【说明】<br />在嵌入式系统中，软件采用开放式架构已成为新的发展趋势。软件架构设计..

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第3题

知识点：软件架构 AE 架构设计嵌入式软件嵌入式系统软件架构设计

【说明】
在嵌入式系统中，软件采用开放式架构已成为新的发展趋势。软件架构设计的优劣将直接影响软件的重用和移植能力。
某软件公司主要从事宇航领域的嵌入式软件研发工作。经二十多年的发展，其软件产品已被广泛应用于各种航天飞行器中。该公司积累了众多成熟软件，但由于当初没有充分考虑软件的架构，原有软件无法被再利用，为适应嵌入式软件技术发展需要，该公司决策层决定成立宇航嵌入式软件开放式架构研究小组，为公司完成开放式架构的定义与设计，确保公司软件资源能得到充分利用。
研究小组查阅了大量的国外资料和标准，最终将研究重点集中在了 SAEAS4893《通用开放式架构（GOA)框架》标准，图3-1给出了 GOA定义的架构图。

问题：3.1 请用300字以内的文字简要说明开放式架构的四个基本特点。

问题：3.2 如图3-1所示，GOA框架规定了软件、硬件和接口的结构，以在不同应用领域中实现系统功能。GOA框架规定了一组接口，其重要特点是建立了关键组件及组件间接口关系，这些接口的确定可用于支持软件的可移植性和可升级性，以满足功能的增加和技术的更新要求。除操作系统服务与扩展操作系统之间的接口（3X)外，GOA将其他接口分为两类：即直接接口 (iD (i=l, 2, 3, •••))和逻辑接口（iL (i=l, 2, 3，•••))，直接接口定义了信息传输方式；逻辑接口定义了对等数据交换的要求，逻辑接口没有定义真正的信息传输方式，其传输发生在一个或多个直接接口。根据图3-1所标注的接口在框架中的具体位置，请填写表3-1的（1)〜（8)处空白。


知识点讲解
· 软件架构 · AE · 架构设计 · 嵌入式软件 · 嵌入式系统 · 软件架构设计

软件架构

随着嵌入式技术的发展，特别是在后PC时代，嵌入式软件系统得到了极大的丰富和发展，形成了一个完整的软件体系，如下图所示。这个体系自底向上由3部分组成，分别是嵌入式操作系统、支撑软件和应用软件。

嵌入式系统的软件架构

嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）由操作系统内核、应用程序接口、设备驱动程序接口等几部分组成。嵌入式操作一般采用微内核结构。操作系统只负责进程的调度、进程间的通信、内存分配及异常与中断管理最基本的任务，其他大部分的功能则由支撑软件完成。

嵌入式系统中的支撑软件由窗口系统、网络系统、数据库管理系统及Java虚拟机等几部分组成。对于嵌入式系统来讲，软件的开发环境大部分在通用台式计算机和工作站上运行，但从逻辑上讲，它仍然被认为是嵌入式系统支撑软件的一部分。支撑软件一般用于一些浅度嵌入的系统中，如智能手机、个人数字助理等。

嵌入式系统中的应用软件是系统整体功能的集中体现。系统的能力总是通过应用软件表现出来的。

AE是一款影视后期包装软件，全称After Effects，许多电影的制作都用到了这个软件，它是由Adobe公司开发的。AE借鉴了许多优秀软件的成功之处，将视频特效合成上升到了新的高度。关键帧、路径的引入使人们在控制高级的二维动画时游刃有余；高效的视频处理系统确保了高质量视频的输出；令人眼花缭乱的特技系统使AE能实现使用者的一切创意。

AE同样保留有Adobe优秀的软件相互兼容性，它可以非常方便地调入Photoshop及Illustrator的层文件；Premiere的项目文件也可以近乎完美地再现于AE中，甚至还可以调入Premiere的EDL文件。AE的新版本还能将二维和三维在一个合成中灵活地混合起来。用户可以在二维、三维中或者混合起来并在层的基础上进行匹配。使用三维的层切换可以随时把一个层转化为三维；二维和三维的层都可以水平或垂直移动；三维层可以在三维空间中进行动画操作，同时保持与灯光、阴影和相机的交互影响。AE支持大部分的音频、视频、图文格式，甚至还能将记录三维通道的文件调入并进行更改。

