（计算机科学与技术专业论文）汽车导航多媒体系统设计与实现.pdf

at h e s i si nc o m p u t e rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，i l ll l ii l l 1 ll l i l l i i l ! y 1716 3 4 8 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i m e d i a s y s t e m o na u t o m o b i l e n a v i g a t i o n b yt a n gh e g u o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rj i a n gl i n y i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二f ! 二 思。 学位论文作者签名：彦和q 日期：两6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：癌知闻 签字日期： 讲，s ， 两年口 导师签名： 签字日期：力即r i 一 东北大学硕士学位论文摘要 汽车导航多媒体系统设计与实现 摘要 车载娱乐方面处于领先水平的一直都是日本和欧美的国际知名公司，这些公司拥有 雄厚的资金和一流的开发团队，以及多年积累的汽车导航系统开发经验与技术成果。我 国在这方面的发展则相对滞后，只有少数的汽车导航产品，而这些产品同国外品牌相比 功能单一，市场竞争力不强。造成这一现象的原因在很大程度上取决于软件系统设计的 合理性，系统所涉及的车载网络较多，而且系统容易变化的方面较多，这些都给软件系 统设计带来难度。 在实现众多功能的基础上设计一个满足可用性、灵活性、可扩展性、健壮性和高性 能的下一代汽车多媒体系统是本论文的目的。通过研究国外现有汽车多媒体系统的设计 方案，发现优点和不足。通过研究国内外关于分层体系结构的设计资料，清楚分层体系 结构的特点，适用场合，以及如何设计分层体系结构，最终提出了一个全新的汽车多媒 体系统设计方案。在分层体系结构的思想下将系统大致分为六个层次，分别为人机交互 接口层、g u i 核心层、逻辑控制层、通信协议层、指令处理层和o s 层，在分层模式设 计原则以及高内聚低耦合的设计原则基础上对系统中的关键部分( g u i 核心层、逻辑控 制层、通信协议层) 进行了详细的设计。最后在这些设计的基础上实现了调频收音机设 备的全部功能，并完成单元测试、集成测试和确认测试。同现有汽车多媒体系统相比， 本系统具有灵活性高、可扩展性高和易于维护性等优势。在未来几年之内这个系统将出 现在某著名汽车中，为广大用户带来一个多功能的、扩展性高的、稳定性高的、灵活性 和健壮性强的汽车多媒体系统。 关键词：车载娱乐、汽车多媒体、分层模式、设计原则、车载网络 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f m u l t i m e d i as y s t e m o na u t o m o b i l en a v i g a t i o n a b s t r a c t t h e r ei sa l w a y st h ei n t e r n a t i o n a lr e n o w n e de n t e r p r i s eo fj a p a na n do c c i d e n ti nt h e l e a d i n gl e v e lo f a u t o m o b i l ee n t e r t a i n m e n t t h e s ec o m p a n i e sh a v et h ea b u n d a n tf u n da n dt h e f i r s t c l a s sd e v e l o p m e n tt e a ma sw e l la sm a n yy e a r sa c c u m u l a t i o no fa u t o m o b i l en a v i g a t i o n s y s t e md e v e l o p m e n te x p e r i e n c e sa n dt e c h n i c a la c h i e v e m e n t c h i n a sd e v e l o p m e n ti nt h i sa r e a i sr e l a t i v e l yl a g g i n gb e h i n d ，o