1 引言

　　從系統(tǒng)的觀點來看，嵌入式實時系統(tǒng)也是系統(tǒng)，特別是硬件技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式實時軟件也有快速適應硬件型號升級問題，也有業(yè)務快速變更要求以及可伸縮、可修改、可復用等方面的問題。但面向?qū)ο蠹夹g(shù)對于實時性、可靠性的描述并不適合，在嵌入式實時應用中依然不是主流設(shè)計方法，從而引入了模式的概念。

　　最早也是最基礎(chǔ)的設(shè)計模式是Liskov提出的七種基本模式，并提出對象構(gòu)成模式的五條基本準則[1-4]，為面向?qū)ο笤O(shè)計模式奠定了理論基礎(chǔ)。Gamma等四人提出了常用的25種設(shè)計模式[5]，為用模式設(shè)計軟件體系結(jié)構(gòu)提供了工程實踐的基礎(chǔ)。不過Gamma的模式作用域是局部的，只在單個的協(xié)作內(nèi)。Bruce Douglas將兩個重要的軟件工程進展--模式和UML相結(jié)合，成功地應用在主流實時軟件傳統(tǒng)使用的概念和技術(shù)中[6]。

　　本文討論的模式ERTSDP是基于Bruce Douglass的實時設(shè)計模式基礎(chǔ)之上，對典型嵌入式實時系統(tǒng)的設(shè)計解決方案加以總結(jié)抽象，提出的一套完整的設(shè)計思路。這一模式的提出可以促使本領(lǐng)域軟件開發(fā)速度成倍的提高，更為重要的是軟件質(zhì)量也可以得到保證。

　　2嵌入式實時系統(tǒng)設(shè)計模式(ERTSDP)研究

　　2.1 設(shè)計模式的定義

　　設(shè)計模式[7-9]是對經(jīng)常出現(xiàn)問題的泛解。模式由三個重要的方面組成：第一是問題(problem)，這是要以模式來處理的設(shè)計的某個方面的陳述，也就是要用模式解決的某些優(yōu)化和QoS的側(cè)面。第二是解決方案(solution)，也就是模式本身，模式用指明了角色的結(jié)構(gòu)圖表示。最后是結(jié)果(consequences)。

　　2.2 ERTSDP (Embedded Real-Time Systems Design Pattern)

　　1．目的

　　針對嵌入式實時系統(tǒng)分析和設(shè)計過程中的問題進行抽象并建立模型，使得新系統(tǒng)可以通過模式匹配、實例化等手段快速建立，從而達到縮短嵌入式實時產(chǎn)品開發(fā)周期的目的。

　　2．解

　　解即模式本身，2.3小節(jié)將詳細討論。

　　3．結(jié)果

　　結(jié)果是使用模式后的一組利弊，將在本文最后討論。

　　2.3 模式的解

　　2.3.1 系統(tǒng)分析

　　分析的目的是定義待開發(fā)系統(tǒng)的基本性質(zhì)。一般來說，分析是一個黑箱視圖，而設(shè)計則按某個服務質(zhì)量QoS的要求提供充分的功能。對系統(tǒng)的分析又可分為兩個階段：需求分析階段和系統(tǒng)工程階段。

　　(1)需求分析階段

　　在需求階段盡可能詳細地標識和捕獲當前原型的需求，可用順序圖、狀態(tài)圖、活動圖、正文描述以及約束等的組合對需求加以描述。

　　(2)系統(tǒng)工程階段

　　系統(tǒng)工程階段實際是做高層的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)工程階段主要定義子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)的接口及交互協(xié)議、將系統(tǒng)的用例和需求分解為子系統(tǒng)的用例和需求以及對系統(tǒng)的算法分析和控制法則規(guī)范說明。

　　2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計

　　設(shè)計就是該問題的具體解決方案，是對分析模型的優(yōu)化。優(yōu)化準則的集合就是要求的系統(tǒng)服務質(zhì)量QoS。如果把每個QoS方面看作是獨立的特征并具有相對重要性的加權(quán)因子，那么一個好的設(shè)計就是找出下面公式的最小值。

　　Min [ΣQoSFeaturej * Weightj ]

　　其中Weightj指的是與第j個QoSFeature相關(guān)的相對重要性。對系統(tǒng)的設(shè)計也分為兩個階段：體系結(jié)構(gòu)設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段。

　　(1)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

　　體系結(jié)構(gòu)包括邏輯體系結(jié)構(gòu)和物理體系結(jié)構(gòu)。邏輯體系結(jié)構(gòu)只涉及模型本身如何組織，這種組織可簡可繁，取決于小組需要用它構(gòu)造什么；物理體系結(jié)構(gòu)指的是組織存在于運行時的事物。這一階段用五層體系結(jié)構(gòu)視圖、子系統(tǒng)視圖和資源并發(fā)視圖等來描述。

　　五層體系結(jié)構(gòu)視圖[6]是一個特定的體系結(jié)構(gòu)，作用于許多嵌入式和實時系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)。它包含五個域：應用域(application domain)、用戶界面域(user interface domain)、通信域(communication domain)、抽象操作系統(tǒng)域(abstract OS domain)和抽象硬件域(abstract hardware domain)。

　　子系統(tǒng)視圖是表示重要子系統(tǒng)的類圖，多用于對系統(tǒng)進行細化時。

　　資源并發(fā)視圖是實時和嵌入式系統(tǒng)一個最突出的特點。一個有資源服務的元素，它的有效性由一個或多個服務質(zhì)量(QoS)特性來定義。QoS是資源的量化性質(zhì)，如容量、執(zhí)行速度、可靠性等等。

　　(2)詳細設(shè)計階段

　　詳細設(shè)計階段是對對象和類的內(nèi)部精細加工，它只限制在單個對象和類之中。詳細設(shè)計時，多數(shù)優(yōu)化都集中在數(shù)據(jù)構(gòu)造、算法分解、對象狀態(tài)機的優(yōu)化、對象實現(xiàn)策略、關(guān)聯(lián)的實現(xiàn)以及可見性和封裝問題等方面。

　　模式是對設(shè)計中一般問題的抽象，所以針對具體應用的模式匹配以及實例化是可根據(jù)需要對ERTSDP變動的。譬如，需求分析階段可以根據(jù)問題的復雜性對描述手段任意組合；系統(tǒng)工程階段也是微周期中的可選部分；如果系統(tǒng)非常復雜，可以遞歸調(diào)用子系統(tǒng)視圖對系統(tǒng)分解、分級細化；還可在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加Activity圖實現(xiàn)對任務的劃分，增加sequence圖對系統(tǒng)運行流程描述。

　　總之，在具體應用中可以靈活的應用模式來輔助設(shè)計。下面通過對常見的嵌入式實時系統(tǒng)--遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用ERTSDP模式進行分析和設(shè)計，闡述了實例化模式的方法，同時也是對這一模式的討論和驗證。