基于多进程架构的嵌入式软件框架研究与实现

摘要：

本文针对中高端嵌入式软件产品的开发，提出了一种多进程的开发框架。使用该框架，可以实现多人并行开发，加快产品开发周期，提供产品稳定性，是一种有益的尝试。

关键字：框架 多进程 嵌入式软件

0 引言

  伴随着计算机软件技术的发展，嵌入式软件开发也在不断的变化更新。软件的发展离不开硬件的进阶。从早期的51单片机到高性能的dsp芯片再到当今基于ARM的高性能soc芯片遍地开花，嵌入式硬件的发展经历了快速化高性能化低功耗化，普适化，多核化发展，甚至当今部分soc芯片的性能已远远高于早期pc上的x86系列cpu，而且内存的使用也都向着通用PC的目标看齐。依附于硬件，嵌入式软件技术也经历着快速的发展。从早期的c加汇编的方式，到如今的android，都是用Java进行应用软件的开发了。总的来看，软件的发展向着复杂化，庞大化，专业到普适化，深度定制化的方向发展。硬件外设也越来越多，软件管理也趋向于完善统一。不过随着cpu性能的不断提升，内存不断增大，整机价格不断降低，嵌入式软件的开发面临尴尬的地位。一方面对于低性能低成本，复杂度要求不高的领域，早期研究和进行的软件开发，仍然可以适用，另一方面，对于高性能，高复杂度领域，许多开发工作已经转向使用android，采用android+专有功能的方式来实现。原来的主体功能此时充当了一个应用。对于这一领域，使用android是明智的选择，在硬件能力满足的前提下，使用android就有了稳定的基础平台，简化了对外设的管理，产品多了许多功能和卖点等等。但是有许多中间领域，一方面硬件cpu性能和内存成本限制，无法使用android庞大的系统，另一方面软件功能又有一定的复杂度，底层操作系统采用了Linux，一些功能可以完整使用开源组件，不再需要裁剪，但是上层软件主体功能都是自己设计开发来实现，如下图。针对这一领域的开发，本文提出了一种基于多进程架构的软件框架，能够针对不同的具体需求来构建软件原型，快速完成功能开发。

1 约束及目标

嵌入式系统领域的软件开发，有几个地方需要特别的考虑。一是一般都需要适配硬件。这是由嵌入式系统本身的特性决定的。不同领域，解决不同需求，硬件可能有非常大的差别，有时可能又有多种多样的外设，所以了解硬件的特性是进行开发工作前的第一个要求。其次，嵌入式软件一般都有实时性的要求。这也是嵌入式系统固有的特性，因为嵌入式设备一般功能比较单一，跟PC平台的通用性完全不一样，需要针对问题域对软件进行精心设计，充分发挥硬件性能。还有一个嵌入式系统软件都有定制化的特性，具体原因前面已经给出来了。针对这些特性，设计一个通用的软件框架，有一定的难度。试图设计一个框架来一统天下，包揽解决所有的问题，是不可能的。只能在一个层面解决一部分问题，目标就达到了。这就是这里要提的设计的约束条件。

首先，该框架是在Linux系统基础上进行的，也就是底层的操作系统为Linux，框架的运行需要底层系统调用的支持。这基本排除了硬件的特性，也就是框架完全是在纯软件的基础上进行的，不会涉及到某个特定的硬件支持。这里选择Linux操作系统，也是基于现在Linux在嵌入式系统的开发中越来越普遍的应用。

