張 舒 安占新 趙 芊

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

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一種滿足實(shí)時(shí)性需求的測(cè)發(fā)控軟件改進(jìn)技術(shù)

張 舒 安占新 趙 芊

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

針對(duì)基于Windows操作系統(tǒng)框架的測(cè)發(fā)控軟件無(wú)法滿足大多數(shù)型號(hào)實(shí)時(shí)性需求的情況，分析了現(xiàn)有框架不滿足實(shí)時(shí)性需求而導(dǎo)致任務(wù)失效的具體機(jī)理。提出了基于異步協(xié)作機(jī)制簡(jiǎn)化和并行實(shí)時(shí)性任務(wù)串行化的框架改進(jìn)方法，并對(duì)改進(jìn)前后框架的性能進(jìn)行了仿真分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于改進(jìn)框架的測(cè)發(fā)控軟件處理實(shí)時(shí)性線程的周期循環(huán)間隔時(shí)間穩(wěn)定性由247ms改進(jìn)至20ms，平均超時(shí)失效概率由0.6改進(jìn)至無(wú)失效。

w框架；實(shí)時(shí)性；異步協(xié)作機(jī)制簡(jiǎn)化；并行實(shí)時(shí)性任務(wù)串行化

測(cè)試發(fā)射控制軟件和硬件設(shè)備一起組成測(cè)發(fā)控系統(tǒng)，向彈、箭發(fā)送控制和測(cè)試指令；并接收、判別、存儲(chǔ)及顯示彈、箭回送的測(cè)試結(jié)果，從而完成等效器檢查、彈箭系統(tǒng)綜合測(cè)試及發(fā)射控制[1]。

由于多類型彈、箭的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)有一定通用性，為提高軟件開(kāi)發(fā)效率，測(cè)發(fā)控軟件開(kāi)發(fā)方常常采用建立通用軟件框架的方法，按照功能特性將軟件模塊分類整合，降低模塊耦合程度，使軟件結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、易開(kāi)發(fā)和維護(hù)。目前唯一成熟的通用框架是基于Windows MFC實(shí)現(xiàn)的(以下簡(jiǎn)稱w框架)，可用于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的測(cè)試控制功能和交互界面。鑒于Windows為非實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，且其任務(wù)調(diào)度和管理對(duì)程序設(shè)計(jì)人員透明，不能滿足測(cè)發(fā)控系統(tǒng)一項(xiàng)重要性能，即實(shí)時(shí)性需求[2]，本文通過(guò)系統(tǒng)地分析現(xiàn)有w框架不滿足實(shí)時(shí)性需求的任務(wù)特征和機(jī)理，提出一種基于異步協(xié)作機(jī)制化簡(jiǎn)和并行實(shí)時(shí)性任務(wù)串行化的改進(jìn)框架，并仿真對(duì)比分析了基于改進(jìn)前后框架的測(cè)發(fā)控軟件實(shí)時(shí)性線程的周期循環(huán)間隔時(shí)間和超時(shí)失效概率。

1 實(shí)時(shí)性需求與w框架分析

1.1 測(cè)發(fā)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求與滿足情況分析

在某些型號(hào)軟件研制和系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，某些測(cè)發(fā)控任務(wù)具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性，特征如下：

1)與彈、箭的高頻率周期性交互，要求周期穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)；

2)向彈、箭發(fā)送數(shù)據(jù)或命令后，要求及時(shí)回復(fù)，等待周期短；

3)多個(gè)具有以上2條特征的測(cè)發(fā)控任務(wù)并行進(jìn)行；

4)為避免由于人工操作不及時(shí)導(dǎo)致故障處理不及時(shí)，在某些功能中可由軟件直接根據(jù)自身狀態(tài)和接收到的反饋信息決策下一步需要進(jìn)行的動(dòng)作或流程[3-4]。

基于上述實(shí)時(shí)性測(cè)發(fā)控任務(wù)，采用現(xiàn)有非實(shí)時(shí)性的w框架進(jìn)行測(cè)發(fā)控軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下現(xiàn)象：

1)對(duì)于頻率較高的周期性任務(wù)，檢查任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行的間隔時(shí)間，發(fā)現(xiàn)間隔無(wú)規(guī)律變化，個(gè)別間隔時(shí)間倍數(shù)超出任務(wù)要求；

2)收到反饋數(shù)據(jù)后，測(cè)發(fā)控軟件延遲進(jìn)行處理和判別，導(dǎo)致自身邏輯認(rèn)定反饋數(shù)據(jù)接收超時(shí)；

