第三部分 嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu).ppt

嵌入式操作系統(tǒng)EmbeddedOperatingSystem 2016年2月 桑楠sn 信息與軟件工程學(xué)院 1 第三部分 信息與軟件工程學(xué)院 2 嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu) 核心內(nèi)容 體系結(jié)構(gòu)的概念軟件體系結(jié)構(gòu)的作用軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程通用的體系結(jié)構(gòu)基于模型的軟件開發(fā)嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 3 體系結(jié)構(gòu)的概念 信息與軟件工程學(xué)院 4 基本觀點 信息與軟件工程學(xué)院 5 目前尚沒有共識的定義許多專家學(xué)者從不同角度和不同側(cè)面對軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了刻畫 來自建筑業(yè)的靈感 信息與軟件工程學(xué)院 6 磚瓦房的建造 來自建筑業(yè)的靈感 2 信息與軟件工程學(xué)院 7 現(xiàn)代建造 框架 DewaynePerry和A1exWo1f定義 信息與軟件工程學(xué)院 8 具有一定形式的結(jié)構(gòu)化元素 即構(gòu)件的集合 包括處理構(gòu)件 數(shù)據(jù)構(gòu)件和連接構(gòu)件 處理構(gòu)件負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工數(shù)據(jù)構(gòu)件是被加工的信息連接構(gòu)件把體系結(jié)構(gòu)的不同部分組組合連接起來 該定義注重區(qū)分處理構(gòu)件 數(shù)據(jù)構(gòu)件和連接構(gòu)件 其思想應(yīng)用于其他定義中 Kruchten定義 信息與軟件工程學(xué)院 9 軟件體系結(jié)構(gòu)有四個角度概念角度 描述系統(tǒng)的主要構(gòu)件及它們之間的關(guān)系 模塊角度 包含功能分解與層次結(jié)構(gòu) 運行角度 描述了一個系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu) 代碼角度 描述了各種代碼和庫函數(shù)在開發(fā)環(huán)境中的組織 處理 處理 連接 數(shù)據(jù) Bass Ctements和Kazman定義 信息與軟件工程學(xué)院 10 一個程序或計算機(jī)系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)包括一個或一組軟件構(gòu)件 軟件構(gòu)件的外部可見特性及其相互關(guān)系 其中 軟件外部的可見特性 是指軟件構(gòu)件提供的服務(wù) 性能 特性 錯誤處理 共享資源使用等 軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期 信息與軟件工程學(xué)院 11 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向 信息與軟件工程學(xué)院 12 各種ADLs 結(jié)構(gòu)描述語言 之間的信息互換 用一種公共形式把各種語言綜合起來 使得能夠交換各種體系結(jié)構(gòu)描述信息設(shè)計工具和環(huán)境 用工具實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的描述和分析 以實現(xiàn)階段成果的自動轉(zhuǎn)換體系結(jié)構(gòu)再工程 從遺留系統(tǒng)軟件代碼和系統(tǒng)中抽取結(jié)構(gòu)信息 經(jīng)過描述 統(tǒng)一 抽象 一般化與實例化等處理 總結(jié)出系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 體系結(jié)構(gòu)融合 軟件體系結(jié)構(gòu)作用 信息與軟件工程學(xué)院 13 設(shè)計計劃 信息與軟件工程學(xué)院 14 幫助管理復(fù)雜系統(tǒng)的抽象框架 信息與軟件工程學(xué)院 15 任務(wù)的實時性軟件體系結(jié)構(gòu)獨立于任何一個現(xiàn)實系統(tǒng)平臺 它是一個抽象 現(xiàn)實系統(tǒng)中的許多細(xì)節(jié)被提煉并封裝成軟件體系結(jié)構(gòu)中的元素 軟件體系結(jié)構(gòu)對管理的另一輔助作用是便于分析矛盾需求之間的平衡點 軟件體系結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程 信息與軟件工程學(xué)院 16 示意 信息與軟件工程學(xué)院 17 軟件體系結(jié)構(gòu)通用模型 信息與軟件工程學(xué)院 18 整體結(jié)構(gòu) 