排除硬件的相关性后，考虑软件的限定条件。这里不进行具体内容的限定，比如要支持无线或者摄像头，或者限定具体应用创建的数量等，因为面对复杂的问题域和多样的需求，这些限定都没有什么实际意义。这里提出下面几个特性要求来适应通用性和灵活性：

  a. 要能够满足功能开发需求。这也是最基本的需求。

  b. 要满足模块化需求。也就是各个功能要按照模块开发，分割开，能够一个模块一个模块开发，并设计高内聚低耦合的模块接口。

  c. 要满足可扩展需求。这是为功能的扩展准备，要能够在部分功能完成的基础上比较容易添加，并对已有模块影响较小。

  d. 要满足并行开发需求。这其实是前面几个的综合。满足前面几条的基础上，尽量减少相互依赖，从而加快研发进度，缩短产品研发周期。

  e. 最后，力求结构简单清晰，并且高效。一方面可以减少大家的理解偏差，另外也便于共同协作开发。

  Brooks说过，向进度落后的项目添加人手，只会使项目更加延迟。支持这一观点的重要理由就是开发人员的培训和沟通耗费大量时间。所以，并行化和简单清晰的结构上相辅相成的。

2框架实现

2.1基础模块构建

这里所说的基础模块，也就是作为基础组建，提供完善的底层支撑的一些开源组件。嵌入式软件开发，虽然面对着多种多样的硬件外设和丰富多样的功能需求，但是有一些功能还是具有相对的通用性的。构建基础模块，就是将这些通用的功能前期添加到框架中，夯实底层支撑。这块主要由两部分构成，一是开源软件，二是自己开发的具有通用功能的模块。随着互联网的不断普及，许多嵌入式设备都具备联网功能，这里像无线连接管理、pppoe拨号管理、数据的上传下载等都可以使用开源软件来完成。另外像数据的加密解密，也有现成的开源软件来实现。对于自己开发的模块，包括像对操作系统调用的封装，与设备配置相关的统一数据管理，任务的管理，比如任务启动暂停停止等。

  需要指出的是，这里的开源软件移植，跟我们以前研究的对开源软件的剪裁不同。这里我们定位系统硬件的性能为中高端，并不是早期内存受限系统，所以不需要对开源软件进行裁剪或者专门找裁剪版来代替。很多功能都可以使用跟Linux发行版使用同样的版本。

  将这些公共基础模块作为底层支撑，就更容易搭建上层应用，并且更加稳定高效。所有上层应用都可以使用底层模块提供的功能，从而专注于自有逻辑的实现。

  一个基础模块的实例如下图所示：

2.2 应用的构建模式

完成原型构建后，就需要考虑应用层的细节了。在到底是采用单进程模式还是多进程模式这一条上，可以说是没有十全十美，只有更好。考虑框架需要满足并行开发以及能够灵活应对多种需求，系统在整个应用层采用了多进程多线程结合的结构。这可以叫应用的构建模式。这一设计结构有力的支撑了我们在约束条件中提到的5项需求。简单来说，应用主体所有功能以进程为运行单位。进程由多个子线程构成，其中主线程完成主要的消息接收和控制处理，子线程来完成辅助处理。子线程间通过消息队列进行通信，进程间（也就是应用间）通过进程间消息来通信。这样整体来看，系统通过两级通信机制将各个部分衔接起来，应用间采用进程间的消息通信机制，应用内采用消息队列的通信机制。另外，使用多进程应用开发模式，多个应用可以多人同时单独调试开发，加快产品开发进度。

这里强调并行开发的重要性，基于很多原因。很多任务的开发具有单线性，需要依赖之前的任务完成才会进行下一轮的开发。所以，如果能够并行开发，则在加快产品开发上将十分有利。

一种应用层功能开发的模式如下图所示：

2.3应用看门狗机制

   稳定性在嵌入式软件开发中如何强调都不过分。许多嵌入式操作系统都将稳定性作为自身特色而加以大力宣扬。嵌入式行业流行的vxworks操作系统，据说已经进行了所有功能的完整全面的测试，几乎是零BUG。但是软件开发终究是一种思想的产物，俗话说智者千虑，必有一失。随着问题域越来越庞大，功能越来越复杂，难免有一些bug隐藏十分隐蔽。为了最大程度保证软件的稳定性，参考硬件看门狗机制，在框架中加入了软件看门狗机制。基本原理应用在启动时，将自己注册到监控管理程序，监控模块不断的向各个应用狗喂食，如果一段时间内某个应用不响应，那么就认为该应用陷死或者挂掉了，将其重启。另一方面，将各个应用设计为单独的进程运行方式，可以将某一个应用的down掉，对其他模块产生的影响降到最低。

