引言

　　在科技發(fā)達(dá)的今天技術(shù)的開發(fā)越來越快，很多我們都不勝了解，今天我們來介紹的是PBO（Port-Based Object）技術(shù)及其特點(diǎn)，這是一種可以用于軟件工程的新技術(shù)。這種技術(shù)支持軟件重用和動態(tài)可重配置；分析其應(yīng)用于航空航天器等實時嵌入式軟件開發(fā)過程中的優(yōu)勢與困難。在各國的航天領(lǐng)域的加大重視，PBO技術(shù)也就有了很大的發(fā)揮之地了。

　　1 PBO技術(shù)

　　PBO（Port-Based Object）技術(shù)是一種可用于軟件工程的新技術(shù)，特別適合于動態(tài)可重配置實時軟件（DRRTS）的開發(fā)。DRRTS可以在線配置，無需重新編譯和連接，也就可以不必關(guān)閉和重新啟動系統(tǒng)，從而滿足某些系統(tǒng)需要連續(xù)不停地運(yùn)行和升級的要求。每一個PBO相當(dāng)于一個組件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。左右兩邊分別是變量輸入和輸出端口，上面是其配置常端口，下面是其與傳統(tǒng)器與機(jī)械臂通信的源端口。每一個PBO進(jìn)程都有相同的有限狀態(tài)機(jī)，如圖2所示。它有4種狀態(tài)（用橢圓表示）：未建立、錯誤、OFF和ON。狀態(tài)之間可以互相轉(zhuǎn)化。這使得每一個PBO的代碼有著相同的結(jié)構(gòu)，包含著同樣的方法，只是其中的方法處理過程不同。實際應(yīng)用中，可以建立一個PBO庫，庫中的每一個PBO組件都可以作為軟件重用的模塊，在需要的時候可以將它們動態(tài)地配置。圖3是一個PBO相互連接組合的實例。PBO的參數(shù)用局部變量表和全局變量表兩級存儲，進(jìn)程之間的通信通過共享全局變量存儲器來實現(xiàn)。圖4是PBO進(jìn)行狀態(tài)變量兩級存儲結(jié)構(gòu)圖。每當(dāng)進(jìn)程開始執(zhí)行一個循環(huán)時，從全局變量表中讀入變量，執(zhí)行完畢中，再把變量寫入全局變量表。

　　2 PBO技術(shù)的特點(diǎn)

　　對于基于實時操作系統(tǒng)（RTOS）上的控制系統(tǒng)軟件，采用PBO技術(shù)，可以從系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)到代碼實現(xiàn)的各階段加快軟件開發(fā)速度。PBO技術(shù)遵循高內(nèi)聚、低耦合的封裝設(shè)計思想，整個系統(tǒng)由多個可配置組件組成。按照這種框架，可以使用當(dāng)今流行的面向?qū)ο笤O(shè)計模式，采用消息驅(qū)動；但實時嵌入式軟件是面向?qū)崟r系統(tǒng)的，要求高速有效，消息驅(qū)動有時不能滿足這個要求。PBO設(shè)計方法中，數(shù)據(jù)的傳遞是通過共享存儲器實現(xiàn)的，這樣設(shè)計滿足了硬件的低負(fù)荷工作和數(shù)據(jù)的更新速度要求。每個組件與外界的聯(lián)系由四個端口（port）組成。內(nèi)部實現(xiàn)黑箱操作。采用兩級存儲保存數(shù)據(jù)，力圖實現(xiàn)限度減少訪問沖突，減少組件間的依賴性。PBO技術(shù)結(jié)合了端口自動代數(shù)模型和對象的軟件抽象[1]。每一個PBO相當(dāng)于一個控制系統(tǒng)，可以用傳遞函數(shù)來表示，由此，可以采用的數(shù)學(xué)方法對子進(jìn)行描述和驗證。每一個PBO也是一個標(biāo)準(zhǔn)化了的對象，即所有的PBO有著同樣的結(jié)構(gòu)和同樣的有限狀態(tài)機(jī)，它和外界的接口也是標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)的。PBO的執(zhí)行是互相獨(dú)立的，并行的，不需要同步，使得PBO之間的依賴降低到的限度，可以動態(tài)地加入或退出某個PBO。PBO相當(dāng)于一個即插即用的軟件組件，可以通過重新配置以適合需求。所以，采用PBO技術(shù)開發(fā)的軟件具有開放性，易于修改和升級。

