第三部分 嵌入式軟件體系結構.ppt

嵌入式操作系統(tǒng)EmbeddedOperatingSystem 2016年2月 桑楠sn 信息與軟件工程學院 1 第三部分 信息與軟件工程學院 2 嵌入式軟件體系結構 核心內容 體系結構的概念軟件體系結構的作用軟件體系結構的發(fā)展歷程通用的體系結構基于模型的軟件開發(fā)嵌入式軟件體系結構 信息與軟件工程學院 3 體系結構的概念 信息與軟件工程學院 4 基本觀點 信息與軟件工程學院 5 目前尚沒有共識的定義許多專家學者從不同角度和不同側面對軟件體系結構進行了刻畫 來自建筑業(yè)的靈感 信息與軟件工程學院 6 磚瓦房的建造 來自建筑業(yè)的靈感 2 信息與軟件工程學院 7 現代建造 框架 DewaynePerry和A1exWo1f定義 信息與軟件工程學院 8 具有一定形式的結構化元素 即構件的集合 包括處理構件 數據構件和連接構件 處理構件負責對數據進行加工數據構件是被加工的信息連接構件把體系結構的不同部分組組合連接起來 該定義注重區(qū)分處理構件 數據構件和連接構件 其思想應用于其他定義中 Kruchten定義 信息與軟件工程學院 9 軟件體系結構有四個角度概念角度 描述系統(tǒng)的主要構件及它們之間的關系 模塊角度 包含功能分解與層次結構 運行角度 描述了一個系統(tǒng)的動態(tài)結構 代碼角度 描述了各種代碼和庫函數在開發(fā)環(huán)境中的組織 處理 處理 連接 數據 Bass Ctements和Kazman定義 信息與軟件工程學院 10 一個程序或計算機系統(tǒng)的軟件體系結構包括一個或一組軟件構件 軟件構件的外部可見特性及其相互關系 其中 軟件外部的可見特性 是指軟件構件提供的服務 性能 特性 錯誤處理 共享資源使用等 軟件體系結構的生命周期 信息與軟件工程學院 11 軟件體系結構的發(fā)展方向 信息與軟件工程學院 12 各種ADLs 結構描述語言 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構描述信息設計工具和環(huán)境 用工具實現體系結構的描述和分析 以實現階段成果的自動轉換體系結構再工程 從遺留系統(tǒng)軟件代碼和系統(tǒng)中抽取結構信息 經過描述 統(tǒng)一 抽象 一般化與實例化等處理 總結出系統(tǒng)的體系結構 體系結構融合 軟件體系結構作用 信息與軟件工程學院 13 設計計劃 信息與軟件工程學院 14 幫助管理復雜系統(tǒng)的抽象框架 信息與軟件工程學院 15 任務的實時性軟件體系結構獨立于任何一個現實系統(tǒng)平臺 它是一個抽象 現實系統(tǒng)中的許多細節(jié)被提煉并封裝成軟件體系結構中的元素 軟件體系結構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 軟件體系結構發(fā)展歷程 信息與軟件工程學院 16 示意 信息與軟件工程學院 17 軟件體系結構通用模型 信息與軟件工程學院 18 整體結構 無結構模型 信息與軟件工程學院 19 層次結構 信息與軟件工程學院 20 層次結構 2 另一種體現 信息與軟件工程學院 21 層次結構 3 示例 信息與軟件工程學院 22 OFP 飛控程序 對象結構模型 抽象 信息與軟件工程學院 23 客戶機 服務器結構模型 信息與軟件工程學院 24 客戶機 服務器結構模型 1 信息與軟件工程學院 25 nanoOS 客戶機 服務器結構模型 2 信息與軟件工程學院 26 安全OS 微內核 Safety Security 三層體系架構 信息與軟件工程學院 27 倉庫風格 黑板模型 信息與軟件工程學院 28 共享數據 虛擬機體系架構 信息與軟件工程學院 29 以犧牲運行效率為代價 優(yōu)化應用的可移植性 一個抽象計算機 有自己的抽象指令解釋執(zhí)行抽象指令 應用 在實際計算機上運行應用可在新環(huán)境下運行 不重新編碼 編譯Basic Java 虛擬機體系架構 2 信息與軟件工程學院 30 虛擬機體系架構 3 JVM架構 信息與軟件工程學院 31 物理系統(tǒng) 虛擬指令 虛擬機 基于構件的架構 信息與軟件工程學院 32 云計算體系架構 信息與軟件工程學院 33 全新的基于互聯(lián)網的超級計算理念和模式 實現需要多種技術結合 需要用軟件實現將硬件資源進行虛擬化管理和調度 形成一個巨大的虛擬化資源池 把存儲于個人電腦 移動設備和其他設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 云 上 計算資源則包括計算機硬件資源 如計算機設備 