1 引言

　　從系統的觀點來看，嵌入式實時系統也是系統，特別是硬件技術的快速發展，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。但面向對象技術對于實時性、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計方法，從而引入了模式的概念。

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

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

　　2嵌入式實時系統設計模式(ERTSDP)研究

　　2.1 設計模式的定義

　　設計模式[7-9]是對經常出現問題的泛解。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計的某個方面的陳述，也就是要用模式解決的某些優化和QoS的側面。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構圖表示。最后是結果(consequences)。

　　2.2 ERTSDP (Embedded Real-Time Systems Design Pattern)

　　1．目的

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

　　2．解

　　解即模式本身，2.3小節將詳細討論。

　　3．結果

　　結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 系統分析

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

　　(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)系統工程階段

　　系統工程階段實際是做高層的體系結構設計。系統工程階段主要定義子系統的體系結構、子系統的接口及交互協議、將系統的用例和需求分解為子系統的用例和需求以及對系統的算法分析和控制法則規范說明。

　　2.3.2 系統設計

　　設計就是該問題的具體解決方案，是對分析模型的優化。優化準則的集合就是要求的系統服務質量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因子，那么一個好的設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相關的相對重要性。對系統的設計也分為兩個階段：體系結構設計階段和詳細設計階段。

　　(1)體系結構設計階段

　　體系結構包括邏輯體系結構和物理體系結構。邏輯體系結構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造什么；物理體系結構指的是組織存在于運行時的事物。這一階段用五層體系結構視圖、子系統視圖和資源并發視圖等來描述。

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

　　子系統視圖是表示重要子系統的類圖，多用于對系統進行細化時。

　　資源并發視圖是實時和嵌入式系統一個最突出的特點。一個有資源服務的元素，它的有效性由一個或多個服務質量(QoS)特性來定義。QoS是資源的量化性質，如容量、執行速度、可靠性等等。

　　(2)詳細設計階段

　　詳細設計階段是對對象和類的內部精細加工，它只限制在單個對象和類之中。詳細設計時，多數優化都集中在數據構造、算法分解、對象狀態機的優化、對象實現策略、關聯的實現以及可見性和封裝問題等方面。

　　模式是對設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需要對ERTSDP變動的。譬如，需求分析階段可以根據問題的復雜性對描述手段任意組合；系統工程階段也是微周期中的可選部分；如果系統非常復雜，可以遞歸調用子系統視圖對系統分解、分級細化；還可在體系結構設計時增加Activity圖實現對任務的劃分，增加sequence圖對系統運行流程描述。

　　總之，在具體應用中可以靈活的應用模式來輔助設計。下面通過對常見的嵌入式實時系統--遠程監控系統應用ERTSDP模式進行分析和設計，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。