無結(jié)構(gòu)模型 信息與軟件工程學(xué)院 19 層次結(jié)構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 20 層次結(jié)構(gòu) 2 另一種體現(xiàn) 信息與軟件工程學(xué)院 21 層次結(jié)構(gòu) 3 示例 信息與軟件工程學(xué)院 22 OFP 飛控程序 對象結(jié)構(gòu)模型 抽象 信息與軟件工程學(xué)院 23 客戶機(jī) 服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型 信息與軟件工程學(xué)院 24 客戶機(jī) 服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型 1 信息與軟件工程學(xué)院 25 nanoOS 客戶機(jī) 服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型 2 信息與軟件工程學(xué)院 26 安全OS 微內(nèi)核 Safety Security 三層體系架構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 27 倉庫風(fēng)格 黑板模型 信息與軟件工程學(xué)院 28 共享數(shù)據(jù) 虛擬機(jī)體系架構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 29 以犧牲運行效率為代價 優(yōu)化應(yīng)用的可移植性 一個抽象計算機(jī) 有自己的抽象指令解釋執(zhí)行抽象指令 應(yīng)用 在實際計算機(jī)上運行應(yīng)用可在新環(huán)境下運行 不重新編碼 編譯Basic Java 虛擬機(jī)體系架構(gòu) 2 信息與軟件工程學(xué)院 30 虛擬機(jī)體系架構(gòu) 3 JVM架構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 31 物理系統(tǒng) 虛擬指令 虛擬機(jī) 基于構(gòu)件的架構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 32 云計算體系架構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 33 全新的基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計算理念和模式 實現(xiàn)需要多種技術(shù)結(jié)合 需要用軟件實現(xiàn)將硬件資源進(jìn)行虛擬化管理和調(diào)度 形成一個巨大的虛擬化資源池 把存儲于個人電腦 移動設(shè)備和其他設(shè)備上的大量信息和處理器資源集中在一起 協(xié)同工作計算資源都放到互聯(lián)網(wǎng) 云 上 計算資源則包括計算機(jī)硬件資源 如計算機(jī)設(shè)備 存儲設(shè)備 服務(wù)器集群 硬件服務(wù)等 和軟件資源 如應(yīng)用軟件 集成開發(fā)環(huán)境 軟件服務(wù) 云計算體系架構(gòu) 2 信息與軟件工程學(xué)院 34 云計算體系架構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 35 MVC模式 信息與軟件工程學(xué)院 36 模型驅(qū)動的軟件開發(fā) 信息與軟件工程學(xué)院 37 傳統(tǒng)設(shè)計方法 信息與軟件工程學(xué)院 38 當(dāng)面對一個新的業(yè)務(wù)需求時 總是從先建立數(shù)據(jù)表等結(jié)構(gòu)開始面向功能的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法面向數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法面向?qū)ο笤O(shè)計方法 存在問題 信息與軟件工程學(xué)院 39 系統(tǒng)的狀態(tài)無法統(tǒng)一設(shè)計 導(dǎo)致每個程序員都可以直接操控系統(tǒng)的狀態(tài) 整個系統(tǒng)狀態(tài)運行混亂容易將實體表和關(guān)系混合 造成分析者視覺混亂 無法正確提煉系統(tǒng)核心實體軟件系統(tǒng)的編碼架構(gòu)以數(shù)據(jù)庫為中心 沿用過程化編程風(fēng)格 難于維護(hù)和拓展系統(tǒng)負(fù)載集中在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端 大型機(jī)集中式計算模式 非分布式計算模式容易喪失多層結(jié)構(gòu)引以為豪的中間層 回復(fù)到過去的兩層結(jié)構(gòu) 不利于軟件重用 模型驅(qū)動的軟件架構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 40 起源 OMG定義的一個軟件開發(fā)框架 基于UMLMDA概念 