全局變量和局部變量應(yīng)有明顯可區(qū)分標(biāo)識(shí)，變量名中應(yīng)包含變量類型縮寫(xiě)和度量單位縮寫(xiě)，并區(qū)分大小寫(xiě)。

（2）文件結(jié)構(gòu)清晰。文件結(jié)構(gòu)主要包含源文件（.c文件）和頭文件（.h文件），也可以理解為軟件的“框架”[7]?？蚣茏鳛闃?gòu)件的一種，其源文件和頭文件所包含的元素應(yīng)該分類定義在不同的.c和.h中，且順序（結(jié)構(gòu)）合理。例如，彈載飛行控制軟件中的模型、協(xié)議、底層驅(qū)動(dòng)程序按不同功能模塊安排在不同源文件中，而頭文件則包括外部變量及全局函數(shù)聲明、常量及宏定義、全局函數(shù)原型等。合理的軟件框架也有利于使用自動(dòng)化軟件測(cè)試工具進(jìn)行單元測(cè)試。

5結(jié)語(yǔ)

彈載飛行控制軟件重用的理想狀態(tài)是，在新軟件研制過(guò)程中可以直接使用被重用的構(gòu)件，研制技術(shù)流程不進(jìn)行需求分析、軟件設(shè)計(jì)、編碼、單元測(cè)試、組裝測(cè)試、確認(rèn)測(cè)試、軟件評(píng)測(cè)等重復(fù)工作；軟件開(kāi)發(fā)人員有更多精力開(kāi)展驗(yàn)證、開(kāi)發(fā)管理、軟件自動(dòng)生成等關(guān)鍵性技術(shù)工作；促進(jìn)彈載飛行控制軟件研制走上具有航天特色的軟件產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化之路，建立現(xiàn)代工業(yè)流水線生產(chǎn)模式的彈載飛行控制軟件研制工廠。

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