n l yh a v em i n o r i t ya u t o m o b i l en a v i g a t i o np r o d u c t ，b u tt h e s e p r o d u c t sc o m p a r ew i t ht h eo v e r s e a sb r a n dt ob es i n g l e f o n c t i o n ，t h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s i sn o ts 仃o n g t h er a t i o n a l i t yo fs o f t w a r es y s t e md e s i g ni st h em a i nr e a s o no ft h i s p h e n o m e n o n ，t h es y s t e mi n v o l v e sm a n yk i n d so fa u t o m o b i l en e t w o r k ，a n dt h es y s t e mh a s m a n ya s p e c t se a s yt oc h a n g e ，t h e s eb r i n gm u c hd i f f i c u l t yt ot h es o f t w a r es y s t e md e s i g n i nt h eb a s i co fr e a l i z et h en u m e r o u sf u n c t i o n s ，d e s i g nan e x tg e n e r a t i o na u t o m o b i l e m u l t i m e d i as y s t e mw h i c hm e e tw i t ht h eu s a b i l i t y 、f l e x i b i l i t y 、e x t e n d i b i l i t y 、r o b u s t n e s sa n d l l i g h p e r f o r m a n c e i st h ep u r p o s eo ft h i st h e s i s t h r o u g hr e s e a r c ht h eo v e r s e a sc u r r e n t a u t o m o b i l em u l t i m e d i as y s t e md e s i g np r o p o s a l s ，d i s c o v e r ym e r i ta n di n s u f f i c i e n c y t h r o u g h r e s e a r c ht h ed e s i g no fl a y e ra r c h i t e c t u r et h r o u g h o u tt h ew o r l d ，c l a r i f yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a y e ra r c h i t e c t u r e 、t h ea p p l i c a t i o no fo c c a s i o n s ，a sw e l la sh o wt od e s i g ni t ，f i n a l l yp u t f o r w a r dan e wd e s i g no fa u t o m o t i v em u l t i m e d i as y s t e m s d i v i d e dt h es y s t e mw i t hs i xl a y e r s u n d e rt h et h o u g h to fl a y e ra r c h i t e c t u r e ，r e s p e c t i v e l yi sg u il a y e r g u i c o r el a y e r , l o g i c c o n t r o ll a y e r ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ll a y e r ，c o m m a n dp r o c e s s o rl a y e ra n do sl a y e r , u n d e r t h ed e s i g np r i n c i p l eo fl a y e rp a t t e r na n dt h ep r i n c