第三部分 嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)

嵌入式操作系統(tǒng)

EmbeddedOperatingSystem2016年2月桑楠sn@

信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院1共五十九頁(yè)第三(dìsān)部分信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院2嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)共五十九頁(yè)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(tōngyòng)的體系結(jié)構(gòu)基于模型的軟件開(kāi)發(fā)嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院3共五十九頁(yè)體系結(jié)構(gòu)的概念(gàiniàn)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院4共五十九頁(yè)基本(jīběn)觀點(diǎn)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院5目前尚沒(méi)有共識(shí)的定義許多專家學(xué)者從不同角度和不同側(cè)面對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了刻畫共五十九頁(yè)來(lái)自(láizì)建筑業(yè)的靈感信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院6磚瓦房的建造共五十九頁(yè)來(lái)自(láizì)建筑業(yè)的靈感（2）信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院7現(xiàn)代建造框架共五十九頁(yè)DewaynePerry和A1exWo1f定義(dìngyì)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)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(duì)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(lái)。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)用于其他定義中共五十九頁(yè)Kruchten定義(dìngyì)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院9軟件體系結(jié)構(gòu)有四個(gè)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(yùn)行角度：描述了一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)；代碼角度：描述了各種代碼和庫(kù)函數(shù)在開(kāi)發(fā)環(huán)境中的組織。處理處理連接數(shù)據(jù)共五十九頁(yè)Bass，Ctements和Kazman定義(dìngyì)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院10一個(gè)程序或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或一組軟件構(gòu)件、軟件構(gòu)件的外部可見(jiàn)特性及其相互關(guān)系。其中，"軟件外部的可見(jiàn)特性"是指軟件構(gòu)件提供的服務(wù)、性能、特性、錯(cuò)誤處理、共享資源使用等共五十九頁(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院11共五十九頁(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(fāzhǎn)方向信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院12各種ADLs（結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言）之間的信息互換：用一種公共形式把各種語(yǔ)言綜合起來(lái)，使得能夠交換各種體系結(jié)構(gòu)描述信息設(shè)計(jì)工具和環(huán)境：用工具實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的描述和分析，以實(shí)現(xiàn)階段成果的自動(dòng)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(guò)描述、統(tǒng)一、抽象、一般化與實(shí)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)融合共五十九頁(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)

作用(zuòyòng)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院13共五十九頁(yè)設(shè)計(jì)(shèjì)計(jì)劃信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院14共五十九頁(yè)幫助管理復(fù)雜系統(tǒng)的抽象(chōuxiàng)框架信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院15任務(wù)的實(shí)時(shí)性軟件體系結(jié)構(gòu)獨(dú)立于任何一個(gè)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)，它是一個(gè)抽象：現(xiàn)實(shí)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(duì)管理的另一輔助作用是便于分析矛盾需求之間的平衡點(diǎn)。共五十九頁(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)

發(fā)展(fāzhǎn)歷程信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院16共五十九頁(yè)示意(shìyì)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院17共五十九頁(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)

通用(tōngyòng)模型信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院18共五十九頁(yè)整體(zhěngtǐ)結(jié)構(gòu)—無(wú)結(jié)構(gòu)模型信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院19共五十九頁(yè)層次結(jié)構(gòu)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院20共五十九頁(yè)層次結(jié)構(gòu)（2）—另一種(yīzhǒnɡ)體現(xiàn)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院21共五十九頁(yè)層次結(jié)構(gòu)（3）—示例(shìlì)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院22OFP(飛控程序)共五十九頁(yè)對(duì)象結(jié)構(gòu)(jiégòu)模型——抽象信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院23共五十九頁(yè)客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(jiégòu)模型信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院24共五十九頁(yè)客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(jiégòu)模型（1）信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院25nanoOS共五十九頁(yè)客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(jiégòu)模型（2）信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院26安全OS——微內(nèi)核

User

kernelHardwareProcessApplicationMemoryMicro-kernelFileNetDisplayRequestReturnSafetySecurity共五十九頁(yè)三層體系(tǐxì)架構(gòu)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院27共五十九頁(yè)倉(cāng)庫(kù)(cāngkù)風(fēng)格：黑板模型信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院28共享數(shù)據(jù)共五十九頁(yè)虛擬機(jī)體系(tǐxì)架構(gòu)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院29以犧牲運(yùn)行效率為代價(jià)，優(yōu)化應(yīng)用的可移植性。一個(gè)抽象計(jì)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(shí)際計(jì)算機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用可在新環(huán)境下運(yùn)行，不重新編碼、編譯Basic、Java共五十九頁(yè)虛擬機(jī)體系(tǐxì)架構(gòu)（2）信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院30共五十九頁(yè)虛擬機(jī)體系(tǐxì)架構(gòu)（3）：JVM架構(gòu)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院31物理系統(tǒng)虛擬指令虛擬機(jī)共五十九頁(yè)基于(jīyú)構(gòu)件的架構(gòu)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院32共五十九頁(yè)云計(jì)算體系(tǐxì)架構(gòu)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院33全新的基于互聯(lián)網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算理念和模式，實(shí)現(xiàn)需要多種技術(shù)結(jié)合，需要用軟件實(shí)現(xiàn)將硬件資源進(jìn)行虛擬化管理和調(diào)度，形成一個(gè)巨大的虛擬化資源池，把存儲(chǔ)于個(gè)人電腦、移動(dòng)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(jì)算資源都放到互聯(lián)網(wǎng)（云）上。計(jì)算資源則包括計(jì)算機(jī)硬件資源（如計(jì)算機(jī)設(shè)備、存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)環(huán)境、軟件服務(wù)）共五十九頁(yè)云計(jì)算體系(tǐxì)架構(gòu)（2）信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院34共五十九頁(yè)云計(jì)算(jìsuàn)體系架構(gòu)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院35共五十九頁(yè)MVC模式(móshì)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院36共五十九頁(yè)模型(móxíng)驅(qū)動(dòng)的