架构设计

WebApp描述了使WebApp达到其业务目标的基础结构，典型使用多层架构来构造，包括用户界面或展示层、基于一组业务规则来指导与客户端浏览器进行信息交互的控制器，以及可以包含WebApp的业务规则的内容层或模型层，描述将以什么方式来管理用户交互、操作内部处理任务、实现导航及展示内容。模型-视图-控制器（Model-View-Controller，MVC）结构是WebApp基础结构模型之一，它将WebApp功能及信息内容分离。

嵌入式软件

软件实际上是客观世界问题空间与解空间的具体实现，也是人类知识的提炼、抽象和固化。软件是计算机相关的：

（1）完成预定功能和性能的可执行的指令（计算机程序）序列。

（2）程序操作的信息或数据结构。

（3）描述程序操作、数据和使用的文档。

嵌入式软件是为完成某特定用途而开发的、驻留在预先定义的嵌入式计算机平台上的软件。随着微电子技术飞速发展带来的智能化需求的不断扩展，嵌入式软件无处不在，规模也越来越大。

近三十年来，随着现代化战争信息化程度的不断提高，随着装备由机械化向信息化的战略转型，军用软件已经渗透到军事应用的各个方面，成为装备及其体系中不可或缺的组成部分，其发展和应用水平代表着一个国家的装备实力。美国国防部在2002年的《国防科学技术领域计划》中就把军用软件设计和改进作为重要研究领域，制定了军用软件发展的近、中、远期目标。2011年，美国政府、国防部、海陆空三军、洛克希德·马丁公司等26个组织组成工作组，专题研究军事装备中软件研制和部署存在的问题，形成《美国国防部与国防工业领域软件工程的重大问题报告》，对军用软件的发展提出建议。这些都说明了军用软件在现代化战争中的重要地位和作用。

随着飞机机载计算机的广泛使用，机载软件从无到有、规模从小到大、复杂度从低到高。软件负责数据的采集、存储和处理。实时进行各种逻辑判断、数学运算、行为推导、状态转换等处理，帮助飞行员优化各种操作，实现飞行航路计算、姿态控制、环境控制、燃油输送、任务计算、状态监控、信息显示报警、人机界面控制等功能，不夸张地说，飞行员每一个操作、飞机的每一个动作的完成都离不开软件运行。而软件的复杂性、重要性还体现在：

（1）从计算机理论和技术发展趋势来说，硬件和软件没有明确界限，原来使用硬件实现的功能在尽可能地向软件迁移，技术进步越来越显现在软件方面。

（2）软件直接和飞机安全功能相关，而且这种相关性越来越高，如电传飞控软件。

（3）软件的特殊性导致了需要有特殊的规则保证系统的安全性、可靠性。

与硬件不同，软件至今尚未摆脱手工方式。更严重的是，软件在开发过程中涉及到了各行各业的工作人员，其中包括业务定义人员、系统分析员、系统设计人员、软件架构师、软件工程师、软件测试工程师以及质量工程师等。实际上这些人员中只有软件工程师是专业软件开发人员，其他人员都需要同时具备软件和其他行业的背景。因此与其他行业比较，软件行业具有以下鲜明的特点：

（1）抽象性：软件直接反映了人的思维逻辑实体，同时几乎没有具体物理实体，且没有明显的制造过程。

（2）客观问题越来越复杂，软件也随之越来越复杂，而且软件技术的进步速度落后于需求增长的速度。

（3）相对于通用硬件，软件开发成本昂贵，随着问题规模的加大、成本急剧增加。

（4）软件运行和使用没有磨损或老化现象。

（5）软件对硬件和环境有着不同程度的依赖性。

（6）大多数软件是新开发的，通过已有构件组装技术尚不成熟。

（7）软件工作结果涉及到许多社会因素。

以上特点使得软件开发进展情况较难衡量，软件质量不易评价，从而使软件产品的生产管理、过程控制及质量保证都相当困难。

对于嵌入式软件而言，它除了具有通用软件的一般特性，同时还具有一些与嵌入式系统密切相关的特点。这些特点包括：

（1）软件受资源的限制。由于嵌入式系统的资源一般比较有限，所以嵌入式软件必须尽可能地精简，才能适应这种状况。

（2）开发难度大。嵌入式软件的运行环境和开发环境一般比较复杂，从而加大了它的开发难度。首先，由于硬件资源有限，使得嵌入式软件在时间和空间上都受到严格的限制，但要想开发出运行速度快、存储空间少、维护成本低的软件，需要开发人员对编程语言、编译器和操作系统有深刻的了解。其次，嵌入式软件一般都要涉及到底层软件的开发，应用软件的开发也是直接基于操作系统的，这就需要开发人员具有扎实的软、硬件基础，能灵活运用不同的开发手段和工具，具有较丰富的开发经验。最后，对于嵌入式软件来说，它的开发环境与运行环境是不同的。嵌入式软件是在目标系统上运行，但开发工作要在另外的开发系统中进行，当编程人员将应用软件调试无误后，再把它放到目标系统上去。