i p l eo fh i g hc o h e s i o na n dl o wc o u p l i n gc a r r y o nt h ed e t a i l e dd e s i g nt os y s t e m se s s e n t i a lp a r t ( g u i - c o r el a y e r l o g i cc o n t r o ll a y e r ，p r o t o c o l l a y e r ) f i n a l l yi m p l e m e n t e dd e v i c ef m sa l lf u n c t i o nu n d e rt h e s ed e s i g na n dc o m p l e t e du n i t t e s t ，i n t e g r e a t et e s ta n dv a l i d a t i o nt e s t c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n ta u t o m o b i l em u l t i m e d i a s y s t e m ，t h i ss y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hf l e x i b i l i t y , h i g he x t e n s i b i l i t ya n de a s yt o m a i n t a i na n ds oo n t h i ss y s t e mw i l la p p e a rw i t h i nn e x ts e v e r a ly e a r si ns o m ef a m o u s a u t o m o b i l e ，b r i n g s a na u t o m o b i l em u l t i m e d i as y s t e mw i t hn u m e r o u sf u n c t i o n 、h i 曲 e x t e n s i b i l i t y 、h i 曲s t a b i l i t y 、h i g hf l e x i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sf o rt h eu s e rc o m m u n i t y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ee n t e r t a i n m e n t ，a u t o m o b i l em u l t i m e d i a ，l a y e rp a t t e r n ，d e s i g n p r i n c i p l e ，a u t o m o b i l en e t w o r k i i i 东北大学硕士学位论文 目录 口王 i = l 豕 独创性声明一i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 汽车多媒体现状1 1 3 研究目的和意义3 1 4 论文组织结构4 第2 章相关技术概述5 2 1 软件体系结构风格一5 2 2 分层体系结构9 2 3 车载常用网络1l 2 3 1m o s t 网络“11 2 3 2a v c l a n 12 2 3 3c a n 总线1 6 2 4 本章小结1 6 第3 章需求分析与概要设计1 7 3 1 系统功能需求1 7 3 1 1 调频收音机( f m ) 功能1 7 3 1 2d v d 切换功能l8 3 1 3 数字电视( d t v ) 功能1 9 3 2 系统非功能需求”2 1 3 3 体系结构选择2 2 3 4 分层模式概要设计2 3 3 5 本章小结2 6 i v 东北大学硕士学位论文目录 第4 章系统详细设计2 7 4 1 人机交互接口层”2 7 4 2g u i 核心层”2 7 4 2 1 设备切换模块2 8 4 2 2 设备详细类2 8 4 2 3 设备类2 9 4 2 4 连接感应模块“2 9 4 2 5g u i 核心库3 0 4 2 6 平台接入模块3 0 4 2 7 参数设置模块。