軟件開(kāi)發(fā)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院37共五十九頁(yè)傳統(tǒng)(chuántǒng)設(shè)計(jì)方法信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院38當(dāng)面對(duì)一個(gè)新的業(yè)務(wù)需求時(shí)，總是從先建立數(shù)據(jù)表等結(jié)構(gòu)開(kāi)始面向功能的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法面向數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法共五十九頁(yè)存在(cúnzài)問(wèn)題信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院39系統(tǒng)的狀態(tài)無(wú)法統(tǒng)一設(shè)計(jì)，導(dǎo)致每個(gè)程序員都可以直接操控系統(tǒng)的狀態(tài)——整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)行混亂容易將實(shí)體表和關(guān)系混合，造成分析者視覺(jué)混亂，無(wú)法正確提煉系統(tǒng)核心實(shí)體軟件系統(tǒng)的編碼架構(gòu)以數(shù)據(jù)庫(kù)為中心：沿用過(guò)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(kù)服務(wù)器端：大型機(jī)集中式計(jì)算模式，非分布式計(jì)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(guò)去的兩層結(jié)構(gòu)，不利于軟件重用。共五十九頁(yè)模型(móxíng)驅(qū)動(dòng)的軟件架構(gòu)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院40起源：OMG定義的一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)框架，基于UMLMDA概念：以建模行為驅(qū)動(dòng)整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程核心思想：將業(yè)務(wù)分析與業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)分離，保持業(yè)務(wù)邏輯對(duì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和平臺(tái)的獨(dú)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(guò)相關(guān)的工具）來(lái)規(guī)范化一個(gè)平臺(tái)獨(dú)立的系統(tǒng)、規(guī)范化平臺(tái)、為系統(tǒng)選擇一個(gè)特定的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，并且把系統(tǒng)規(guī)范轉(zhuǎn)換到特定的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)共五十九頁(yè)模式驅(qū)動(dòng)(qūdònɡ)的設(shè)計(jì)過(guò)程信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)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(shí)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(jì)

業(yè)務(wù)流程業(yè)務(wù)組件數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)獲取數(shù)據(jù)

共五十九頁(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)

嵌入式實(shí)時(shí)(shíshí)模型信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院42共五十九頁(yè)輪詢模型(móxíng)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院43共五十九頁(yè)輪詢（2）——子輪詢結(jié)構(gòu)(jiégòu)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院44共五十九頁(yè)輪詢（2）——子輪詢程序(chéngxù)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院45print_msg(msg)char*msg;{while(*msg!=END_CHAR){if(READY_FLAG&input(PRINTER_PORT)){output(PRINTER_DATA,*MSG++);}else{poll_others();}}}共五十九頁(yè)輪詢（3）——典型結(jié)構(gòu)(jiégòu)及應(yīng)用示意信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院46典型應(yīng)用哲學(xué)家問(wèn)題；無(wú)線傳感信息采集；分時(shí)系統(tǒng)；信號(hào)（如雷達(dá)信號(hào)）采集系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)答；....共五十九頁(yè)前后臺(tái)模型(móxíng)

——中斷模型信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院47前臺(tái)后臺(tái)共五十九頁(yè)前后(qiánhòu)臺(tái)模型（2）：

中斷的執(zhí)行信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院48共五十九頁(yè)前后臺(tái)模型(móxíng)（3）——典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院49典型應(yīng)用信號(hào)（如雷達(dá)信號(hào)）采集系統(tǒng)；開(kāi)啟節(jié)能模式的微控制系統(tǒng)；酒店預(yù)訂系統(tǒng)、....共五十九頁(yè)前后(qiánhòu)臺(tái)模型（4）：

重要參數(shù)信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院50性能指標(biāo)：響應(yīng)時(shí)間

中斷延遲時(shí)間吞吐量

前后臺(tái)交互：同步信號(hào)

數(shù)據(jù)交互

共五十九頁(yè)中斷(zhōngduàn)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院51中斷指一個(gè)必須立即處理的情況時(shí)，CPU暫時(shí)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(guò)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(shí)CPU新執(zhí)行的內(nèi)容相關(guān)概念

中斷注冊(cè)使中斷服務(wù)程序有效中斷優(yōu)先級(jí)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(cuò)誤中斷源可能引起中斷的設(shè)備或故障共五十九頁(yè)中斷(zhōngduàn)

——處理過(guò)程信息(xìnxī)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(chǎng)。（3）分析中斷原因，轉(zhuǎn)去相應(yīng)的中斷處理程序。在多個(gè)中斷請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，處理優(yōu)先級(jí)最高的中斷源發(fā)出的中斷請(qǐng)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(chǎng)（6）CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)被中斷的進(jìn)程。共五十九頁(yè)中斷——現(xiàn)場(chǎng)保存(bǎocún)與恢復(fù)信息與軟件工程(ruǎnjiànɡōnɡchénɡ)學(xué)院53保存/恢復(fù)內(nèi)容寄存器;現(xiàn)場(chǎng)保存：r0-r12、LR、CPSRsublr,lr,#4

;由IRQ模式計(jì)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(chǎng)：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)共五十九頁(yè)實(shí)時(shí)(shíshí)多任務(wù)模型信息(xìnxī)與軟件工程學(xué)院54任務(wù)（Task）一個(gè)程序運(yùn)行的實(shí)體；資源擁有的基本單位；系統(tǒng)調(diào)度的基本單元（若