（3）实时性和可靠性要求高。实时性是嵌入式系统的一个重要特征，许多嵌入式系统要求具有实时处理的能力，这种实时性主要是靠软件层来体现的。软件对外部事件做出反应的时间必须要快，在某些情况下还要求是确定的、可重复实现的，不管系统当时的内部状态如何，都是可以预测的。同时，对于事件的处理一定要在限定的时间期限之前完成，否则就有可能引起系统的崩溃。例如，火箭飞行控制系统就是实时的，它对飞行数据采集和燃料喷射时机的把握要求非常的准确，否则就难以达到精确控制的目的，从而导致飞行控制的失败。

与实时性相对应的是可靠性，因为实时系统往往应用在一些比较重要的领域，如航天控制、核电站、工业机器人等等，如果软件出了问题，那么后果是非常严重的，所以要求这种嵌入式软件的可靠性必须非常高。

（4）要求固化存储。为了提高系统的启动速度、执行速度和可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是像通常的计算机系统那样，存储在磁盘等载体中。

嵌入式系统

嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集，包括操作者的命令和受控对象的状态，按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算，计算结果作为命令输出到设备的某些部件，控制某些操作，同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。

嵌入式系统组成

上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分，一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分，而且体现了系统的思想、方法和规律。

在当今社会中，嵌入式系统已经和我们的生活息息相关，人们每时每刻都离不了嵌入式系统，如下图所示。

嵌入式系统基本分类

嵌入式系统一般是实时系统，《牛津计算机字典》对实时系统解释是：“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动，而系统输出对应着另外一个物理世界的运动，而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内，实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种，如下表所示。

实时系统分类及其特性

一般认为，嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机，在软件或硬件上的资源是有限的，硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面，软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。

第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。

随着20世纪60年代早期应用开始，嵌入式系统的价格迅速降低，同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例，在存储器和外围芯片的配套使用下，实现了计算器和其他小型系统。1978年，美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”，涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器，如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器，使得微处理器得到了快速发展。

无一例外，不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始，但核心是软件的算法处理，实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能，如下图所示。

嵌入式计算机的层次化架构

当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟，他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反，基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面，可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径，都会导致软件有不同程度的差异。

嵌入式系统具有以下特征：

（1）嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统，从操作指令发出，嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作，要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说，一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求，确保在最复杂行为和最大延时情况下，系统操作不发生延迟，要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低，需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。

（2）嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失，可能是铁路信号失效的巨额经济损失，也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后，对于不同的系统需要采取不同的策略，例如对具有重大影响的系统，要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术，将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下，嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。

（3）嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成，甚至可以进行软件正确性证明；即使过程中更换人员，花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件，其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期，实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合，考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护，同时考虑处理平台限制条件。

软件架构设计

软件架构也称为软件体系结构，需要考虑如何对系统进行分解，对分解后的组件及其之间的关系进行设计，满足系统的功能和非功能需求。软件架构形成过程如下图所示。

架构的形成过程概要

软件架构设计需要从用户业务需求、未来应用环境、需求分析、硬件基础、接口输入、数据处理、运算或控制规律、用户使用等方面进行综合、权衡和分析基础上产生。面向某种问题的架构一旦确定就很难改变，随后的架构设计需要通过一系列的迭代开发完善，使得软件架构日趋成熟、稳定。

软件架构的重要作用也在于控制一个软件系统的使用、成本和风险。好的架构要求是和谐的软件架构，包括与上一级系统架构相互和谐、与系统中同一级的其他组件架构互相和谐，确保系统满足性能、可靠性、安全性、信息安全性和互操作性等方面的关键要求，也具有可扩展、可移植性，从而为一个软件带来长久的生命力。

在大量开发实践中，有很多广泛使用并被普遍接受的软件架构设计原则，这些原则独立于具体的软件开发方法，主要包括抽象、信息隐藏、强内聚和松耦合、关注点分离等。

（1）抽象：这是软件架构的核心原则，也是人们认识复杂客观世界的基本方法。抽象的实质是提取主要特征和属性，从具体的事务中通过封装来忽略细节，并且运用这些特征和属性，描述一个具有普遍意义的客观世界。软件架构设计中需要对流程、数据、行为等进行抽象。复杂系统含有多层抽象，从而有多个不同层次架构。