　　3 PBO技術(shù)中實時軟件的特點(diǎn)

　　實時軟件要求極端的可靠性。許多系統(tǒng)一經(jīng)啟動，要連續(xù)不斷運(yùn)行。采用PBO可實現(xiàn)動態(tài)重配置，重配置時間開銷對于系統(tǒng)運(yùn)行幾乎不受影響，滿足這類實時系統(tǒng)修改和升級的要求。采用PBO技術(shù)設(shè)計的軟件，數(shù)據(jù)通過共享存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)行，提高設(shè)備采樣率，也使得任何信息能夠隨時處理，滿足實時系統(tǒng)及時性要求，這樣也就保證系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果在時間上具有嚴(yán)格的正確性?；谄胀K設(shè)計的軟件，采用消息傳統(tǒng)機(jī)制，可能由于消息的阻塞而使事件處理的及時性得不到保證；而PBO技術(shù)通過共享變量表實現(xiàn)通信，鎖定CPU時傳輸?shù)淖兞亢苌?，等待資源的CPU能夠很快獲得所需的資源，保證實時系統(tǒng)能夠及時處理各種事情。由于許多PBO進(jìn)程在多CPU上獨(dú)立并行，可同時處理數(shù)據(jù)的輸入或輸出，也滿足了實時系統(tǒng)同時性的要求。

　　4 關(guān)于軟件測試的問題

　　由于實時系統(tǒng)具有很高的可靠性要求，因此，對其的測試不僅要針對系統(tǒng)的功能行為，還要針對系統(tǒng)的時序行為，所以嵌入式實時系統(tǒng)的測試是軟件界公認(rèn)難點(diǎn)。由于某些行為只在特定的系統(tǒng)狀態(tài)下和某些特定的事件序列到達(dá)時才會發(fā)生，為了避免軟件缺陷，需要精心設(shè)計測試用例并保證足夠的測試覆蓋率。在PBO技術(shù)中，進(jìn)程的調(diào)度通過實時操作系統(tǒng)（RTOS）實現(xiàn)，使得對共享存儲器訪問的時序列加隨機(jī)和不可預(yù)測，各種可能的情形也更多，相對測試的覆蓋面隨之減少。基于PBO軟件技術(shù)的架構(gòu)不同于其它傳統(tǒng)實時軟件技術(shù)構(gòu)架，隨之對測試環(huán)境的模擬也新的要求，各個PBO之間是獨(dú)立開發(fā)的，對應(yīng)的測試要求與之相應(yīng)。這增加了對測試環(huán)境要求的難度，而且各個PBO之間輸入輸出數(shù)據(jù)的測試也變得更為復(fù)雜。對于在非正常環(huán)境下，測試的結(jié)果也更難預(yù)料和把握。另外，一般嵌入式軟件測試時，模擬運(yùn)行速度與其實際執(zhí)行速度不同，仍將此方法運(yùn)用于基于PBO技術(shù)的軟件測試，會掩蓋軟件中許多錯誤。所以，采用PBO技術(shù)，有可能增加軟件測試的難度。

　　5 軟件重用與動態(tài)可重配置

　　每一個PBO是一個軟件重用的構(gòu)件，它有著標(biāo)準(zhǔn)的接口和開放的擴(kuò)展性。這種軟件重用是一種二時進(jìn)代碼級的重用，擺脫了編程語言的限制，能夠即插即用。采用一組PBO的組合，就形成了一種配置，這種配置可以實現(xiàn)一定的功能，滿足實時系統(tǒng)的需要。隨著時間的推移和技術(shù)的發(fā)展，需求會逐漸發(fā)生變化，因此，采用部分原PBO再加入一些新PBO，以構(gòu)造一種新的配置，滿足變化后的需求。通過軟件重用，可以降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)時間，不斷滿足實時軟件變化的要求。

