Giotto编程技术、特点及实现嵌入式应用设计

作者：雷，陈颖，

随着计算机技术、控制技术和信息技术的快速发展，工业生产和管理模式已经进入生产自动化和智能控制时代，特别是分布式嵌入式系统的应用，需要标准化、实时化的控制模块和I/O功能模块，以集成系统，构建适用于恶劣环境的复杂分布式系统。嵌入式软件模块适用于不复杂的分布式系统，支持分布式和异构设备的系统设计和构建。嵌入式模块的功能是提供使复杂性易于处理的结构和技术。基于Giorio的嵌入式控制设计更适合实时性控制要求严格的应用。本文中的平台是指硬件结构、操作系统和通信协议，由CPU、传感器、执行器和网络组成。平台无关事件包括应用功能和时间限制，而平台相关事件包括调度、通信和物理特性。

1 Giotto编程功能

传统的实时嵌入式软件设计是基于抽象的数学模型。控制工程师根据对象行为和环境影响，利用软件工具对模型进行求解，得到模型的功能和性能，然后交给软件工程师编写给定平台的代码，在给定平台上对代码进行测试和优化，直到得到满意的时间行为。在这个过程中，模型和代码之间的紧密对应往往会丢失，软件的复杂性被抛弃，软件设计的复杂性增加。因此，产生的软件很弱，难以在不同的平台上应用。

基于Giotto的嵌入式控制软件设计将功能程序与具体平台分离，将时间限制与功能分离。其平台无关性使其更具实时性、可靠性和可重用性，更适合于嵌入式实时分布式系统。l是基于Giotto的嵌入式控制系统的设计流程图。首先，控制工程师和软件工程师商定控制设计的功能和时限，设计一个Giotto程序；然后，软件工程师使用Giotto编译器生成可执行代码，该代码可以连接Giotto运行时库，并将程序映射到给定的平台。Giotto运行时库提供了一个调度和通信的中间层，它定义了Giotto可执行程序和平台之间的接口。目前已经为Wind River的VxWorks实时操作系统在Intel x86上建立了Giotto运行时库。

2 Giotto编程技术

Giotto是一种平台无关的编程语言，在特定的控制领域有很高的应用水平。Giotto专为高要求的控制应用而设计，这些应用需要定期的传感器滥用、任务调用、更新执行和模式转换。Giotto基于时间触发编程，传感器与CPU、CPU与执行器之间的通信由全局时钟触发，具有可预测性。Giotto程序没有指定与平台相关的部分，如优先级、通信等。它的优点是与具体的执行平台无关，可以兼容任何实时操作系统、调度算法和实时通信协议。

Giotto的两个核心组件是：周期性任务调用和模式转换。Giotto程序指定了一系列模式，每个模式包含一系列任务和模式转换。在每一时刻，程序都以特定的模式P执行，每一次P模式转换都包含一个评价函数和一个目标模式q，只有当评价函数为真时，系统才会转换到新的模式q。

Giotto task是一个戏剧性的工作，它的输入和输出分别在任务周期的开始和结束时更新。但是，Giotto task不一定要在周期开始时启动，只需要在周期内启动并完成即可。图2(a)示出了在同一CPU上运行的40毫秒任务M和10毫秒任务N的时序。虚线表示当前任务占用CPU的可能情况。在Oms中，M和N都读取其输入端口的值；在第10th ms时，任务n的计算结果被写入其输出端口，但n的执行已经结束(如图中虚线所示)；在第40 ms，任务M的计算结果被写入其输出端口，但任务M在第40 ms之前已经被执行过，无论任务M在0到0~40 ms的任何时间完成计算，任务N都只会在第40 ms读取结果.

在Giotto中，任务可以被视为一个工作单元。一旦开始，就必须完成。当任务周期没有结束时，模式转换不能终止任何任务。给定Giotto模式p(包括分别由40ms和10 ms调用的Giotto任务m和n)和Giotto模式q(包括分别由40 ms和5ms调用的Giotto任务m和r)。图2(b)示出了当P模式中的10ms模式转换被激活时的时序，此时模式P被转换到模式Q。由于P和Q都包含任务M，所以任务M不会被终止，但是任务N被周期为5 ms的任务R替换

3物流系统独立汽车设计

自动驾驶汽车系统包括两辆自动驾驶汽车，每辆汽车都包含一个微处理器、一个电机和一个触摸传感器。设定任何时候只有一辆自动驾驶汽车是领导者，其他自动驾驶汽车是跟随者。其中，处于领先或避让状态的自主车称为领导，处于跟随或停止状态的自主车称为追随者。当领导者被阻挡时，领导者进入回避状态，追随者进入停止状态。进入回避状态的自主车执行回避程序以避开障碍物，而处于停止状态的自主车仍然停止；当领导者完成回避程序并返回到领先状态时，跟随者返回到跟随状态。当其中一个跟随者被阻挡时，自主车进入避让状态，其他所有自主车进入停止状态，被阻挡的自主车成为新的领导者。图3显示了2-1自主汽车系统的状态行为。

由于自主车处于引导或避让状态，其他自主车处于跟随或停止状态，所以每个引导车x使用一个LeildXFollow模式和一个EvadeXStop模式，其中，在LeadlFollow模式下，自主车L为引导车；当处于回避停止模式时，自主车辆L执行回避程序。此外，为每个自主车辆X引入了stopX模式，这允许自主车辆快速停止。RunCom1任务每40 ms运行一次输出端口command中存储的命令，两个Giotto任务rrailerCtrl和trailerCtr2有lOms周期，它们根据command中的命令控制两个自主车的电机；命令中的数据由任务驱动的trailerDrv传送到任务trailer tr1和trailerCtr2的输入端口。

该系统分别连续检测自主车辆1和2的传感器。当自主车辆1被阻挡时，系统切换到stopl模式。两辆自动驾驶汽车都停止移动；Stop模式完成后，系统切换到EvadelStop模式。此时，自主汽车L执行回避程序，自主汽车2停止。类似地，当自主车辆2被阻挡时，自主车辆2经过stop2模式，然后切换到Evade2Stop模式。在EvadelStop模式下，Evadel task每循环计算一次回避动作是否完成，以及回避的下一个动作；10ms周期的任务trailerCtrl根据命令中的避让步骤控制自主车1的电机，一旦避让动作完成，将切换到LeadlFollow模式。

图4是系统从Leadfollow模式到Stop模式、EvadelStop模式和Leadfollow模式的模式转换的时序图。在Leadfollow模式的第60th ms，转换到stopl模式。自主汽车L的传感器检测到障碍物，系统从引导跟随模式变为停车模式。两辆自动驾驶汽车执行了停车程序；Stop模式完成后，系统在80 ms内切换到另一种模式EvadelStop，自动车1的控制任务立即被调用，自动车L执行避让程序，而自动车2仍然停止；当自主车1完成避让动作后，两台自主车的控制任务立即在110ms内被调用，系统切换到引导跟随模式。当自主车2领先时，其模式转换类似。

4结论

在基于Giotto的嵌入式控件设计中，顺序程序和功能程序的分离，使得Giotto程序独立于具体的运行平台，从而提高了程序的健壮性、稳定性和代码重用性。Giotto系统中任务的调用和环境变量的检测由全局时钟触发，其时间行为具有高度的可预测性，这使得Giotto非常适用于实时性有硬约束的嵌入式控制系统。