3)多個(gè)周期性任務(wù)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，測(cè)發(fā)控任務(wù)超時(shí)失效的概率明顯增加；

4)基于現(xiàn)有的w框架開(kāi)發(fā)的測(cè)發(fā)控軟件運(yùn)行時(shí)較多依賴人工參與，導(dǎo)致故障處理不及時(shí)。

1.2 現(xiàn)有w框架機(jī)理分析

當(dāng)前w框架的功能模塊包括： UI界面模塊；負(fù)責(zé)流程控制和功能調(diào)用的MainTask模塊；負(fù)責(zé)描述測(cè)發(fā)控邏輯的StepWidgt模塊；負(fù)責(zé)與外部設(shè)備進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)交互的InterfaceWidget模塊，各模塊之間的聯(lián)系如圖1所示。

圖1 w框架架構(gòu)

由于Windows為非實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，若沒(méi)有特殊的設(shè)定，其線程調(diào)度對(duì)程序設(shè)計(jì)者是透明的；且Windows操作系統(tǒng)本身具備的UI(如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)操作及屏幕刷新)等非實(shí)時(shí)性系統(tǒng)功能也隨時(shí)可能搶占內(nèi)核資源。因此，w框架架構(gòu)特征導(dǎo)致1.1節(jié)中不滿足實(shí)時(shí)性現(xiàn)象的主要原因如下：

1)程序中存在多個(gè)并行任務(wù)，多個(gè)任務(wù)線程會(huì)同時(shí)搶占同一計(jì)算機(jī)資源，造成阻塞，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性任務(wù)執(zhí)行間隔出現(xiàn)較大波動(dòng)(多個(gè)實(shí)時(shí)性測(cè)發(fā)控任務(wù)同時(shí)并行存在時(shí)，這種情況更明顯)；

2)軟件接口的數(shù)據(jù)接收InterfaceWidget 模塊和測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊間交互方式為異步協(xié)作模式，存在一定的依賴關(guān)系，如圖2(a)所示。當(dāng)收到外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后，通過(guò)消息傳遞進(jìn)行回調(diào)，接收到的數(shù)據(jù)先傳給MainTask，再由MainTask調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊。該工作方式時(shí)間開(kāi)銷較大，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性任務(wù)自身定時(shí)器判定數(shù)據(jù)接收超時(shí)；

3)w框架中具有的大量測(cè)試流程選擇和異常處理分支，需要呈現(xiàn)在界面上等待人工決策。

2 w框架改進(jìn)技術(shù)

2.1 異步協(xié)作機(jī)制簡(jiǎn)化

針對(duì)第1節(jié)所述，InterfaceWidget模塊和StepWidgt模塊進(jìn)行異步通信帶來(lái)額外時(shí)間開(kāi)銷，造成因?qū)崟r(shí)性任務(wù)實(shí)際完成時(shí)間長(zhǎng)于預(yù)期而不滿足實(shí)時(shí)性要求的問(wèn)題，可通過(guò)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)傳遞的參與者來(lái)避免消息傳遞和異步通信，簡(jiǎn)化前后軟件框架如圖 2所示。簡(jiǎn)化后的框架要求StepWidgt模塊在需要處理測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)知曉與它協(xié)作的特定的InterfaceWidget模塊，并設(shè)計(jì)專用內(nèi)部接口協(xié)議，可將該軟件內(nèi)部接口定義為一片公共內(nèi)存區(qū)域，使數(shù)據(jù)處理功能與數(shù)據(jù)接收功能緊耦合。

由圖2可知，簡(jiǎn)化后的w框架中，MainTask不再參與消息傳遞，而是直接通過(guò)數(shù)據(jù)處理線程和接口線程協(xié)作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理線程在等待測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)需再創(chuàng)建一個(gè)由信號(hào)量終止的超時(shí)計(jì)時(shí)器，而是在每次嘗試讀取測(cè)試數(shù)據(jù)失敗后由自身的時(shí)標(biāo)判斷是否超時(shí)，未超時(shí)則再次嘗試讀取數(shù)據(jù)，循環(huán)往復(fù)直至讀取數(shù)據(jù)成功或判斷已超時(shí)。