　　6 PBO技術(shù)應(yīng)用開實時嵌入式軟件開發(fā)

　　在航空航天器的軟件設(shè)計中，由于其造價非常高，因此希望它能夠具有更多的功能。但是這類軟件必須面臨存儲空間受限，運(yùn)算能力有限的硬件限制。我們不可能制作一個滿足各種功能的軟件，因為這樣的軟件必然相當(dāng)龐大，修改和升級都非常困難。PBO技術(shù)適合于這類軟件的開發(fā)，因此它能很好地支持軟件重用和動態(tài)重配置。我們可以將一些PBO進(jìn)行組合，使其具有一定功能，當(dāng)其完成某項任務(wù)后，就可以采用動態(tài)重配置，使其具有新的功能，完成新的任務(wù)。PBO技術(shù)基于的理論模型，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析，完成規(guī)范的程序設(shè)計，保證軟件系統(tǒng)的可靠性。將來可以將其應(yīng)用于需求分析中，采用形式化的方法建立規(guī)格說明，從而實現(xiàn)從需求分析直到代碼實現(xiàn)的全過程形式化設(shè)計。

　　當(dāng)然事情有兩面性，PBO當(dāng)u。shi完美的然也PBO技術(shù)運(yùn)用于這類軟件也可能面臨一些問題。PBO之間的信息交換非常有限，這對于大數(shù)據(jù)量處理必須另辟捷徑。在航空航天器中，經(jīng)常要處理拍攝的各種圖片和大量的傳感器數(shù)據(jù)，還要將它們及時發(fā)回地面控制中心，這些都必須重新考慮。許多PBO進(jìn)程運(yùn)行于多處理器上，它們之間協(xié)同工作要進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)計算也不容易。在PBO組件數(shù)目較多時，數(shù)據(jù)復(fù)制機(jī)制能否具有高可靠性和及時性也都是可能遇到的問題。當(dāng)然我們也要相信將來這些問題會得到完好的解決，那時候我們有理由相信PBO技術(shù)將是航天技術(shù)領(lǐng)域上一個非常重要的技術(shù)。雖然現(xiàn)在我們還不能解決，但是我們現(xiàn)在可以去其糟粕取其精華，地利用好PBO技術(shù)。

　　關(guān)于嵌入式軟件

　　嵌入式軟件（ Embedded Software）就是嵌入在硬件中的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具軟件，它在產(chǎn)業(yè)中的關(guān)聯(lián)關(guān)系體現(xiàn)為：芯片設(shè)計制造→嵌入式系統(tǒng)軟件→嵌入式電子設(shè)備開發(fā)、制造。嵌入式軟件包括指嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件。因嵌入式軟件一般對實時性的要求較高，也稱其為嵌入式實時軟件（ Embedded Real - Time Software） 。它是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。在簡單的應(yīng)用場合下，嵌入式應(yīng)用軟件不需要專門的操作系統(tǒng)，但有些需要嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持。當(dāng)前，常用實時操作系統(tǒng)具有代表性的產(chǎn)品主要是VxWorks , pSOS , PalmOS ,Windows CE 及嵌入式Linux 等。嵌入式應(yīng)用軟件是針對特定的實際領(lǐng)域的，基于相應(yīng)的嵌入式硬件平臺的，并能完成用戶預(yù)期任務(wù)的計算機(jī)軟件。它與普通的計算機(jī)應(yīng)用軟件有一定的區(qū)別。用戶的任務(wù)一般有時間和的嚴(yán)格要求，這就使得嵌入式應(yīng)用軟件必須保證高實時性、準(zhǔn)確性、安全性、穩(wěn)定性和抗干擾性，而且還要盡可能地優(yōu)化。

　　嵌入式軟件與嵌入式系統(tǒng)是密不可分的，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”，就是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。而嵌入式軟件就是基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的軟件，它也是計算機(jī)軟件的一種，同樣由程序及其文檔組成，可細(xì)分成系統(tǒng)軟件、支撐軟件、應(yīng)用軟件三類，是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。

　　嵌入式軟件廣泛應(yīng)用于國防、工控、家用、商用、辦公、醫(yī)療等領(lǐng)域，如我們常見的移動電話、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)、機(jī)頂盒、MP3等都是用嵌入式軟件技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行智能化改造的結(jié)果。嵌入式軟件在中國的定位應(yīng)該集中在國防工業(yè)和工業(yè)控制、消費(fèi)電子、通信產(chǎn)業(yè)。首先一個市場是數(shù)字電視市場。第二個市場是移動通信市場。第三個市場是掌上電腦（PDA）。

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