（计算机应用技术专业论文）基于中间件技术的atc系统的研究与设计.pdf

弋7 7 8 8 3 7 基于中间件技术的a t c 系统的研究与设计 计算机应用专业 研究生：张五二指导教师：游志胜教授 【摘要】 本文提出了基于中间件技术的空管系统结构设计方法，并对设计进行 技术可行性分析。空管系统对空管事务进行调度，保证空中交通的安全。 空管系统中间件的开发，对于满足国内空管事业迅速发展的要求，开发不 受国外制约的国产民用、军用空管系统，促进现代国防建设都有重大的意 义。 本文所作的工作主要是在原有空管软件设计基础上，按中间件的设计 思路对系统结构进行了重新划分和设计。文中首先介绍了空管系统的运作 原理，对空管系统的主要功能模块进行了描述。随后，按中间件特性，把 系统划分为三个主要的模块，分别为空管通用中间件，它包括时间服务、 实时任务调度服务、数据一致性服务、监控服务、消息管理服务、系统容 错服务等；与空管业务相关的组件、还有应用于显示的中间件，它提供了 窗口管理、颜色服务、记录回放还有在线帮助等功能，能够实现对不同应 用进行方便地的开发和维护。最后根据具体项目的工作总结了对记录与回 放的研究，并以此为契机展开了对中间件的研究和设计。 新设计在原空管系统基础上加入时间服务和实时任务调度等服务，还 有针对应用的显示中间件几个部分，这几个模块保证了系统的实时性要求， 使新的设计较之原有的空管系统有更好的实时性、可靠性、重用性、易于 维护和扩展性。其中显示中间件部分是本文所作研究工作的重心。最后， 本文对一些关键技术进行了讨论和展望。 本结构设计较之原有空管系统结构的创新点有：1 ) 按分布式互联基础 对原有系统的中央控制结构进行了改进，使之能成为跨操作系统的中间件； 2 ) 对原有的空管系统加入了显示中间件部分，以满足对不同应用的要求， 并易于开发、方便维护、移植和扩展。 该设计结构还有很多地方有待完善，如数据一致性服务、时间服务、 消息管理服务以及定位服务等都需要进行详细设计和实现，这些都是下一 步工作的目标。 关键词：空中交通管制( 空管)中间件显示中间件实时任务调度 记录与回放 i i 一一璺坐查兰堡主堂垡丝奎 t h es e a r c ha n d d e s i g no fa i rt r a f f i cc o n t r o l s y s t e mb a s e do nm i d d l e w a r e m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n g r a d u a t e ：z h a n gw u e ra d v i s o r ：p r o f y o uz h i s h e n g a b s t r a c t n l i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e t h o do fa r c h i t e c t u r ed e s i g no fa t cs y s t e m 谢t h t h em i d d l e w a r et e c h n o l o g y , a n da n a l y s e si t st e c h n i q u ef e a s i b i l i t y a t cs y s t e m s c h e d u e st h ea i rt r a f f i ct a s k s a n dg u a r a n t e e st h es a f e t yo ft h ea i rt r 硪i c t h e d e v e l o p m e n to ft h ea t cr a i d d l e w a r ei sm u c hm o r ei m p o r t a n tf o rm e e t i n gt h ef a s t d e v e l o p m e n to f n a t i o n a lc i v i la i rt 斌ca d m i n i s t r a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to f a l li n d e p e n d e n tn a t i o n a lc i v i la t cs y s t e ma n dm i l i t a r ya t cs y s t e m a n di ti s a l s oc r i t i c a lf o rt h em o d e r n i z a t i o no f n a t i o n a id e f e n c ec o n s t r u c t i o n t h en e wd e s i g ni sb a s e do nt h eo r i g i n a la t cs y s t e ms o i ：c w a r ed e s i g n , w e r e g 呻c h l r ei ti nm i d d l e - w a r ed e s i g n i n gs t y l e w ef i r s t l yi n t r o d u c et h eb a s i c p r i n c i p l eo fa t cs y s t e ma n di t sf u n c t i o nm o d u l e s s u b s e q u e n t l y , w ed i v i d et h e s y s t e mi n t ot h r e em a j o rp a r t s ：g e n e r a lm o d u l a ro fa t cs y s t e m ，i ti n c l u d e s r e a l - t i m ep r o c e s ss c h e d u l em o d u l a r , t i m es e r v i c em a n a g e m e n tm o d u l a r , n e t - w o r k m o n i t o rm o d u l a r , m e s s a g ec o n t r o lm o d u l a r , a n dm i s t a k et o l e r a n c em o d u l a r s e c o n di st h es p e c i a lm o d u l a ro f a t c s y s t e m t h i r d l y , w ed e s c r i b et h em o d u l a ro f d i s p l a y , w ed e s i g nt h eo p e r a t i o n a ld i s p l a ym o d u l a ri no r d e rt os u p p o r tr a p i d d e v e l o p m e n to fn e wa p p l i c a t i o no fa t cs y s t e ma n de a s i l yt r a n s p o r ta n d m a i n t e n a n c e a tl a s t ，w es u m m a r i z et h er e s e a r c ho fr e c o r da n dp l a y b a c kb a s eo n t h er e a lp r o j e c t w ea d dr e a l t i m et a s ks c h e d u l em o d u l a ra n dt i m es e r v i c em a n a g e m e n t m o d u l a r , e s p e c i a l l yt h ed i s p l a ym o d u l a rw h i c ha i m sa tt h eo p e r a t i o n a ld i s p l a y i 四川大学预士学位论文 s y s t e m t h e s em o d u l e se n s u r et h es y s t e mf u l f i l lt h er e a l t i m er e q u e s t a n dm a k e t h en e wd e s i g nh a v eb e t t e rr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t yt h a nt h eo l do n e t h e d i s p l a ym o d u l ei st h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e r a tt h ee n d ，w ed i s c u s ss e v e r a l k e yt e c h n i q u e sa n db r i n go u tt h ep r o s p e c t t h ed e s i g no ft h i sp a p e rh a ss o m en e wc h a r a c t e r s ：( 1 ) w ei m p r o v eo nt h e c e n t r a l - c o n t r o l l i n gm o d ei n t oad i s t r i b u t e dm o d et om a k ei t am i d d l e w a r e w l ：l i c hc a no v e r l a yo nd i f f e r e n to s ( 2 ) w ea d dan e wp a r to fd i s p l a ym o d u l e ，i n o r d e rt om e e tt h er e q u e s to fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n a n