存儲設備 服務器集群 硬件服務等 和軟件資源 如應用軟件 集成開發(fā)環(huán)境 軟件服務 云計算體系架構 2 信息與軟件工程學院 34 云計算體系架構 信息與軟件工程學院 35 MVC模式 信息與軟件工程學院 36 模型驅動的軟件開發(fā) 信息與軟件工程學院 37 傳統(tǒng)設計方法 信息與軟件工程學院 38 當面對一個新的業(yè)務需求時 總是從先建立數據表等結構開始面向功能的結構化設計方法面向數據流的結構化設計方法面向對象設計方法 存在問題 信息與軟件工程學院 39 系統(tǒng)的狀態(tài)無法統(tǒng)一設計 導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)的編碼架構以數據庫為中心 沿用過程化編程風格 難于維護和拓展系統(tǒng)負載集中在數據庫服務器端 大型機集中式計算模式 非分布式計算模式容易喪失多層結構引以為豪的中間層 回復到過去的兩層結構 不利于軟件重用 模型驅動的軟件架構 信息與軟件工程學院 40 起源 OMG定義的一個軟件開發(fā)框架 基于UMLMDA概念 以建模行為驅動整個軟件開發(fā)過程核心思想 將業(yè)務分析與業(yè)務實現分離 保持業(yè)務邏輯對實現技術和平臺的獨立性 提高軟件質量和可重用度意義 提供了一種途徑 通過相關的工具 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平臺 并且把系統(tǒng)規(guī)范轉換到特定的實現平臺 模式驅動的設計過程 信息與軟件工程學院 41 確立領域模型及其之間關系 定義業(yè)務功能 由程序員分別實現表現層 業(yè)務服務層和持久層 領域模型相互關聯(lián) 界面邊界界面設計 業(yè)務流程業(yè)務組件 數據持久化存儲獲取數據 軟件體系結構嵌入式實時模型 信息與軟件工程學院 42 輪詢模型 信息與軟件工程學院 43 輪詢 2 子輪詢結構 信息與軟件工程學院 44 輪詢 2 子輪詢程序 信息與軟件工程學院 45 print msg msg char msg while msg END CHAR if READY FLAG 輪詢 3 典型結構及應用示意 信息與軟件工程學院 46 典型應用哲學家問題 無線傳感信息采集 分時系統(tǒng) 信號 如雷達信號 采集系統(tǒng) 網絡服務應答 前后臺模型 中斷模型 信息與軟件工程學院 47 前臺 后臺 前后臺模型 2 中斷的執(zhí)行 信息與軟件工程學院 48 前后臺模型 3 典型系統(tǒng)結構 信息與軟件工程學院 49 典型應用信號 如雷達信號 采集系統(tǒng) 開啟節(jié)能模式的微控制系統(tǒng) 酒店預訂系統(tǒng) 前后臺模型 4 重要參數 信息與軟件工程學院 50 性能指標 響應時間中斷延遲時間吞吐量 前后臺交互 同步信號數據交互 中斷 信息與軟件工程學院 51 中斷指一個必須立即處理的情況時 CPU暫時停止當前程序的執(zhí)行轉而執(zhí)行處理新情況的程序和執(zhí)行過程一種硬件機制 芯片必須帶該機制中斷服務一段代碼或程序 中斷發(fā)生時CPU新執(zhí)行的內容相關概念中斷注冊使中斷服務程序有效中斷優(yōu)先級中斷服務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備或故障 中斷 處理過程 信息與軟件工程學院 52 1 中斷CPU當前執(zhí)行 2 保護被中斷進程現場 3 分析中斷原因 轉去相應的中斷處理程序 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 恢復被中斷進程的現場 6 CPU繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的進程 中斷 現場保存與恢復 信息與軟件工程學院 53 保存 恢復內容寄存器 現場保存 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 跳轉執(zhí)行相應的中斷服務程序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 跳轉到ISR 11 恢復現場 r0 r12 LR CPSRldmfdsp r0 12 mrsspsr cxsf r0 恢復CPSR 13 ldmfdsp r0 r12 lr 恢復寄存器和pc 14 movspc lr 返回被中斷程序 15 實時多任務模型 信息與軟件工程學院 54 任務 Task 一個程序運行的實體 資源擁有的