免费智能真题库 > 历年试卷 > 系统架构设计师 > 2015年下半年 系统架构设计师 上午试卷 综合知识
  第11题      
  知识点:   可移植性   嵌入式软件   软件设计
  关键词:   可移植性   嵌入式软件   软件设计   嵌入式        章/节:   嵌入式系统       

 
嵌入式软件设计需要考虑( )以保障软件良好的可移植性
 
 
  A.  先进性
 
  B.  易用性
 
  C.  硬件无关性
 
  D.  可靠性
 
 
 

 
  第12题    2012年下半年  
   51%
(12)不是反映嵌入式实时操作系统实时性的评价指标。
  第12题    2019年下半年  
   63%
混成系统是嵌入式实时系统的一种重要的子类。以下关于混成系统的说法中,正确的是   (12)   
  第11题    2012年下半年  
   50%
以下关于嵌入式系统硬件抽象层的叙述,错误的是(11) 。
   知识点讲解    
   · 可移植性    · 嵌入式软件    · 软件设计
 
       可移植性
        可移植性是指软件产品从一种环境迁移到另外一种环境的能力。
               适应性
               适应性是指软件产品无需采用有别于为考虑该软件的目的而准备的活动或手段,就可能适应不同的指定环境的能力。
               易安装性
               易安装性是指软件产品在指定环境中被安装的能力。
               共存性
               共存性是指软件产品在公共环境中同与其分享公共资源的其他独立软件共存的能力。
               易替换性
               易替换性是指软件产品在环境相同、目的相同的情况下替代另一个指定软件产品的能力。
               可移植性依从性
               可移植性依从性是指软件产品依附于同可移植性相关的标准或约定的能力。
 
       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。
 
       软件设计
               软件设计的任务
               在给定系统的需求规格说明书后,需要对软件的结构进行设计,并对设计的过程进行管理。在嵌入式系统的软件设计过程中,需要完成以下一些任务。
                      准备工作计划
                      在软件设计之前,首先要制订详细的工作计划,其内容包括:
                      .过程管理方案:包括软件开发的进度管理、软件规模和所需人年的估算、开发人员的技能培训等;
                      .开发环境的准备方案:包括开发工具的准备、开发设备的准备、测试装备的准备、分布式开发环境下的开发准则等;
                      .软硬件联机调试的方案:联调的起始时间、地点、人员和具体的准备工作;
                      .质量保证方案:包括质量目标计划、质量控制计划等;
                      .配置控制方案:包括配置控制文档的编写、配置控制规则的制订等。
                      确定软件的结构
                      设计软件的各个组成部分,包括:
                      .任务结构的设计:使用操作系统提供的函数,设计出一个最佳的任务结构;
                      .线程的设计;
                      .公共数据结构的设计:在确保系统一致性的基础上,设计出所需的公共数据;
                      .操作系统资源的定义;
                      .类的设计;
                      .模块结构设计:在设计时要充分考虑模块的划分、标准化、可重用和灵活性等;
                      .内存的分配与布局。
                      设计评审
                      对于软件设计的结果,进行一次设计评审,并在必要时对设计进行修正。具体内容包括:
                      .确认每件工作的执行方法是否恰当,其内容是否完善;
                      .确认该设计完成了系统需求规格说明书所要求的功能和服务;
                      .评估任务结构设计、评估类的设计、评估模块结构设计;
                      .对软件设计的结果进行总结,编写出相应的文档。
                      维护工作计划
                      执行软件设计工作控制,在每日、每周和每月的时间粒度上对进度进行控制,确保软件设计能够如期完成。
                      与硬件部门密切合作、相互协调
                      根据工作计划中的安排,定期与硬件部门召开会议,协调各自的进展。如果软件规格说明书发生了变化,立即进行调整,重新进行软件设计。
                      控制工作的结果,把工作记录存档
                      掌握当前的工作进展情况,尽早地发现和分析问题,并采取相应的措施。对各种事件进行跟踪记录,包括:
                      .执行过程控制,跟踪进展情况并定期记录、存档。
                      .执行质量控制,保留质量记录。
                      .记录产品的配置、版本变化、bug的发现和处理等信息。
               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。
               软件设计方法
               在将系统分解为各个组件的过程中,需要采取不同的策略,而每个策略则关注不同的设计概念。根据分解过程中所采用的不同策略,设计方法有基于功能分解的设计方法、基于信息隐藏的设计方法和基于模型驱动开发的设计方法等分类。
               (1)基于功能分解的设计方法。实时结构化分析与设计采用了功能分解,系统被分解为多个函数,并且以数据流或控制流的形式定义函数之间的接口;基于并发任务结构化的设计(Design Approach for Real-Time Systems,DARTS)提供了任务结构化标准,辅助人员确定系统中的并发任务,并指导定义任务接口。
               (2)基于信息隐藏的设计方法。面向对象(Object Oriented,OO)设计方法将数据和数据上操作封装在对象实体中,对象外界不能够直接对对象内部进行访问和操作,只能通过消息间接访问对象,符合人类思维方式,提高软件的扩展性、维护性和重用性。
               (3)基于模型驱动开发的设计方法。通过借助有效的(Model Driven Development,MDD)工具,构建和维护复杂系统的设计模型,直接产生高质量的代码,将开发的重心从编码转移到设计。当前使用较为广泛的MDD工具有IBM公司的Rhapsody。
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