dt h en e wd e s i g ni s c o n v e m e n tt od e v e l o p ，m a i n t e n a n c e ，t r a n s p o r t , a n de ) 【t e n d s u r e l y t h i sd e s i g nh a ss o m ep a r t st ob ei m p r o v e d ，s u c h 髂t h ed i s t r i b u t e d a m b 踮em a n a g e m e n tm o d u l e ，d i s p l a ym o d l l l ea n ds oo n t h e yn e e ds p e c i f i ci n d e t a i l a n df u l f i l lo nd i f f e r e n to s a l lt h e s ea r e 也ew o r kt ob ed o n el a t e ra n da s t h ea c c u m u l a t i o no f w i s e s o f ls o f t w a r ec o m p a n y k e yw o r d s ：a i rt r a f f i cc o n t r o l ( a t c ) r e a l t i m es c h e d u l e m i d d l e w a r ed i s p l a ym i d d l e w a r e r e c o r da n dp l a y b a c k 四川大学硕士学位论文 1 引言 1 1 我国空中交通管制的现状 空中交通管制的基本职责是依据国家和军队的法律、法规，对空中活动 进行管理和控制，主要任务是防止航空器之间、航空器和地面障碍物之间相 撞；维护军民航飞行秩序和国家领空安全，保障空中交通畅通，保证飞行安 全和提高飞行效率。因此空中交通管制系统是广泛应用于航空部门的空中交 通控制和管理系统。它用于管理控制各类飞行事务，有效调整飞行事务计划， 防止飞行交通事故。它一般分布在不同的地理位置，安装在不同的空管区域 中心，如机场或航管站。空管控制系统通过前端雷达数据处理系统获得对本 区域飞行事务的实时数据，实时地对本区域的飞行事务进行调控。并维护着 本区域的飞行计划数据库系统，通过各类透讯设备与其他的空管区域进行着 飞行控制信息的交互。由于空中交通事务有重大的安全性和可靠性要求，直 接关系到飞行人员等的生命安全，因此空中交通管制系统有着很高的安全性 和可靠性的保障要求p j 。 随着航空航天技术的迅猛发展，世界各国越来越重视空中交通管制问题。 建立空中交通管制的目的，是为了有效地保护和促进空中交通安全，维护交 通秩序，保障空中交通畅通。空管系统自动化可以有效辅助管制员的工作， 提高工作效率，减少不必要的工作失误。在未来几年，保持空管系统与航空 运输协调发展、飞行安全和航班正常，使空管系统综合保障能力进一步提高， 将是民航空管系统战略发展的主要目标。 目前国内主要飞行量仍然在东部地区，京广线以东地区的机场起降架次 占全国的7 6 以上，因此，该地区空域内的飞行矛盾将进一步突出，而中西 部地区飞行量也呈现出快速增长的势头，这些都需要进一步改善空域环境， 优化航路结构，加强系统设施建设，缩小飞行间隔。空管发展建设的目标是 进一步调整优化空域结构，在全国初步建立空管三级维修体系和分级监控中 心。今后5 1 0 年，全国民航空管系统的发展和建设主要围绕空管系统的现 代化展开，核心是加快系统化、自动化、网络化和信息化建设，积极推进雷 四川大学硕士学位论文 达管制的实施，提高空管综合保障能力、技术水平和服务质量，更好地保障 飞行安全和航班正常。用十年左右的时间初步实现全国民航空管系统现代化。 国外经过几十年的空管软件的开发，已经积累了许多的先进经验。他们 运用成熟的软件工程开发模型，已经开发形成较为完善的空管产品，如法国 汤普森公司的欧洲猫空管系统就是一个先进的空管系统，在我国的一些大机 场也安装了该系统。雨我国的空管软件发展相对滞后，这是由于国产空管软 件的开发较晚，开发能力较弱，对于空管系统这样一个规模大、性能要求高、 开发周期长、工程风险大的情况，制约了很多国内软件开发商。而四川大学 的川大智胜软件公司，涉足空管领域的软件开发较早，积累了丰富的经验： 而且本身拥有川大图形图像研究所的技术支持，为大规模软件工程开发打下 了良好的基础。其生产的空管软件虽然整体上与国外先进的空管系统还有差 距，但在某些关键技术上已有较大的突破，比起国外同类产品，我们的产品 价格低于匿外产品，极具竞争力，其空管产品已经配备于国内许多民航机场， 并开始涉足军航空管领域，受到了广泛的好评。 1 2 中间件技术的介绍 究竟什么是中间件呢? 顾名思义，你可以把中间件理解成是处在应用软 件和系统软件之间的一类软件，或是独立于硬件或数据库( 处在他们之间， 实现他们的互连) 的一类软件，抑或是客户、服务方之间的连接件，或者是 需要二次开发的中间产品【l 】口】。