一款轻量级事件驱动型应用程序框架

一起学嵌入式 2023-09-27 07:50

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QP™/C 实时嵌入式框架 (RTEF) 是专为实时嵌入式 (RTE) 系统量身定制的活动对象计算模型的轻量级实现。QP 既是用于构建由活动对象(参与者)组成的应用程序的软件基础结构,也是用于以确定性方式执行活动对象的运行时环境。
此外,QP 框架支持分层状态机,用于指定活动对象的行为。

官网网址(复制到浏览器打开):

https://www.state-machine.com/products/qp

1、它有什么作用?

QP/C RTEF 的主要目标是:
  • 提供基于并发编程最佳实践的现代事件驱动并发模型 ,统称为活动对象(Actor)计算模型,其本质上比基于传统实时操作系统(RTOS)的传统“共享状态并发,互斥和阻塞方法“更安全;
  • 提供比“裸”RTOS线程更接近问题域的更高层次的抽象;
  • 为应用现代技术(如可视化建模,分层状态机和自动代码生成)提供正确的抽象;
  • 弥合更高级别建模概念(如UML)与传统编程语言(如C或C++)之间的语义差距。

2、它有什么特别之处?

QP™/C 实时嵌入式框架 (RTEF) 是嵌入式软件市场上独一无二的产品。它提供了嵌入式应用程序的现代可重用架构,它将面向对象与特定的并发模型(称为活动对象(actor))相结合。

这种架构通常比使用传统实时操作系统(RTOS)的“免费线程”更安全,响应更快,更易于理解。它还提供了足够高的抽象级别和正确的抽象,以有效地将建模和代码生成应用于深度嵌入式系统。

面向对象

即使它是用符合MISRA的ISO-C99编写的,QP™/C基本上是一个面向对象的框架,这意味着框架本身和从框架派生的应用程序基本上由类组成,只有类才能有与之关联的状态机。

分层状态机

活动对象的行为在 QP™/C 中通过分层状态机(UML 状态图)指定。该框架支持在C语言中对UML状态机进行手动编码,以及通过免费的图形化基于QM™模型的设计(MBD)工具全自动代码生成

内置内核

QP™/C框架可以在裸机单芯片微控制器上运行,完全取代了传统的RTOS。该框架包含一系列内置的实时内核,例如协作式 QV 内核、抢占式非阻塞 QK 内核和抢占式双模式阻塞 QXK 内核。QXK 内核提供了您期望从传统 RTOS 内核获得的所有功能,并且专门设计用于将事件驱动的活动对象与传统的阻塞代码混合,例如商业中间件(TCP/IP 堆栈、UDP 堆栈、嵌入式文件系统等)或传统软件。为主要 CPU 系列提供了本机 QP 端口和即用型示例。

效率

尽管QP™/C提供的抽象级别比传统的RTOS高得多,但它在RAM/ROM占用空间和CPU效率方面通常都优于等效的传统RTOS产品。

单纯

QP框架易于入门,易于使用且易于构建。提供的大量示例附带了典型嵌入式工具链的项目(例如,GNU,ARM,IAR等)。该框架不强加任何专有的构建或配置过程或工具,只是简单的makefile和演示工具链的本机项目。虽然这些对于真正复杂的项目来说可能还不够,但经验表明,更大的团队有自己的DevOps(例如CI / CD),并且强加特定的流程通常会适得其反。

互操作性

QP / C还可以与许多传统的RTOS和通用操作系统(如Linux和Windows)一起使用。

溯源

QP™/C 在所有工作工件之间提供前所未有的双向可追溯性,使团队能够从需求到架构、设计、源代码、测试再到备份的完整可见性。

受欢迎程度和成熟度

经过20年的不断发展,超过350个商业被许可方,以及全球许多倍的开源用户,QP™框架是市场上最受欢迎的此类产品。它们为无数电子产品提供动力,从植入式医疗设备到复杂的武器系统。

广泛使用

QP™实时嵌入式框架可满足各种市场的高可靠性应用,例如医疗、消费、物联网、国防、机器人、工业、通信、运输、半导体IP等。在这些应用领域中,QP™优雅的软件架构和现代设计理念都具有明显的优势。

3、组成简介

QP(Quantum Platform)是一个轻量级的、开源的、基于状态机的、事件驱动型应用程序框架。这个框架包括四部分:
  • 事件处理器(QEP);
  • 轻量级的事件驱动框架(QF);
  • 任务调度微内核(QV、QK、QXK);
  • 实时跟踪调试器(QS)。
(1)QEP
  • Quantum Event Processor是一个通用的,可移植的,可重用的状态机引擎。
  • QEP允许你直接把UML样式的状态图映射为代码。
  • QEP提供了传统的简单平面状态机和层次式状态机。QEP可以直接操作事队列和事件分发机制。
(2)QF
  • QF是一个通用的,事件驱动的应用框架,是一个实时框架,面向嵌入式系统。
  • QF被设计成和QEP,RTOS协同工作。
  • QF包含了事件队列,活动对象,事件遍历等。
(3)QK
  • QK是一个轻量级可抢占型实时内核
  • QK是一个极小的,按RTC习惯的,执行独立任务的内核。
  • QK必须和QF版本相匹配。
(4)QS
  • 一个强大的调试工具
以下框图显示了 QP™ 框架的使用上下文、子组件和分层:
QEP (Hierarchical Event Processor)
事件处理器,也可以理解为一个状态机引擎,当有事件需要处理时,调用当前状态的状态函数处理这个事件,并处理调用状态函数的返回值,根据返回值进行相应的状态变换(如转移到父状态)。而且状态引擎也处理某状态的进入(ENTER)、退出(EXIT)、初始伪状态(INIT)。
QF (Active-Object Framework)
QF是轻量级的、事件驱动、active objects框架。这个框架的主要任务是保证每个active object的线程安全,运行-到-完成(run-to-completion )的事件处理。它包含了直接的事件传送,发布-订阅(publish-subscribe)的事件转发,事件队列,时间事件(延时传送时间事件)。
QV (Cooperative Kernel)
协作内核(Vanilla内核),它只在time to completion的时候处理event,并在处理所有event后,对active object执行基于priority-based的调度器。它是隐式合作(implicitly-cooperative),因为活跃定时器不需要明确的放弃CPU。代替的是在完成事件处理后,简单的return到QV调度器中。
QK (Preemptive Non-Blocking Kernel)
QK是一个超快速的抢占式,基于优先级的,单stack,实时内核专门为执行active objects而设计的。它总是会处理event queued中的高优先级的active objects,但它将event当作一次性的函数来调用(而不是像传统内核那样的endless循环)。尽管如此,如果新的事件优先级比当前处理的事件优先级高,QK内核依然提供了抢占式的一次性的event处理功能(像抢占式中断处理器允许中断彼此抢占)。这意味着,QK可以使用单stack来保存所有active objects的context。
QXK (Preemptive Blocking Kernel)
QXK是一个简单的抢占,基于优先级的,阻塞,实时内核专门为传统的阻塞代码的主动对象,如商用中间件(TCP / IP协议栈,UDP协议栈,嵌入式文件系统等)或遗留代码混合设计。
QS (Software Tracing System)
QS是软件追踪系统,使开发人员能够以最少的系统资源监控目标,并没有停止或显著放缓代码直播事件驱动QP的应用程序。QS是用于测试,故障排除和优化QP应用的理想工具。QS甚至可以用于支持产品制造验收测试。

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