（2）信息隐藏：包括局部化设计和封装设计。局部化设计就是将一个处理所涉及到的信息和操作尽可能地限制在局部的一个组件中，减少与其他组件的接口。而封装设计是将组件的外部访问形式尽可能简单、统一。

（3）强内聚和松耦合：强内聚是指软件组件内的特性，即组件内所有处理都高度相关，所有处理组合在一起才能组成一个相对完整的功能。而松耦合是指软件组件之间的特性，软件组件之间应尽量做到没有或极少的直接关系，使其保持相对独立，这样使得未来的修改、复用简单，修改之后带来的影响最小。

（4）关注点分离：所谓关注点是软件系统中可能会遇到的多变的部分。如为适应不同运行接口条件，需要进行适应性的参数调整和驱动配置。关注点分离设计是将这部分组件设计成为相对独立的部分，使未来的系统容易配置和修改。而核心的部分可以保持一个相对独立的稳定状态。如果功能分配使得单独的关注点组件足够简单，那么就更容易理解和实现。但“展示某些关注点得到满足时，可能会影响到其他方面的关注点，但架构师必须能够说明所有关注点都已得到满足”。

以上的原则中，删除需求细节或对细节进行抽象是最重要的工作，为用户的需求创建抽象模型，通过抽象将特殊问题映射为更普遍的问题类别，并识别各种模式。

软件架构设计使用纵向分解和横向分解两种方式。纵向分解就是分层，横向分解就是将每一个层面分成相对独立的部分。经过分解之后，可以将一个完整的问题分解成多个模块来解决。模块是其中可分解、可组装，功能独立、功能高度内聚、之间低耦合的一个组件。

类似于建筑架构，软件架构也决定了软件产品的好用、易用、可靠、信息安全、可扩展、可重用等特性，好的软件架构也给人完整、明确、清晰等赏心悦目的感觉，具有较长的生命力。

架构设计是围绕业务需求带来的问题空间到系统解决空间第一个顶层设计方案。按照抽象原则，在这个阶段进行的架构设计关注软件设计环节抽象出来的重要元素，而不是所有的设计元素。在架构设计时将软件这些要素看作是黑盒，架构设计需要满足黑盒的外部功能和非功能需求的目标。一个软件的架构设计首先为软件产品的后续开发过程提供基础，在此基础上可将一个大规模的软件分解为若干子问题和公共子问题。而一般意义的软件设计是软件的底层设计，开发人员需要关注各子问题或要素的进一步分解和实现，是根据架构设计所定义的每个要素的功能、接口，进一步实现要素组件内部的配置、处理和结构。在遵守组件外部属性前提下，考虑实现组件内部的细节及其实现方法。对于其中的公共子问题，形成公共类和工具类，从而可以达到重用的目的。

一般的软件构架是根据需求自上而下方式来设计，即首先掌握和研究利益相关方的关键需求，基本思路是首先进行系统级的软件架构设计，需要将软件组件与其外部环境属性绑定在一起，关注软件系统与外部环境的交联设计；其次将一个大的系统划分成各组成部分，这些部分可以按照架构设计的不同方法，分为层次或成为模块；之后再开始研究所涉及到的要素，再实现这些要素以及定义这些要素之间的关系。

在实际工作中，软件构架也可采用自底向上的方法，前提是已经建立了一个成熟稳定的软件架构，也可以称之为“模式”。模式是组织一级设计某一类具体问题的顶层思路，是为了解决共有问题解的方案模板，但并不是一个问题的设计或设计算法。

模式常常整合在一起使用，提供解决更大、更复杂问题的解决方案，而组成一个解决问题的通用框架。框架往往提供统一平台和开发工具，而且已经高效地利用了已经经过验证的模式、技术和组件。在新软件系统的设计中指定沿用或重用这种架构框架，这时其他重要元素可以在这个架构基础上针对新的需求进行扩展，有时是针对性地进行参数化设计。所以在架构设计中可以借用模式的概念进行设计，采用成熟的先进的设计框架和工具提高开发的效率，保证设计正确性。

下图所示是针对架构设计中非功能需求的多维度分析，从中可知任何一个因素的变化都会带来对其他因素的影响。实际上软件架构设计属于软件设计过程的一部分，但超越了系统内部的算法和数据结构的详细设计。

架构的多维度分析

在架构设计阶段，需要定义边界条件、描述系统组织结构、对系统的定量属性进行约束、帮助对模型进行描述并基本构造早期的原型、更准确地描述费用和时间的评估。

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