圖2 基于簡(jiǎn)化異步協(xié)作和通信機(jī)制的w框架

2.2 并行實(shí)時(shí)性任務(wù)串行化

第1節(jié)中并行任務(wù)搶占資源會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性任務(wù)的執(zhí)行間隔時(shí)間波動(dòng)，造成超時(shí)失效的問(wèn)題，如圖3并行化部分所示。目前的w框架中添加新任務(wù)線程時(shí)，直接調(diào)用AfxBeginThread系統(tǒng)函數(shù)創(chuàng)建線程，僅對(duì)多個(gè)并行線程訪問(wèn)的公共數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)，而不同線程間的調(diào)度工作則交付Windows系統(tǒng)自行處理。

針對(duì)該問(wèn)題，首先可在程序初始化時(shí)，調(diào)用AfxBeginThread創(chuàng)建一個(gè)用于處理實(shí)時(shí)性測(cè)試任務(wù)的專用線程。該線程將所有并行且相互獨(dú)立的實(shí)時(shí)性任務(wù)串行排列，在測(cè)發(fā)控程序生命周期中無(wú)限循環(huán)，循環(huán)周期為所有實(shí)時(shí)性任務(wù)理論周期的最小公約數(shù)。同時(shí)在各實(shí)時(shí)性任務(wù)前加入適當(dāng)?shù)募s束條件，使各項(xiàng)實(shí)時(shí)性任務(wù)在合適的時(shí)機(jī)按照自身的周期運(yùn)行。并行實(shí)時(shí)性任務(wù)串行化如圖 3中串行化部分所示。

其次，為減少或消除第1節(jié)中實(shí)時(shí)性任務(wù)資源被UI等非實(shí)時(shí)性任務(wù)搶占的情況，可為實(shí)時(shí)性線程指定單獨(dú)的內(nèi)核資源(目前運(yùn)行測(cè)發(fā)控軟件的計(jì)算機(jī)至少具備2個(gè)內(nèi)核，故內(nèi)核資源較為充足)，且在每個(gè)周期的空閑時(shí)間內(nèi)，通過(guò)不斷計(jì)算當(dāng)前周期經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)避免實(shí)時(shí)性線程主動(dòng)放棄內(nèi)核資源，從而保證下一次循環(huán)周期可按時(shí)開(kāi)始。若實(shí)時(shí)性線程單獨(dú)占領(lǐng)1個(gè)內(nèi)核資源時(shí)，則還需滿足下述條件：

其中，ti為單個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)花費(fèi)的時(shí)間，Ti為單個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)的周期，T0為所有實(shí)時(shí)性任務(wù)周期的最小公約數(shù)。

再次，設(shè)置實(shí)時(shí)性線程相對(duì)優(yōu)先級(jí)和優(yōu)先級(jí)微調(diào)等級(jí)為最高，即REALTIME_PRIORITY_CLASS和THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL，從而實(shí)現(xiàn)其他非實(shí)時(shí)性任務(wù)線程與實(shí)時(shí)性任務(wù)線程的內(nèi)核資源合理分配。

圖3 多測(cè)試任務(wù)串行化規(guī)劃原理釋義

最后，在StepWidgt模塊中加入超時(shí)容錯(cuò)機(jī)制以防止任務(wù)超時(shí)失效。即當(dāng)軟件測(cè)試流程的某一步異常終止時(shí)，軟件可根據(jù)自身錯(cuò)誤狀態(tài)來(lái)判斷，若當(dāng)前的異常是由超時(shí)導(dǎo)致，則自動(dòng)退回至該測(cè)試步驟的開(kāi)始階段重新執(zhí)行。同時(shí)為避免由于系統(tǒng)故障而造成死循環(huán)的情況，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)3次超時(shí)導(dǎo)致的異常后，軟件報(bào)錯(cuò)，轉(zhuǎn)由人工進(jìn)行錯(cuò)誤處理。該措施能夠減少人工參與程度，增強(qiáng)軟件的應(yīng)激反應(yīng)能力。

3 仿真驗(yàn)證

首先驗(yàn)證改進(jìn)后w框架中實(shí)時(shí)性任務(wù)間隔時(shí)間是否滿足要求。仿真環(huán)境為：測(cè)發(fā)控軟件同時(shí)產(chǎn)生2個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)線程Task_A和Task_B，周期分別為50ms和100ms，2個(gè)實(shí)時(shí)性線程各自并行運(yùn)行1000和500個(gè)周期(理論用時(shí)50s)。此外，程序整個(gè)生命周期中伴隨UI任務(wù)等非實(shí)時(shí)性線程。在程序50ms周期的實(shí)時(shí)性任務(wù)TaskA進(jìn)入處獲得系統(tǒng)時(shí)間，并打印2次循環(huán)的實(shí)際間隔時(shí)間?；谠瓀框架和改進(jìn)后的w框架的測(cè)發(fā)控軟件的實(shí)際周期循環(huán)間隔時(shí)間的仿真結(jié)果分別如圖4(a)和4(b)所示。