以建模行為驅(qū)動整個軟件開發(fā)過程核心思想 將業(yè)務(wù)分析與業(yè)務(wù)實現(xiàn)分離 保持業(yè)務(wù)邏輯對實現(xiàn)技術(shù)和平臺的獨立性 提高軟件質(zhì)量和可重用度意義 提供了一種途徑 通過相關(guān)的工具 來規(guī)范化一個平臺獨立的系統(tǒng) 規(guī)范化平臺 為系統(tǒng)選擇一個特定的實現(xiàn)平臺 并且把系統(tǒng)規(guī)范轉(zhuǎn)換到特定的實現(xiàn)平臺 模式驅(qū)動的設(shè)計過程 信息與軟件工程學(xué)院 41 確立領(lǐng)域模型及其之間關(guān)系 定義業(yè)務(wù)功能 由程序員分別實現(xiàn)表現(xiàn)層 業(yè)務(wù)服務(wù)層和持久層 領(lǐng)域模型相互關(guān)聯(lián) 界面邊界界面設(shè)計 業(yè)務(wù)流程業(yè)務(wù)組件 數(shù)據(jù)持久化存儲獲取數(shù)據(jù) 軟件體系結(jié)構(gòu)嵌入式實時模型 信息與軟件工程學(xué)院 42 輪詢模型 信息與軟件工程學(xué)院 43 輪詢 2 子輪詢結(jié)構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 44 輪詢 2 子輪詢程序 信息與軟件工程學(xué)院 45 print msg msg char msg while msg END CHAR if READY FLAG 輪詢 3 典型結(jié)構(gòu)及應(yīng)用示意 信息與軟件工程學(xué)院 46 典型應(yīng)用哲學(xué)家問題 無線傳感信息采集 分時系統(tǒng) 信號 如雷達(dá)信號 采集系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)答 前后臺模型 中斷模型 信息與軟件工程學(xué)院 47 前臺 后臺 前后臺模型 2 中斷的執(zhí)行 信息與軟件工程學(xué)院 48 前后臺模型 3 典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 信息與軟件工程學(xué)院 49 典型應(yīng)用信號 如雷達(dá)信號 采集系統(tǒng) 開啟節(jié)能模式的微控制系統(tǒng) 酒店預(yù)訂系統(tǒng) 前后臺模型 4 重要參數(shù) 信息與軟件工程學(xué)院 50 性能指標(biāo) 響應(yīng)時間中斷延遲時間吞吐量 前后臺交互 同步信號數(shù)據(jù)交互 中斷 信息與軟件工程學(xué)院 51 中斷指一個必須立即處理的情況時 CPU暫時停止當(dāng)前程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而執(zhí)行處理新情況的程序和執(zhí)行過程一種硬件機(jī)制 芯片必須帶該機(jī)制中斷服務(wù)一段代碼或程序 中斷發(fā)生時CPU新執(zhí)行的內(nèi)容相關(guān)概念中斷注冊使中斷服務(wù)程序有效中斷優(yōu)先級中斷服務(wù)程序的緊急程度中斷屏蔽確保重要程序不被中斷 以免引發(fā)錯誤中斷源可能引起中斷的設(shè)備或故障 中斷 處理過程 信息與軟件工程學(xué)院 52 1 中斷CPU當(dāng)前執(zhí)行 2 保護(hù)被中斷進(jìn)程現(xiàn)場 3 分析中斷原因 轉(zhuǎn)去相應(yīng)的中斷處理程序 在多個中斷請求同時發(fā)生時 處理優(yōu)先級最高的中斷源發(fā)出的中斷請求 4 執(zhí)行中斷處理程序 5 恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場 6 CPU繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的進(jìn)程 中斷 現(xiàn)場保存與恢復(fù) 信息與軟件工程學(xué)院 53 保存 恢復(fù)內(nèi)容寄存器 現(xiàn)場保存 r0 r12 LR CPSRsublr lr 4 由IRQ模式計算返回地址 1 stmfdsp r0 r12 lr 保存寄存器和pc 2 mrsr0 cpsr 3 stmfdsp r0 保存CPSR 4 跳轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序ldrr0 INTOFFSET 5 ldrr0 r0 6 ldrr1 HandlerEINT0 7 addr1 r1 r0 lsl 2 R0 R1 R2 4 8 ldrr1 r1 9 movlr pc ISR完成后的返回處 10 movpc r1 跳轉(zhuǎn)到ISR 11 恢復(fù)現(xiàn)場 r0 r12 LR CPSRldmfdsp r0 12 mrsspsr cxsf r0 恢復(fù)CPSR 13 ldmfdsp r0 r12 lr 恢復(fù)寄存器和pc 14 movspc lr 返回被中斷程序 15 實時多任務(wù)模型 信息與軟件工程學(xué)院 54 任務(wù) Task 一個程序運行的實體 資源擁有的