总之，中间件处在中间，它是对应用系统中具 有共性的问题进行了抽象，将抽象后的部分从应用程序中提取出来，形成的 一个新的实体。如图l 一1 所示： 四川大学硕士学位论文 圈1 1 中问件示意图 业界比较流行的定义是：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式 应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机服务 器的操作系统之上，管理计算资源和网络通讯。从这个流行的定义中可以看 出，中间件是一类软件，不仅仅可以实现互连，还要实现应用之间的互操作。 中间件是基于分布式处理的软件，定义中还特别强调了网络通讯功能。 中间件是怎样产生的? 中间件系统的产生，就是因为应用软件系统的不 断扩大而产生的，现在已经是大型应用系统中的不可缺少的组成部分。中间 件作为基础软件中的一种，它的基础程序在整个应用系统中的作用就相当于 模块，而且是作为经常被调用的模块。t h es t a n d i s hg r o u p 分析1 0 0 个关键应 用系统发现，业务和应用逻辑程序仅占总程序的3 0 ，而基础程序则占7 0 。所以新一代的中间件系列产品组合应用，同时配合可复用的对象软件， 可使应用开发费用减少7 0 - - 8 0 ，中间件正是在这样的环境下应运而生。 中间件能解决什么样的问题? 首先，应用的互连和互操作是中间件所要 解决的首要问题，这里的互连和互操作不是系统之间的互连，因为中间件是 一种应用级的软件，它是一种应用集成的关键件，一个好的中间件产品要能 解决各种数据内容、数据格式翻译、流量控制等；在中间件核心，要能解决 名字服务、安全控制、并发控制等：在开发上，要能提供基于不同平台的丰 富的开发接口、支持流行的开发工具；在管理上，解决对中间件本身配置、 监控、调谐，为系统易用易管理提供保证。其次针对不同的应用领域，对中 间件又有不同的要求，不能指望一种包罗万象的中间件解决所有的问题【l l 【2 】o 1 3 论文选题背景和意义 1 3 1 空中交通管制系统的构成 空管系统的构成是为着空中交通管制功能服务的。由上述的描述可知一 般的空管系统有如下图l 一2 所示几个模块。 雷达前端处理模块：包括飞机的经纬度位置，飞行高度，飞行速度等实际 四川大学硬士学位论文 飞行特征的飞行数据收集。 雷达数据处理：通过飞行计划处理，把飞行数据与系统航迹关联起来，并 对飞机航迹进行识别。 飞行计划处理：包括飞行计划安排和飞行情报等功能的处理。 入机接口模块：空管人员与空管系统的交互接口。 整个空管系统的处理过程为；雷达获取空域内的实际飞行数据，雷达数 据经过前端处理后传给空管软件控制系统，空管软件系统把它与飞行计划数 据进行比较，对本区域的飞行数据进行系统航迹追踪和确认。通过人机接口， 空管人员能监控本区域内的飞行航迹和飞行事务情况，并通过通讯系统与飞 行人员进行交互，对飞行冲突或紧急情况进行控制。 圈1 2 空中交通管制系统结构圈 1 3 2 空中交通管制系统使用中间件的必要性和意义分析 随着计算机技术的发展，分布式计算机体系结构褥到进一步的发展和应 四川大学硕士学位论文 用，有越来越多的异构计算机系统和应用系统要求能够跨平台方便地进行协 作和通信。在一组功能近似的应用系统中，如果对每一个异构系统都单独进 行开发和设计，这样就会有很多的重复和冗余，中间件技术正好是解决这一 问题的合理方法。中间件根据所要实现的功能进行模块的设计和划分，构造 在不同系统平台上，屏蔽掉不同系统的底层通信细节。它提供给不同系统的 应用程序相同的函数调用接口，使不同系统平台下的应用程序不考虑底层结 构，就能在中间件的基础上方便地进行程序开发，实现跨平台的连接。显而 易见，中间件实现了应用程序开发的底层网络通讯透明，并且使应用程序的 开发与平台无关，使得应用系统具有易于移植和扩充等优点。 空中交通管制系统正需要中间件的这些特点。空管系统从分布上有着地 理位置的差异，但对空中交通进行一致的管理控制，具有分布式的特点。空 管系统的构建平台上也可以有不同的基础，它可以采用不同的u n i x 系统， l i n u x 系统，以及w i n d o w s 系统等。但对于各个空管系统来说，都有相 似的功能，而且相互间有数据和通信的联系。空管系统以中间件技术进行设 计，可以为不同的应用提供方便、开放和统一的基础构架，减少了系统的开 发成本和时间，同对使之具有更为清晰一致的通讯接口。 从以下几个方面来说，空中交通管制系统软件运用中间件技术开发具有 重要的意义： 第一，使用中间件技术可以缩短开发周期一半以上，而且使用中间件可 以保证应用系统的质量及减少新旧系统维护、扩展的开支。 第二，空中交通管制对我国的军航、民航事业的发展有重大的促进作用。 它针对我国现阶段民航管理整体资金相对短缺，管理自动化程度低，但又发 展迅速的现状，最好能使用较少的资金就s 2 够配备现代化的空管系统，缓解 空中交通运输调度的压力。另外，使军用航空管制这种具有国防意义的系统， 可以不依赖于国外技术限制，形成独立安全的控制系统，其意义重大而且深 远。而中间件技术正好可以满足这样的需求。 