2.4 事件通知链机制

框架中的事件通知链机制，参考了Linux内核的一些做法。应用如果对某种事件感兴趣，可以将自己注册到该事件的通知链上。当对应的事件发生时，事件产生器回向通知连发送消息，这样所有挂到通知连上的应用都将接收到事件。在嵌入式系统中，常见的一些事件包括遥控器和按键的输入，外设的插拔，比如网线和usb。除此，还有其他一些事件。

2.5 统一的debug收集模块

   Debug模块用来完成调试信息的收集，也包括软件的执行流程和一些错误信息。嵌入式软件开发，由于其平台多样，不像PC上开发程序，有很方便的集成开发环境，能够很方便的进行调试，很多时候打印成为了调试程序简便有效的方法。为了方便程序的调试，框架设计了统一的debug收集模块。应用程序在开发时，调用debug模块提供的接口作为打印接口，就可以方便的做到：a将打印信息在串口输出显示；b将打印信息发送到远端的监控端，实现远程调试；c可以远程控制打印输出级别和输出模块，从而过滤不需要的等级的打印和不需要的模块的打印。这样可以减少打印信息，方便调试。

   在现有功能基础上，开发者可以对该模块进行扩充，实现自己独特的打印控制。

2.6 基于框架的系统构建

   使用该框架，系统的构建就如下图所示。

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   最底层是硬件层，包括cpu，内存flash以及各种外设。

   之上时操作系统层，使用Linux操作系统，带多种外设驱动。

   基于操作系统提供框架层，封装部分系统调用接口，对上提供管理和支撑和部分扩充模块。

   最上层是应用层的开发，可以是自己开发的应用，也可以说中间件的集成。整个应用层的开发，按照多进程多线程模块开发。主线程注册消息通信系统，注册事件接收系统等，接收消息，处理消息。接收事件，处理事件，完成进程间的消息通信。子线程完成应用功能的实现。

   基于该框架，开发者能够很容易添加新的功能，封装接口，添加消息完成同其他模块的通信。基于框架开发的一个实例如下图所示：

2.7关键技术及瓶颈

   从整体上来看，系统是一个消息驱动系统，包含了复杂的多样的消息流动。这里面既有应用自身产生的消息，也包括诸如定时、按键以及网络等系统消息。而且就应用自身产生的消息来说，也十分的不一样，有多又少，有大有小。这就像人体的大脑和神经，各个模块是各种脏腑，有不同的器官构成，通过大脑和神经统一协调起来。具体的消息内容就像是血液，流动于全身。整个系统可以通过消息网络提挈起来。设计完善的消息网络，就是关键技术。

该框架作为嵌入式软件开发的一个框架，实时性是其需要保证的一条基本特性。在本框架中，实时性主要受限于消息通信，包括进程间的消息通信和线程间的消息通信，相对而言进程间消息通信更为要紧一点。因此，这里所提的瓶颈也就在于如何实现高效的进程间通信。进程间通信在Linux中有多种方式来实现，框架中选择socket模式来完成。不过这块不是本文的重点，其具体实现也是可以根据不同的需求，很方便的变换的，这里就不多述。具体可查阅Linux进程间通信的相关资料。

3 结束语

  本文讨论了一种应用于基于Linux操作系统之上的嵌入式软件框架的设计和实现。该框架是基于实践开发总结出来的，并成功应用于iptv和视频监控系统的开发中。另外基于该框架的许多模块都可以复用。基于该框架，开发人员可以快速构建系统原型，并专注于应用逻辑的开发。

  使用该框架减少了开发周期，提高了系统的稳定性，取得了很好的效果。当然，它也并非完美无缺。首先它被限制在了使用Linux作为操作系统的嵌入式中，其次就是基于消息的通信，需要高效的通信机制，来满足嵌入式实时性的特定要求。

  总的来说，该框架还是具有很好的通用性和良好的可移植性。适用面广，简单高效稳定。