圖4 設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)前后效果對(duì)比圖

由圖4可知，基于原w框架的測(cè)發(fā)控軟件運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)性線程實(shí)際的循環(huán)間隔時(shí)間經(jīng)常出現(xiàn)較大的時(shí)間波動(dòng)，最大可至287ms；而基于改進(jìn)后w框架的測(cè)發(fā)控軟件的實(shí)時(shí)性線程周期循環(huán)的間隔時(shí)間穩(wěn)定在50ms±10ms，該結(jié)果表明：

1)w框架的改進(jìn)方法解決了多個(gè)任務(wù)并行搶占公共資源的問(wèn)題；

2)改進(jìn)后的w框架實(shí)時(shí)性任務(wù)資源不再被其它非實(shí)時(shí)性任務(wù)搶占；

3)化簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)處理功能耗費(fèi)的時(shí)間滿足實(shí)時(shí)性要求。

統(tǒng)計(jì)基于改進(jìn)前后w框架的測(cè)發(fā)控軟件對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)、上傳文件等實(shí)時(shí)性任務(wù)的失效概率，以每10次為單位，共5遍，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表 1。在試驗(yàn)中，基于原w框架的測(cè)發(fā)控軟件出現(xiàn)超時(shí)失效較頻繁且無(wú)規(guī)律，由于超時(shí)失效而報(bào)錯(cuò)的情況隨機(jī)出現(xiàn)2～8次。而基于改進(jìn)后w框架的測(cè)發(fā)控軟件在試驗(yàn)中不再出現(xiàn)因超時(shí)失效而報(bào)錯(cuò)的情況。

表1 測(cè)發(fā)控軟件超時(shí)報(bào)錯(cuò)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

系統(tǒng)地分析了現(xiàn)w框架不滿足實(shí)時(shí)性需求導(dǎo)致任務(wù)失效的特征和機(jī)理，針對(duì)數(shù)據(jù)處理響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題提出異步協(xié)作機(jī)制簡(jiǎn)化方法。針對(duì)并行任務(wù)搶占內(nèi)核資源的問(wèn)題提出并行實(shí)時(shí)性任務(wù)串行化方案。最后仿真對(duì)比分析了基于改進(jìn)前后框架的測(cè)發(fā)控軟件實(shí)時(shí)性線程的周期循環(huán)間隔時(shí)間和超時(shí)失效概率。結(jié)果表明，改進(jìn)后的w框架實(shí)時(shí)性線程周期循環(huán)間隔時(shí)間穩(wěn)定性由247ms改進(jìn)至20ms，平均超時(shí)失效概率由0.6改進(jìn)至無(wú)失效。

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An Improved Method of TLC System Software for the Real-Time Requirement

Zhang Shu，An Zhanxin，Zhao Qian

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Duetothetestlaunchandcontrolsystem(TLCsystem)softwarebasedonWindowsoperatingsystemframework,whichcannotfulfilltherealtimerequirementofmostoflaunchmission,thespecificmechanismofmissionsfailureisanalyzedasthepresentframeworkishardlytofulfillrealtimedemands.Amethodforrefiningtheframeworkisproposed,whichisbasedontheimprovedmethodwithasynchronouscooperativesimplificationandparalleltasksserializationinrealtime,andthesimulationisimplementedfortheperformanceanalysisofbothproposedframeworkimprovedandoriginalframework.TheresultsshowthatthestabilityofcycleintervaltimeofrealtimethreadsprocessedbyTLCsystemsoftwarebasedontheimprovedframeworkispromotedby20msachievedfrom247msandtheaveragefailureprobabilityisimprovedfrom0.6tonull.

wframework；Realtime；Asynchronouscooperativesimplification；Paralleltasksserializationinrealtime

2016-05-17

張 舒(1989-)，男，北京人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)檐浖こ蹋话舱夹?1978-)，男，河北衡水人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐浖こ?；趙 芊(1991-)，男，北京人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐浖こ獭?/p>

TP319

A

1006-3242(2016)06-0068-04