3 l 4 2 8 参数转换模块3 2 4 2 9c o r e a p i 3 2 4 2 10g u i 核心层类图”3 3 4 2 1 1g u i 核心层主要时序3 6 4 3 逻辑控制层3 9 4 3 1 逻辑控制接口4 0 4 3 2g s 类4 0 4 3 3m a n a g e 类4 2 4 3 4 逻辑控制层主要时序4 5 4 4 通信协议层4 8 4 4 1 通信协议层类图4 8 4 4 2 通信协议层的主要时序”5 0 4 5 指令处理层5 2 4 6 本章小结5 2 第5 章系统实现5 3 5 1g u i 核心层实现5 3 5 1 1f m 详细类5 3 5 1 2f m 机器类6 0 5 1 3f m 参数设置模块6 0 一v 东北大学硕士学位论文 目录 5 2 逻辑控制层实现6 1 5 2 1g s 类”6 l 5 2 2m a n a g e 类6 3 5 3 通信协议层实现6 9 5 4 本章小结”7 0 第6 章系统测试7 1 6 1 单元测试7 1 6 2 集成测试7 4 6 3 确认测试7 5 6 4 本章小结7 6 第7 章总结7 7 参考文献7 9 作者简介8 1 致谢一8 3 v i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 根据中国汽车协会行业统计，2 0 0 7 年中国的汽车销量创下了8 7 9 万辆的历史新高 纪录，年增长率达2 1 8 ：而汽车信息娱乐设备销售额则比2 0 0 6 年增长近3 0 。伴随 着中国汽车消费的迅速增长，车载娱乐电子产品市场的发展也显现出强劲势头。据相关 部门研究表明，新型车载信息娱乐功能的需求同愈增长，2 0 1 2 年其市场规模将可高达 3 6 0 亿美元，其中车载娱乐电子市场将是汽车电子领域最具吸引力且成长最快的领域之 一，它也将成为汽车器件供应商竞争的焦点之一。 中国汽车市场的高速发展使中国有望成为全球最大的汽车生产和消费国，其中巨大 的市场发展空间催生了众多的汽车电子设备制造商。根据f r o s t s u l l i v a n 的研究表明， 在未来的几年内，中国车载娱乐系统市场将会持续高速发展，估计到2 0 1 3 年前后，中 国的车载远程信息和娱乐系统市场将会达到4 0 亿美元的规模。其中，车载娱乐电子领 域的市场潜力倍受瞩刚1 1 。 以往的汽车多媒体系统功能局限在c d 、d v d 、f m 等范围之内，随着人们生活水 平的提高以及一些新技术的问世，这些功能已经不能够满足消费者的需求，拥有调频收 音机、调幅收音机、数字收音机、卫星收音机、m p 3 、c d 、c d 切换、d v d 、d v d 切 换、电视、数字电视、蓝牙和i p o d 音乐播放等功能全面的多媒体系统是汽车多媒体系 统发展的必然趋势。 1 2 汽车多媒体现状 多媒体技术引入汽车制造业，促进了远程通信和智能交通系统( i t s ) 的发展。远 程通讯能够为驾乘者提供安全、灵活的驾驶环境，从而提高其舒适和方便。汽车多媒体 技术同新月异，智能交通系统( i t s ) 和先进的驾驶员信息系统( a t i s ) 技术综合了车 辆多媒体技术、导航技术和通信技术，当驾驶员在道路上行驶时，能够通过汽车内的便 携式电子系统为其提供必要的帮助或信息。 汽车音响设备是最早应用在汽车上的电子产品，虽说只是一种辅助性设备，对汽车 的运行性能没有影响，但随着人们对享受指标要求的越来越高，汽车制造商对汽车音响 设备的应用也同益重视。经过8 0 多年的发展，它已经由最初的汽车收音机演变成集视 听娱乐、通讯导航、辅助驾驶等多种功能于一体的综合性多媒体车载电子系统，成为未 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 来汽车上一个不可缺少的组成部分和作为评价汽车舒适性的依据之一。 汽车音响的发展史也是电子技术的发展史，电子技术的每项重大的技术进步都推动 着汽车音响的发展。早在1 9 2 3 年美国首先出现了装配无线电收音机的汽车，随后许多 汽车都步其后尘，在仪表板总成上安装了无线电收音机。那时候车用无线电收音机都是 用电子管，直到5 0 年代出现半导体技术后，汽车收音机出现了技术革命，用半导体晶 体管逐步取替了电子管，提高了汽车收音机的寿命。 7 0 年代初，卡式收录机进入了市场，一种可播放卡式录音带的车用收放两用机出 现在汽车上，同时机芯开始应用集成电路。直至8 0 年代末，一般汽车的音响多以一个 卡式收放两用机与一对扬声器为基础组合，扬声器分左右两路声道，有的置于仪表板总 成的两侧，有的置于车门，有的置于后座的后方，收放两用机输出功率多在2 0 瓦以下。 9 0 年代末，汽车音响又进入了一个新的里程碑，向大功率多路输出、多喇叭环绕 声音响、多碟式镭射c d 等方向发展。世界音响制造商也将轿车音响辟为一个专门的工 业部门，针对汽车的特殊环境，充分考虑车厢的音响效果，采用高新技术制造汽车音响 设备，其播送的音响效果完全能与家用音响相媲美。 