第二章 虚拟仪器系统软件结构与模型

第二章虚拟仪器系统软件结构与模型

VXI即插即用规范的提出，为虚拟仪器系统的建立提出了原则性的理论依据，而为

了进行高效、简捷的虚拟仪器系统集成，剖析系统软件结构是首要步骤。本章从软

件结构学出发，讨论了多种软件结构范式，并根据虚拟仪器系统框架定义，提出了

虚拟仪器系统软件结构与三种结构模型，为虚拟仪器模块设计与虚拟仪器系统集成

提供理论基础。

2.1 软件结构

随着计算机系统规模与复杂度的不断扩大，设计与规划整个软件系统结构变得比选

择组成模块数据结构或算法更为关键，软件结构学作为程序工程学的一个重要分支

学科，也越来越受到软件工程师的关注，对于各类计算机系统的软件结构的研究方

兴未艾。

关于系统的软件结构，Roger S.Pressman作了一个较经典的定义：

Software architecture alludes to the overall structure of the software and the ways in which that structure provides conceptual integrity for a

system.

软件结构是指软件的总体组成结构及系统结构化的集成方法。

从抽象意义上说，软件结构包括系统中所含元件描述、元件间的相互关系以及系统

元件的组织范式三部分，设计一个系统的软件结构，往往先选择好符合系统需求的

系统元件的组织范式，再自上而下地细化设计各个元件及其相互间的关系，在软件

设计中关系即为软件接口。一个合理的组织范式的选定，为系统有效的集成提供了

基础，也为系统级的软件重用（Software Reusability）提供了可能，也是进行软

件系统设计的首要步骤。Mary Shaw和David Garlan解析了多种系统软件结构

范式

，现简要分析如下：

1、分层式系统（Layered Systems）范式：在这种范式中，系统是层次性结构组

成的，结构中的每一层作为系统组成元件既为上一层提供服务，同时又向下一层提

出服务请求。分层式系统范式结构紧凑明确，可重用性强，适用于易进行系统层次

化分解的软件设计中。操作系统软件的基本范式即为分层式结构。分层式系统范式

基本框图如图2.1所示。

图2.1 分层式系统范式基本框图

2、数据抽象和面向对象组织（Data Abstraction and Object-Oriented Organization）范式：在这种范式中，所有的系统元件均是对象，对象间的数据交

互通过调用封装了的对象操作进行。面向对象组织范式充分表现了元件模块化的特

点，软件重用性强，但要求被交互的对象之间有明确的操作函数或过程接口，相对

系统分析与设计工作量较大。面向对象的程序设计方法往往采用面向对象的组织范

式，首先定义对象类与对象，再针对具体对象进行分解操作。面向对象组织范式基

本框图如图2.2所示。

图2.2 面向对象组织范式基本框图

3、管道和过滤器 (Pipes and Filters) 范式：在这种范式中，各个输入、输出

及处理元件表现为过滤器，而元件间的接口表现为管道，管道承担了过滤器之间的

连接。管道和过滤器范式采用的是线性拓朴结构，要求经管道互连的过滤器的数据

格式与类型相一致，因此适用于结构比较简单的软件系统，最典型的例子即是批处

理系统、UNIX系统的管道技术。管道和过滤器范式基本框图如图2.3所示。

图2.3 管道和过滤器范式基本框图

4、知识库范式（Repositories）：在这种范式中，系统元件由两部分组成，一部

分是表示当前数据状态的中央数据结构，另一部分则是对中央数据结构进行存取的

操作元件集。当在系统中以操作元件集作为数据触发时，中央数据结构即表现为数

据库，知识库范式即为数据库系统范式；当中央数据结构在系统中操作触发时，它

表现为黑板形式，操作元件表现为知识源，这样系统即是由知识驱动的知识库专家

系统。具体专家系统软件的设计一般采用知识库范式。知识库范式基本框图如图2.4所示。

图2.4 知识库范式基本框图

5、过程控制范式（Process Control）：这种范式基于过程控制循环，主要表现

为开环控制范式与闭环控制范式两类，主要用于工业自动化系统中。闭环控制范式

基本框图如图2.5所示。

另外，还有一些软件结构范式也是比较常用的，如基于事件（Event-Based）范式

、解释机（Interpreters）范式、分布式处理系统（Distributed process system）范式、主程序/子程序组织（Main program/subroutine organizations）范式、状态迁移系统（State transition systems）范式及特定领域软件结构（Domain-specific software architecture）范式等。

图2.5 闭环控制范式基本框图

软件结构范式概念的提出与模型的确立，为系统软件的设计确定了基本框架。系统

软件设计工作是从首先确定结构范式开始，进而细化范式中每一元件的设计工作，

并着重关注元件之间的接口交互，使系统软件设计生成一个可操作、可管理、可维

护、可重用的过程。应当看到，一个系统软件的实现并不一定只有一种范式可循，在许多情况下，多种范式是可以异殊同归的。此外，一个系统软件模型往往也不是

一种范式的简单复本，而是多个范式的混合体，称为混合型结构（Heterogeneous Architecture）。

2.2 虚拟仪器系统软件结构

从第一章描述可知，虚拟仪器系统是集计算机系统与仪器系统为一体，而将研究重

点关注到虚拟仪器系统的软件系统部分，它是一个典型的计算机软件系统，因此，它的分析与设计也应该符合软件结构学的要求。为了有效地实现虚拟仪器系统软件

设计，先必须分析系统中所包含的元件形式与接口形式，进而提出符合一般虚拟仪

器系统软件设计的基本范式，再将范式中的各个元件进行具体细化分析，为虚拟仪

器系统软件设计奠定理论基础。

在第一章中，已经简单讨论了虚拟仪器系统组成（见图1.2），为了确保组成虚拟

仪器系统的各硬件模块与软件模块的互操作性，VPP规范提出了系统框架的概念。

系统框架并非是真正的物理实体，实质是虚拟仪器系统集成的综合方法与要求。系

统框架内部定义与描述的系统元件，则是组成一个完整的虚拟仪器系统的必要部件