第三，是对国产大型软件工业的拖动。对于国内现阶段的大多数软件公 司，还没有形成软件产业的运作模式。所以许多软件公司的产品开发还停留 在原始的个人依赖的基础上，产品开发的成功是一些个人的技巧和勤奋，而 四川大学硕士学位论文 不是靠公司的管理运作模式。这样一个软件产品的成败有许多不稳定因素。 现在国外许多大公司都采用c m m 模型来评估一个公司的完善程度，评估一 项工程的成功几率。空管系统中间件这样一个大型软件产品的开发，其成功 要依靠公司整体工程化的开发管理，可以为大型软件项目开发积累非常有价 值的经验。同时，可以增加软件产品的重用性，使上层空管应用软件的开发 更加简单且便于扩展。这对于我国的航空事业有着很积极的作用。 1 4 作者的工作以及本文的内容安排 作者本人在攻读研究生期间，在川大智胜利软件公司实习一年半多，并 参与了某个空中交通管制软件项目的开发编码工作，有一定的实际工作经验。 期间主要参加了此项目的雷达显示子系统的开发，参与负责了地图显示、空 域管理、进程单打印等模块的开发，并负责了记录回放子系统的设计和开发， 并参加了另外一个空管项目的不同平台间的移植工作。本文主要是在原有的 空管软件开发基础上，重新对原软件的结构进行调整和优化的设计，希望能 够把以往所做的空管软件做成跨平台的空管中间件，以实现此类软件的产品 化、系列化，使系统更易于移植和扩展。我所做的工作是实验性质的，希望 能够为实际的空管中间件设计工作探询一些有价值的方法和积累，并对一些 用到的技术做可行性研究。 本篇文章的组织分为了六个部分，内容安排如下： 第一部分为引言，主要对论文的选题背景进行阐述，并简要介绍了中间 件技术本身，阐明本篇论文选题的现实作用和其积极的意义。 第二部分从系统构架上进行阐述。把空管系统所在的实际系统进行简要 的描述，以及中间件层与系统其他各层之间的关系。并对空管中间件的设计 目标和层次结构进行了详细的阐述。 第三部分根据性质的不同，把它分为通用中间件和业务组件，并阐述了 各个模块功能和组成。 第四部分是根据作者本人的实际工作提出的显示中间件的设计和研究， 包括显示中间件中的基本概念、组成部分还有设计的结构及内部关系。这部 6 四川大学硕士学位论文 分是作者所做的有创新的工作，是根据实际工作提出来的，需要在以后的积 累和试验中，逐步形成具有公司自己特色的中间件平台，包括开发环境和实 际应用的组件。 第五部分是根据实际项目对记录回放技术做的一些相关的技术讨论和探 索，并分析实现了了两种方法，其中一种方法已经应用到实际的空管系统中， 并的到了用户认可。 最后是对全文进行了总结和展望。 四川大学硕士学位论文 2 空中交通管制系统的层次结构 2 1 层次划分的原则 空管应用程序层 显示中间件 空中交道管制业务组件 空中交通管制通用中间件 操作系统层 a i x 、s c o u n 、s o l a r i s 、l i pu n i x 、l i n u x 圈2 - - 1 a t e 屡次结构 我们把整个空管系统体系做整体的划分。空管系统通用中间件所联系的 底层是操作系统层，由它提供了空管系统中间件的底层函数调用。在通用中 间件之上是用于显示的中间件和与空管相关的业务组件。整个中间件层是一 个抽象出来的用于管理和处理的平台，它负责管理完成各项空管功能模块， 主要有实时任务调度、时间服务、网络监控、系统航迹处理，航迹识别处理， 飞行计划处理以及人机接口等功能模块的实现。同时为这组中间件定义了消 息通信机制，完成中间件组内外的通信，以实现不同中间件之间的交互。另 外中间件层为高层的基于分布式空管系统应用提供容错服务和自动配置机 制，用以保证系统的可靠性和扩展性。在中间件层之上是空管应用系统，它 由空管中间件提供的a p i 接口函数来搭建空管应用。系统的层次如上图2 1 所示。 2 1 2 操作系统层 操作系统层从开发程序角度上讲，是由各个操作系统提供的系统调用和 标准函数库组成，我们主要以c c + + 函数库为基础。由于操作系统的多样 四川大学硕士学位论文 性，我们尽量采用p o s i x 标准进行开发，使得开发的中间件能够装载在不同 的操作系统上，更易于编译和移植。我们这里所指的系统都是基于u n i x 机制 的操作系统，它是我们的中间件层所依赖和运行的环境。我们指的跨平台是 指在不同的u n i x 操作系统环境下的统一。如上图所列的各类u n i x 系统，因 为都是u n i x 内核，因此它们之间有很多的相似性，所以更容易实现系统的跨 平台特性。 2 3 中间件层 2 3 1 中间件层的结构设计目标 针对空管系统中间件的作用和空管系统的特性，它要实现以下几个结构 设计目标： ( 1 ) 实现空管系统调度和显示的实时性要求 空管系统由于其应用领域具有实时性能要求，它的调度策略就不能简单 地依靠所在系统所提供的调度算法：它必须使用实时性的调度策略，以满足 应用程序的实时性要求。我们的调度策略以r i a “”理论为调度算法基础，可 建立在u n i x 分时处理系统的基础上，提供实时性的优先级调度。 ( 2 ) 在显示部分能够支持对界面的快速开发 支持用户自定义图形界面系统，同时要求显示系统根据收到的外部数据 快速的在屏幕上体现出来，并提供给最终用户方便快捷的操作界面。 ( 3 ) 实现空管系统与底层操作系统无关 空管系统使用中间件，能自动屏蔽下层的系统调用细节，使上层的应用 程序能够做到与操作系统无关。中间件层根据不同的操作系统自动进行配置， 使应用程序能够透明地运行在各操作系统上。 ( 4 ) 实现空管系统网络透明的分布式体系结构 各个空管部门的管制系统分布在不同的地理位置，它们通过网络相互连 接，在网络上它们对应了不同的节点。实现网络的透明性就是使这些应用系 统可以在不了解自己或对等节点的实际网络位置的情况下，使用统一的数据 通信规则和系统命名规则，让中间件系统来实现分布式网络节点数据的交互。 四川大学硕士学位论文 其透明操作指下几个方面： 存取透明：远程和本地应用使用同样的操作命令和方式； 位置透明：无需指定应用的具体作用位置； 容错透明：在系统出错时自动恢复，不会对用户造成持续影响： 移植透明：允许应用移植而不影响用户的操作和其他的应用； 规模透明；允许系统和应用软件的规模扩展而不改变程序本身。 ( 5 ) 实现空管系统的容错性和健壮性 系统能够自动处理出错的事务，提供各类日志文件进行错误的追踪记录。 它能提供系统的监控服务。能自动备份和恢复出错的系统。我们不能完全保 证系统能一直无错的运行，但对于空管系统这样一个有较高可靠性要求的系 统，我们必须能在系统出错时进行及时纠正和恢复，减小出错带来的影响， 并能及时对系统数据进行备份和恢复。使空管系统有很好的容错性和健壮性。 2 3 2 中间件层的层次划分 我们把中间件层又分成两个层次三个部分：空管通用中间件；显示中间 件，空管业务组件，如图2 2 所示。 显示中间件空中交通管制业务组件 空中交通管制通用中间件 操作系统层 图2 2 中间件层的层次结构图 ( 1 ) 空管通用中间件是空管系统实现的基础。它提供了系统运行的基本 管理，如实时任务调度服务、时间服务、消息服务、冗余服务、抽象打印服 务、数据一致性维护、容错处理等。网络通讯是在t c p 口协议的应用层上实 现，采用t c p 和u d p 两种方式实现，对上层软件提供的网络操作是透明的。 网络层是实现中间件层跨平台的基础，上层应用程序无需意识到跨平台的网 络数据交互的存在。如果网络层通讯功能失效，则中间件层的功能就不能得 1 0 四川大学硕士学位论文 到很好的保障。 ( 2 ) 显示中间件的设计是用来支持对应用程序的开发和定制，实现在空 管领域里可操作的显示系统的开发。在以后相类似的软件开发中实现设计、 模式和显示风格的一致性，并实现重要功能、代码等的可重用的目的。 ( 3 ) 空管业务组件主要是针对空管业务的需要，并把它设计成几个重要 的部分。由它来实现空中交通管制功能和逻辑上的统一，它是空管应用系统 实现的重要部件。 中间件层提供了一组通用的以c c + + 语言为基础实现的a p i 函数。这 组函数提供绘应用程序统一的调用来驱动中间件，中间件层自动地把相应的 函数映射到各底层调用，而给上层软件开发提供了统一的调用接口和调用方 式。从而使空管应用程序的开发在逻辑上更加的独立，大大降低了开发的难 度，同时使得代码的重用性增加，减少相应空管系统的开发时间并在很大程 度上节约开发费用。 2 4 应用程序层 由于有了中间件层，应用程序层的空管软件的开发就变得相对容易，它 不需要了解所依赖的操作系统环境，也不用考虑到它所处的物理节点位置， 而只须集中在空管各项逻辑功能和操作上，利用中间层提供的通用调用函数 接口，可以方便而快捷地开发出新的空管应用系统。应用系统程序与中间件 层关系如图2 3 所示： 图2 - - 3 空管应用系统与中间件层关系 四川大学硕士学位论文 3 空中交通管制软件中间件的组成 空管软件基础构架提供了构建空管系统软件所须的所有基础服务，其中 包括：实时任务调度服务、定位服务、时间服务、监控服务、冗余服务、数 据一致性管理服务、消息服务、打印服务、容错管理等，各种服务在空管软 件总线环境下协同工作，如图所示3 1 所示。 i - , , - - - u , ， ；錾霸霉蜂管理时橱弧务 ：ii ，l 六咎旆抖凸盐 嗣3 - - 1 空管软件基础架构平台 同时还包括与业务相关的组件，以处理飞行情报、监视数据、飞行数据等， 同时对数据进行管理并进行模拟训练、测试和演示等。 3 1 空管通用中问件 3 1 1 实时任务调度服务 空管系统是一个实时性要求较高的系统，在监视数据处理、综合图形显 示、人机界面响应上均有实时性要求。为了实现空管系统实时性的要求，在 软件设计和开发时需要采用实时软件开发技术，综合考虑硬件、软件、操作 人员和数据库等多种因素。 实时任务调度服务负责对各项空管事务进行调度处理。我们以前的空管 系统没有这个部分，各项空管事务没有区分优先级。在u n i x 环境下，新的 空管事务都是处于相同的优先级，在生成以后提交给操作系统进行调度，这 样并不能得到很好的实时保证，其可调度性也不能得到很好的分析和控制。 2 四川大学硕士学位论文 我们的实时任务调度服务就是针对空管事务的实时特性提出，使空管系统事 务的实时调度性能够得到更好保证，并能够对系统调度特性进行分析。 