现在，随着多媒体存储介质的广泛应用，n a n df l a s h 式的虚拟多碟c df m 开始推 广，u s b 、s d 卡等即插即用式的汽车音响在市场中出现，有望取代机械机芯结构的c d f m 。为了改善汽车收音机的接收效果，数字广播( d a b ，w o r ds p a c e ，x mf m ，s i r i u sf m 等) 的推广，使汽车收音机进行了划时代的革命。同时，视频的应用也不甘落后，自d v b 在欧洲从家庭走向了车载，d m b 在亚洲也开始步入了正轨，尤其是奥运会的举办对 d m b 在国内的应用起到了推波助澜的作用。 国内外汽车音响厂家为了占领市场销售份额，不断推出各种具有先进性能和独特功 能的产品吸引用户，比如：独特的防盗系统、光导纤维传送、全息激光头、c d 换片机 电子防震、缘边旋转入碟防刮机芯、超低中频数字调谐器、高质量的卫星调谐器、滑动 开启前操作面板、m a s k 新式秘密隐藏机构、智能操控转盘、动态超重低音、动态道 路噪音控制、三维影音系统、话音识别系统、驾驶座声场模拟系统、声感录音等等。作 为汽车多媒体的开发，但始终围绕着以下五个特征进行，即多功能；漂亮的产品外观 设计；高质量的音视频效果；综合的信息系统与高度安全性能和系统操作的容易性等【2 j 。 汽车车载影音多层格局。c d 机依旧唱主角。目前在国内汽车音响市场c d 机以5 0 的市场占有率依旧唱主角，主要体现在中端乘用车与高端商用车上。卡带以3 0 市 场占有率成为音响市场的第二主力，不过其仅仅在商用车或者皮卡车上突显出一点市场 优势。近年比较流行的g p s d v d 只占市场的5 。在国内的各个车系中，g p s d v d 一2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 装车率只有日系车企达到6 0 以上，而国内自主品牌装车率还未达到5 。对于新兴的 车载m p 3 来讲。因其技术成熟、体积小、容量大、成本少而突显出强大的市场发展趋 势。该产品一进入市场就在低端乘用车与高端商用车上达到1 4 的市场占有率，从其 未来发展趋势分析，车载m p 3 将成为未来低端车载音响的代表。而在高端音响市场中 只有b m w 5 的i d r i v e 系统、a u d ia 6 l 的m m i 系统和奔驰的数字仪表系统占有l 。 在国内真正意义上的集成化车载解决方案应用的还比较少。这样的汽车音响行业格局， 形成了高端辣手，g p s d v d 难进，c d 称王，卡带没“死”，m p 3 飙升的局面。很难 推动国内产业革命和技术发展【3 1 。 调频收音机、调幅收音机、数字收音机、卫星收音机、m p 3 、c d 、c d 切换、d v d 、 d v d 切换、电视、数字电视、蓝牙和i p o d 音乐播放等都属于汽车多媒体系统，由于将 众多多媒体功能融于一个系统中的设计和开发难度较大，开发周期较长，如果不能够合 理的设计系统那么势必会影响系统的正确性、健壮性、可扩展性、易于维护性和系统性 能，这些对于一个真正投入市场的产品来说，每一点都是至关重要的，在其中任何一点 上的设计失误都可能会对产品带来毁灭性的打击。在车载娱乐方面处于领先水平的一直 都是日本和欧美的国际知名企业，如丰田、宝马和奥迪，其拥有雄厚的资金和一流的开 发团队，以及多年积累的汽车导航系统开发经验与技术成果，然而我国在这方面一直都 是处在相对落后的阶段，只有极少数的汽车导航品牌产品，而这些产品的功能非常单一， 大部分只拥有导航、调频收音机和调幅收音机等简单功能，与国外产品相比根本不具备 市场竞争力。 1 3 研究目的和意义 车载娱乐系统功能复杂多样( 调频收音机、调幅收音机、数字收音机、卫星收音机、 m p 3 、c d 、c d 切换、d v d 、d v d 切换、电视、数字电视、蓝牙和i p o d 音乐播放等) ， 与导航机主板芯片进行交互的硬件设备较多，而且不同的设备可能拥有不同的总线协 议，如何在实现众多复杂的功能基础上把握系统的整体并设计一个满足f 确性、健壮性、 灵活性、可扩展性、易于维护性和高性能并且有广泛应用价值的系统是本课题的研究目 的。 从实际应用角度来考虑，汽车导航正在逐渐走入人们的日常生活，他逐渐成为人们 外出旅行的必备工具，而车载娱乐现在正成为汽车导航发展的必然趋势，所以车载娱乐 系统拥有广泛的市场应用前景，研究这样一个系统具有实际应用意义。 从技术角度来考虑，设计一个满足正确性、健壮性、可扩展性、易于维护性和高性 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 能的系统架构是本次毕业设计的重难点，这不仅仅需要众多的项目经验的积累而且要具 有统筹全局的能力，不仅仅是在整体上把握系统，对于系统的具体细节问题也是需要经 过精心设计的，这不仅仅需要对软件工程有深入的理解，更需要精通软件体系结构和设 计模式，在细节上更需要对算法和数据结构的合理设计。这种设计不仅可以应用于汽车 导航中，对于设计其他多媒体视听系统也具有重要的参考价值，具有普遍应用的意义。 1 4 论文组织结构 本课题在理论结合实践的基础上，研究了有关汽车导航多媒体系统的设计与实现， 全文采用从整体到局部，从理论到实践的论述方法，具体的组织方式为： 第一章论述了汽车多媒体系统现状以及研究的目的与意义。 第二章介绍设计与实现汽车导航多媒体系统所需的相关技术。 第三章对系统进行需求分析，包括功能需求与非功能需求，根据需求以及系统的 特点选择一个适合本系统的软件体系结构，在分层模式的思想下对系统进行概要设计。 第四章在分层模式的思想下对系统中的g u i 核心层、逻辑控制层和通信协议层进 行详细设计。 第五章画函数流程图并编写代码，实现调频收音机的功能。 第六章对实现的调频收音机功能进行单体测试、集成测试和确认测试，确保这部 分的成果具有可用性、正确性和健壮性。 第七章对本系统进行总结以及展望。 一4 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术概述 第2 章相关技术概述 2 1 软件体系结构风格 软件体系结构设计表示计算机系统的基础架构，主要从高层描述各组成部分的关系 以及它们的接口，包括系统构件，它们对外可见的性质及它们的关系。通过这种表示可 以分析软件需求满足的效力；可以相对容易地进行结构修改：可以减少程序构造的风险。 软件体系结构设计的一个核心问题是能否使用重复的体系结构模式即能否达到体系结 构级的软件重用【4 】。 软件体系结构风格是描述某一特定应用领域中系统组织方式的惯用模式。它反映了 领域中众多系统所共有的结构和语义特性并指导如何将各个模块和子系统有效地组织 成一个完整的系统。按这种方式理解软件体系结构风格定义了用于描述系统的术语表 和一组指导构件系统的规则。一个优秀的软件，首先要选择合适的软件体系结构风格， 可以更好地促进对设计的复用。软件体系结构风格的不变部分使不同的系统可以大粒度 地共享同一个实现代码。只要系统是使用常用的、规范的方法来组织，就可使别的设计 者很容易地理解系统的体系结构【5 】。下面是常用的体系结构风格： ( 1 ) 管道过滤器风格 在管道过滤器风格的软件体系结构中，每个构件都有一组输入和输出，构件读取 输入的数据流，经过内部处理，然后产生输出数据流。这个过程通常通过对输入流的变 换及增量计算来完成，所以在输入被完全消费之前，输出便产生了。因此，这里的构件 被称为过滤器，这种风格的连接件就象是数据流传输的管道，将一个过滤器的输出传到 另一过滤器的输入。此风格特别重要的过滤器必须是独立的实体，它不能与其它的过滤 器共享数据，而且一个过滤器不知道它上游和下游的标识。一个管道过滤器网络输出 的正确性并不依赖于过滤器进行增量计算过程的顺序【6 】。 一个典型的管道过滤器体系结构的例子是以u n i xs h e l l 编写的程序。u n i x 既提供 一种符号，以连接各组成部分( u n i x 的进程) ，又提供某种进程运行时的机制以实现管道。 另一个著名的例子是传统的编译器。传统的编译器一直被认为是一种管道系统，在该系 统中，一个阶段( 包括词法分析、语法分析、语义分析和代码生成) 的输出是另一个阶 段的输入l 。 管道过滤器风格的软件体系结构具有许多很好的特点： 使得软构件具有良好的隐蔽性和高内聚、低耦合的特点； 5 - 东北大学硕士学位论文 第2 章相关技术概述 允许设计者将整个系统的输入输出行为看成是多个过滤器的行为的简单合成； 支持软件重用。重要提供适合在两个过滤器之间传送的数据，任何两个过滤器 都可被连接起来； 系统维护和增强系统性能简单。新的过滤器可以添加到现有系统中来；旧的可 以被改进的过滤器替换掉； 允许对一些如吞吐量、死锁等属性的分析； 支持并行执行。每个过滤器是作为一个单独的任务完成，因此可与其它任务并 行执行。 但是，这样的系统也存在着若干不利因素。 通常导致进程成为批处理的结构。这是因为虽然过滤器可增量式地处理数据， 但它们是独立的，所以设计者必须将每个过滤器看成一个完整的从输入到输出的转换。 不适合处理交互的应用。当需要增量地显示改变时，这个问题尤为严重。 因为在数据传输上没有通用的标准，每个过滤器都增加了解析和合成数据的工 作，这样就导致了系统性能下降，并增加了编写过滤器的复杂性。 ( 2 ) 数据抽象和面向对象风格 抽象数据类型概念对软件系统有着重要作用，目前软件界己普遍转向使用面向对象 系统。这种风格建立在数据抽象和面向对象的基础上，数据的表示方法和它们的相应操 作封装在一个抽象数据类型或对象中。