3 1 1 1 实时系统的基本概念 实时系统是对时间有特殊要求的系统，这类系统处理的事务通常有着较 高的重要性。而实时软件开发与其它软件开发有三个明显的不同特征： ( 1 ) 实时系统的设计是受资源约束的，时间是实时系统的首要资源，即 要求在有效时限内，完成一个定义好的任务； ( 2 ) 实时系统是紧凑而复杂的，决定时限的代码往往只占应用软件代码 总量的很小一部分，却是最关键的地方； ( 3 ) 实时系统在运行过程中，应自动能检测到潜在的故障及可能的问题， 并在对数据和控制环境造成破坏以前改正这些问题。 例如空管系统，它负责飞行的调度，而飞行安全关系到飞行人员的生命安全， 其责任重大。这类系统所处理的事务往往带有随机性，事务发生突然而又必 须及时处理。所以实时系统是一种应用广泛而要求较高的系统。它的要求主 要体现在时间性能上，它要求对突发事务的处理在规定时间内完成，否则就 会造成巨大的损失。由于实时系统对时间要求的重要性，其正确性可简单表 示为：实时正确性；逻辑运行正确性+ 处理时间正确性。 我们就根据系统所处理事务到达的方式来划分。它把信号划分为周期性 的和非周期性，进而细分为5 类较为典型的事件类型【4 j 。( 1 ) 周期性事件 ( p e r i o d i c ) ：周期性到达事件在t 时间发生，则下一事件将在什t + x t 时间发 生。t 是给一定的常量，a t 通常表示一个非常小的( 如o 0 1 t ) 即时间偏差， t 就是事件的周期。周期性到达事件由其周期来决定它的特征。( 2 ) 不规则 事件( i r r e g u l a r ) ：不规则到达方式，t 区别于( 1 ) 中的常数，但它是一个事 先可以知道的值。不规则事件到达方式由一系列事件的时间间隔决定其特征， 我们可以一定程度上预先知道下一事件的到达时间。( 3 ) 有边界事件 ( b o u n d e d ) ：下一事件必须在上一事件到达并经过一定的时问后才发生。这 种情况通常是因为物理条件，系统需求，硬件限制，或者软件设计等因素决 定。事件到达的最小间隔或最大间隔持续时间决定有边界事件的特性。( 4 ) 四大学硕士学位论文 突发事件( b u r s t y ) ：下一事件可以在上一事件后的任意时间间隔内发生，但 在给定的时间段内，事件的发生次数有限制，这种情况就是突发事件。( 5 ) 无边界事件( u n b o u n d e d ) ：事件可在任意短时间内连续到达，但不属于有界 或突发方式，就把它划为无界事件。这种事件用概率分布函数来描述其特性。 3 1 1 2 实时任务调度算法基础 实时系统以实时任务为中心，所以它的调度算法区别于传统的非实时调 度算法。我们的实时任务调度服务采用高频率优先级算法“3 为算法基础，并 在这一基础上实现对系统的实时性保证。因此，我们先对高频率优先分析法 ( r m a ，又叫单调速率分析) 进行较详细的说明。 固定优先级调度的理论是1 9 7 3 年由l i u 。1 和l a y l a n d ”3 第一次提出来，他 们引入了( r a t em o n o t o n i cs c h e d u t i n ga l g o r i t h m ) 高频率任务优先调度算 法。它最初是应用于调度相互独立的实时周期性事务。r 姒得名的原因是因 为这一理论对一组事务分配优先级所采用的机制，它根据周期性事务到达的 频率处理成单调函数，然后根据到达频率的高低次序来分配优先级。频率越 高分配的优先级越高，因此称为高频率优先调度算法。r m a 算法发展到现在 主要经历了三个较为主要的阶段。 ( 一) 周期性、独立的实时事务调度 r m a 的第一个阶段是对周期性的，相互独立事务的调度分析。对于周期 性到达的相互独立的实时事务，也就是它们之间没有同步问题或数据共享问 题。r m a 算法是这样对它们进行描述：t 。表示事务i 的频率，c t 表示事务i 的最坏执行时间。由于调度优先级的计算简单地反比于执行周期。那么对独 立周期性事务调度给出下面的计算公式： c i t i + c 2 t 2 + + c n t n 一个解释性a l 的描述； 一套预定义标准的g u i 对象 一套预定义的可以使用的a t c 图形对象； 在内部实现和用法上采用面向对象的结构； 在不同的层次提供不同的接口( 应用编程接口) 对实际的对象( 例如飞行) 进行清晰的分离，所以叫做概念对象( c o s ) 和相应的显示对象( p o s ) ； 不同的服务模块( 例如颜色服务器，窗口管理器) ； 这个显示中间件支持系统的生命周期，例如需求分析、描述、实现和维 护。开放的结构支持在不同平台之间进行移植。一般观点认为解释性的会话 和程序在执行方面比编译的要慢，另一方面，在开发和维护方面相对于编译 程序来说，则要快的多也容易的多。因此，显示中间件在设计中把开发过程 分解为开发会话和实现特定的应用代码两个部分。这两个部分的优点分别被 发掘出来，简单的功能直接集成到会话中，复杂的功能和代码可以用传统的 编程语言来高效的实现。