这种风格的构件是对象，或者说是抽象数据类型 的实例。对象是一种被称作管理者的构件，因为它负责保持资源的完整性。对象是通过 函数和过程的调用来交互的【l i j 。 面向对象的系统有许多的优点，并早已为人所知： 因为对象对其它对象隐藏它的表示，所以可以改变一个对象的表示，而不影响 其它的对象。 设计者可将一些数据存取操作的问题分解成一些交互的代理程序的集合。 但是，面向对象的系统也存在着某些问题： 为了使一个对象和另一个对象通过过程调用等进行交互，必须知道对象的标识。 只要一个对象的标识改变了，就必须修改所有其他明确调用它的对象。 必须修改所有显式调用它的其它对象，并消除由此带来的一些副作用。例如， 如果a 使用了对象b ，c 也使用了对象b ，那么，c 对b 的使用所造成的对a 的影响 可能是料想不到的。 ( 3 ) 基于事件的隐式调用风格 一6 一 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术概述 基于事件的隐式调用风格的思想是构件不直接调用一个过程，而是触发或广播一个 或多个事件。系统中的其它构件中的过程在一个或多个事件中注册，当一个事件被触发， 系统自动调用在这个事件中注册的所有过程，这样，一个事件的触发就导致了另一模块 中的过程的调用。 从体系结构上说，这种风格的构件是一些模块，这些模块既可以是一些过程，又可 以是一些事件的集合。过程可以用通用的方式调用，也可以在系统事件中注册一些过程， 当发生这些事件时，过程被调用。 基于事件的隐式调用风格的主要特点是事件的触发者并不知道哪些构件会被这些 事件影响。这样不能假定构件的处理顺序，甚至不知道哪些过程会被调用，因此，许多 隐式调用的系统也包含显式调用作为构件交互的补充形式。 支持基于事件的隐式调用的应用系统很多。例如，在编程环境中用于集成各种工具， 在数据库管理系统中确保数据的一致性约束，在用户界面系统中管理数据，以及在编辑 器中支持语法检查。例如在某系统中，编辑器和变量监视器可以登记相应d e b u g g e r 的 断点事件。当d e b u g g e r 在断点处停下时，它声明该事件，由系统自动调用处理程序， 变量监视器刷新变量数值。而d e b u g g e r 本身只声明事件，并不关心哪些过程会启动， 也不关心这些过程做什么处理【13 1 。 隐式调用系统的主要优点有： 为软件重用提供了强大的支持。当需要将一个构件加入现存系统中时，只需将 它注册到系统的事件中。 为改进系统带来了方便。当用一个构件代替另一个构件时，不会影响到其它构 件的接口。 隐式调用系统的主要缺点有： 构件放弃了对系统计算的控制。一个构件触发一个事件时，不能确定其它构件 是否会响应它。而且即使它知道事件注册了哪些构件，它也不能保证这些过程被调用的 顺序。 数据交换的问题。有时数据可被一个事件传递，但另一些情况下，基于事件的 系统必须依靠一个共享的仓库进行交互。在这些情况下，全局性能和资源管理便成了问 题。 既然过程的语义必须依赖于被触发事件的上下文约束，关于f 确性的推理存在 问题。 ( 4 ) 层次系统风格 一7 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术概述 层次系统组织成一个层次结构，每一层为上层服务，并作为下层客户。在一些层次 系统中，除了一些精心挑选的输出函数外，内部的层只对相邻的层可见。这样的系统中 构件在一些层实现了虚拟机( 在另一些层次系统中层是部分不透明的) 。连接件通过决 定层间如何交互的协议来定义，拓扑约束包括对相邻层间交互的约束。 这种风格支持基于可增加抽象层的设计。这样，允许将一个复杂问题分解成一个增 量步骤序列的实现。由于每一层最多只影响两层，同时只要给相邻层提供相同的接口， 允许每层用不同的方法实现，同样为软件重用提供了强大的支持。 层次系统最广泛的应用是分层通信协议。在这一应用领域中，每一层提供一个抽象 的功能，作为上层通信的基础。较低的层次定义低层的交互，最低层通常只定义硬件物 理连接【1 4 1 。 层次系统有许多可取的属性： 支持基于抽象程度递增的系统设计，使设计者可以把一个复杂系统按递增的步 骤进行分解； 支持功能增强，因为每一层至多和相邻的上下层交互，因此功能的改变最多影 响相邻的上下层； 支持重用。只要提供的服务接口定义不变，同一层的不同实现可以交换使用。 这样，就可以定义一组标准的接口，而允许各种不同的实现方法。 但是，层次系统也有其不足之处： 并不是每个系统都可以很容易地划分为分层的模式，甚至即使一个系统的逻辑 结构是层次化的，出于对系统性能的考虑，系统设计师不得不把一些低级或高级的功能 综合起来； 很难找到一个合适的、正确的层次抽象方法。 ( 5 ) 仓库风格 在仓库风格中，有两种不同的构件：中央数据结构说明当前状态，独立构件在中央 数据存贮上执行，仓库与外构件间的相互作用在系统中会有大的变化。 控制原则的选取产生两个主要的子类。若输入流中某类时间触发进程执行的选择， 则仓库是一传统型数据库；另一方面，若中央数据结构的当前状态触发进程执行的选择， 则仓库是一黑板系统。 黑板系统的传统应用是信号处理领域，如语音和模式识别。另一应用是松耦合代理 数据共享存取。黑板系统主要由三部分组成： 知识源。知识源中包含独立的、与应用程序相关的知识，知识源之间不直接进 - 8 - 东北大学硕士学位论文 笫2 章相关技术概述 行通讯，它们之间的交互只通过黑板来完成。 黑板数据结构。黑板数据是按照与应用程序相关的层次来组织的解决问题的数 据，知识源通过不断地改变黑板数据来解决问题。 控制。控制完全由黑板的状态驱动，黑板状态的改变决定使用的特定知识。 2 2 分层体系结构 分层( l a y e r ) 模式是最常见的一种架构模式。甚至说分层模式是很多架构模式的 基础，分层描述的是这样一种架构设计过程：从最低级别的抽象开始，称为第l 层。这 是系统的基础。通过将第j 层放置在第j 1 层的上面逐步向上完成抽象阶梯，直到到达 功能的最高级别，称为第n 层。因而分层模式就可以定义为：将解决方案的组件分隔 到不同的层中。每一层中的组件应保持内聚性，并且应大致在同一抽象级别。每一层都 应与它下面的各层保持松散耦合。 分层模式的关键点在于确定依赖：即通过分层，可以限制子系统间的依赖关系，使 系统以更松散的方式耦合，从而更易于维护。相对于分层，还有一种概念叫分区。分层 是对架构的横向划分，而分区是对架构的纵向划分。 典型的分层方式是应用程序专用功能位于上层，跨越应用程序领域的功能位于中 层，而配置环境专用功能位于低层。层的数量与组成取决于问题领域和解决方案的复杂 程度。通常而言只有一个应用程序专用层。应当把子系统组织成分层结构，架构的上层 是应用程序专用子系统，架构的低层是硬件和操作专用子系统，中间层是通用服务。 前面已经提到，分层架构的目的就是为了隔离各个层之间的耦合，并划分各个层之 问的职责关系。有经验的开发者在进行架构设计时适当地采用分层来搭建基础的应用环 境，分层架构具有以下优点： ( 1 ) 松耦合 由于层与层之间的依赖关系被最大程度地剥离，并且层之间的高内聚，以及层与层 之间通过接口交互而剥离了对接口实现的依赖，使得系统解决方案的维护和增强变得更 容易。比如，可以将原有基于s w i n g a w t 的j a v a 应用切换到w e b 页面，改变表示层的 实现而不需要改变业务逻辑层和数据层的实现；又或者，将数据库从m y s q l 切换到 o r a c l e 时，对表示层的影响减小到最低。 ( 2 ) 伸缩性 这个特性依赖于各个层实现的方式。当一个设计合适的分层系统为了满足业务增长 的需要来提高系统的性能时，可以在压力大的层增加机器来增加其负载能力。显而易见 9 - 东北大学硕士学位论文 第2 章相关技术概述 的一个例子就是，原有的系统在进行数据库操作时，需要每一个客户端都建立一个数据 库连接，而三层架构通过数据库连接池机制，可以利用少量的数据库资源来满足大量的 用户请求的需要。另外，通过各个层的集群能够实现大容量的应用服务，将层分布在多 个物理层上可以改善可伸缩性、容错性和性能。 ( 3 ) 重用性 重用性和松耦合是有联系的，都是为了达到同一个实现能够满足多种应用需求的目 的。例如，业务逻辑层能够被w e b 、w a p 等多种表示层实现调用；同样，业务逻辑层 在调用数据层时并不需要了解其对数据库的依赖。 ( 4 ) 扩展性 通过分层，可以实现新功能的增加而不会影响其他层的实现。只有在影响原有实现 的接口时，才有可能影响到各个层之间的关系。同时，具有定义明确的层接口以及交换 层接口的各个实现的能力提高了可测试性。 但是，分层架构也带来了一些损失，这主要是以下几个方面： ( 1 ) 性能影响。穿越各层( 而不是直接调用组件) 所需的额外开销会对性能造成不 利的影响。例如，客户端访问数据库中的数据时，通常需要经过多个层次，非常耗费性 能，如何尽量减少数据库访问是j 2 e e 应用系统首要解决的问题。例如，过于严格的分 层会禁止表示层与持久层直接交互，导致开发表示层复杂的应用程序时可能需要更长的 时间。此时如果要弥补由此而带来的性能损失，可以使用松散的分层方法。通过这种方 法，较高层可以直接调用较低层。 ( 2 ) 复杂性。层的使用有助于控制和封装大型应用程序的复杂性，但增加了简单应 用程序的复杂性。对较低级别接口的改变可能会渗透到较高级别，尤其是在使用了松散 的分层方法的情况下可能性更大。多层架构实际是将以前