解释性方法增强了灵活性和减少对系统其他组件的 依赖。 由于在空管领域用户要很长时间才能提供稳定的需求，这样的实现途径 能够提供高层次开发的灵活性，在原型阶段也是完全必要的。在对显示中间 件有个概述后，把它的结构通过组件的方式体现出来： 接口编辑器系统 运行时内核 服务组件 接口编辑器系统，是可操作显示系统交互式定义和配置的核心部分。它 能够用来交互式定义显示应用的“看起来和感觉上的”。定义和配置这样的应 用结果保存在会话文件中。 四川大学硕士学位论文 、 显示中间件的软件结构基础就是它的运行内核。它提供了所有的控制功 能( 1 ) 用户界面的动态行为和( 2 ) 各种类型的对象。运行内核主要包括以 下三个部分 会话引擎 对象服务器 对象( 概念对象和显示对象) 会话引擎负责用户接口的动态行为。对象服务器对所有类型的对象来说 是一个转换管理平台。特别的，它还管理着概念对象和显示对象之间的通信 和保持它们的一致性。对象服务器也可以称作对象注册和布告服务器，因为 一个显示对象必须注册在对象服务器上，当概念对象改变的时候进行相应的 更新。第三个组件管理不同服务的模块，它们可以随意的附着在显示系统上， 以下模块经常用到： 窗口管理； 通信转换： 记录与回放； 颜色服务器； 在线帮助系统： 记录与回放组件记录用户输入和操作并且可以与外部的事件一起回放出 来，例如雷达数据的更新，并且能准确重建所记录下来的画面。颜色服务器 管理颜色的分配和对应用所使用的颜色共事。通信转换提供了对外部数据源 的简单集成。窗口管理器提供了一些标准窗口管理器所没有的特点，这些特 点包括窗口优先级管理，区域保护和紧急功能。在线帮助系统对在线文档提 供合适的超文本链接或方便简略的显示出对用户有用的信息。 4 2 使用显示中间件开发图骺用户界面 系统的开发过程被分解为对图形布局的定义和会话对象与显示对象的动 态行为两部分。这两部分都可以通过接口编辑系统来描述，而接口编辑系统 可以使用不同编辑器实现。布局编辑器支持对图形界面布局的详细描述，而 一 一堕型查堂堡主鲎垒丝奎 规则可以决定动态行为。对动态行为的描述主要是会话对象和图形对象的交 互。增强的行为描述则通过应用程序接口( a p d 来实现的。 4 2 1 图形布局的定义 在这里先对g u i 规划进行适当描述，仅仅讨论图形，而不涉及对数据的 关联和数据的变化。 显示中间件提供了一个预定义的图形类库。建立过程将产生一些文件。 这些文件包含描述具体图形对象类实现，描述了这些实例的特点和实例之间 的关系。用于描述一个g u i 的系列文件被称作会话。在会话中，那些描述不 是用于编译的程序，仅仅是一类描述，用于在启动时迸行解释。解释意昧着 对g u i 对象的建立，存活和销毁。主要的图形类如下： 标准对话框对象( 如列表框，按钮，菜单等) ； 专用的高动态图形，如p o s ； 其他特殊( 尤其是静态的) 图形如罗盘、方标； 地图及地图数据。 图4 一l 显示了一个可操作显示系统的屏幕快照。建立具有如此特点的屏 幕是显示中间件的典型应用。但是对显示中间件总的用途来说，允许不同的 应用领域建立任何可操作的显示系统。 p q 川大学硕 学位论立 围4 一l 显示应用的典型界面 4 2 2 定义g u i 的动态性 一旦个g u i 的图形规划定义好以后，它的行为和数据流就应该被详细 的描述，这些可以通过一些规则来实现，这些规则就是描述对象对用户操作 或系统事件做出反应的方式。这些规则是用规则语言来详细描述的，并且这 些规则可以进行扩展。规则语言的设计是用来对事件做出反应，例如用户事 件( 如点击鼠标) ，系统事件( 如概念对象性质的改变) ，或者任何混合其它 用途的了行为。使用命名规则就如象子程序的调用是为了实现更复杂的计算。 规则混合器的使用则提供了一种更深层次的可能，通过对c c + + 写的代码 提供接口，达到在规则语言中提高功能性。规则被用来建立与概念对象相对 应的显示对象，因此，所谓的启动规则就是把概念对象和显示对象联系起来。 四川大学硕士学位论文 规则存在于会话文件中，在启动过程中读出来、解释并执行。解释性规 则语言的一个应用就是新建程序或者修改程序( 例如更改g u i 的行为) 能够 在上层直接执行，不需要重新编译。建立起来的g u i 的行为能够不断的调整， 可以立刻实现用户需求的改变。 4 2 3 扩展性 显示中闻件本身可以方便的定制，对特殊的用户需求可以进行扩展。扩 展的可行性涉及到所有主要的部件。用户可以用自己的定义来扩展已经存在 的这套显示对象和概念对象。这个扩展可以通过应用程序接口实现。用户新 定义的显示对象或者概念对象可以用c c + + 实现并连接到中间件上。跟显 示对象和概念对象的扩展类似，也可以建立用户新定义的会话对象。在应用 功能层次上，用户定义的功能可以通过编程语言接口集成到显示中间件中。 4 3 对象类型 总的来说，显示应用就是由图形用户接口( g u d 和其对象与应用数据 相联系的行为组成的。显示中间件为实现不同系统部分提供不同的对象类型。 这一套对象类型如下： 会话对象； 显示对象； 概念对象； 服务对象； 视图对象。 图4 2