Phân tích thiết kế hệ thống thời gian thực

Trong Chương 3, sẽ giới thiệu tiến trình phát triển các phần mềm ROPES, một tiến trình được sử dụng khá hiệu quả để phát triển hệ thống thời gian thực sử dụng các ký hiệu UML, sẽ [r]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Thị Hồng Hà

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC

Nghành: Công nghệ thông tin Mã số: 1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đoàn Văn Ban

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan luận văn “Phân tích thiết kế hệ thống thời gian thực” thực hướng dẫn PGS TS Đoàn Văn Ban – Viện Công Nghệ Thông Tin, Viện Khoa Học Cơng Nghệ Việt Nam Mọi trích dẫn tài liệu tham khảo sử dụng luận văn rõ nguồn gốc

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm lời cam đoan

Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2007

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG - HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC Error! Bookmark not defined

1.1 Hệ thống thời gian thực Error! Bookmark not defined.

1.1.1 Khái niệm Error! Bookmark not defined 1.2.2 Phân loại Error! Bookmark not defined 1.1.3 Đặc trưng Error! Bookmark not defined 1.1.4 Xử lý thời gian thực Error! Bookmark not defined 1.1.5 Ứng dụng Error! Bookmark not defined

1.2 Hệ điều hành thời gian thực Error! Bookmark not defined.

1.2.1 Định nghĩa hệ điều hành thời gian thực Error! Bookmark not defined 1.2.2 Một số đặc tính hiệu hệ điều hành thời gian thực Error!

Bookmark not defined.

1.2.3 Các dịch vụ chức thời gian thực Error! Bookmark not defined 1.2.4 Một số vấn đề cần quan tâm thiết kế hệ điều hành thời gian thực

Error! Bookmark not defined 1.2.5 Một số tiêu chuẩn liên quan đến hệ điều hành thời gian thực Error!

Bookmark not defined.

1.2.6 Phân loại hệ điều hành thời gian thực Error! Bookmark not defined 1.2.7 Một số hệ điều hành thời gian thực tiêu biểu Error! Bookmark not

defined.

1.3 Nền tảng phần cứng Error! Bookmark not defined. 1.4 Ngơn ngữ lập trình cho hệ thống thời gian thực Error! Bookmark not defined.

1.4.1 Tổng quan ngơn ngữ lập trình cho hệ thống thời gian thực Error!

Bookmark not defined.

1.4.2 Các đặc điểm ngơn ngữ lập trình thời gian thực Error! Bookmark not

defined.

1.5 Truyền thông thời gian thực Error! Bookmark not defined.

1.5.3 Giao thức khởi tạo phiên SIP Error! Bookmark not defined 1.5.4 Giao thức mô tả phiên SDP Error! Bookmark not defined 1.5.5 Giao thức truyền thông thời gian thực Error! Bookmark not defined

1.6 Cơ sở liệu thời gian thực Error! Bookmark not defined.

1.6.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 1.6.2 Duy trì tính qn Error! Bookmark not defined 1.6.3 Ràng buộc thời gian Error! Bookmark not defined 1.6.4 Hệ quản trị sở liệu thời gian thực Error! Bookmark not defined

1.7 Kết luận Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG - NGƠN NGỮ MƠ HÌNH HỐ UML Error! Bookmark not defined

2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined. 2.2 Kiến trúc UML Error! Bookmark not defined. 2.3 Mơ hình khái niệm UML Error! Bookmark not defined.

2.3.1 Các khối xây dựng (building blocks Error! Bookmark not defined 2.3.2 Các quy tắc UML Error! Bookmark not defined 2.3.3 Các kỹ thuật chung UML Error! Bookmark not defined

2.4 Kết luận Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG - TIẾN TRÌNH ROPES Error! Bookmark not defined.

3.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined. 3.2 Các pha Error! Bookmark not defined.

3.2.1 Phân tích Error! Bookmark not defined 3.2.2 Thiết kế Error! Bookmark not defined 3.2.3 Cài đặt kiểm thử đơn vị Error! Bookmark not defined 3.2.4 Kiểm thử hệ thống Error! Bookmark not defined

3.3 Kết luận Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG - PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM SỐT KHƠNG LƯU Error! Bookmark not defined.

4.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

4.1.1 Tại chọn hệ thống kiểm sốt khơng lưu? Error! Bookmark not

defined.

4.1.2 Mô tả hoạt động hệ thống kiểm sốt khơng lưu Error! Bookmark not

defined.

4.2 Phân tích hệ thống Error! Bookmark not defined.

4.2.4 Phân tích hành vi Error! Bookmark not defined

4.3 Thiết kế Error! Bookmark not defined. 4.4 Kết luận Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

ARTCC Air Route Traffic Control Centers

ATCSCC Air Traffic Control System Command Center

ATCT Air Traffic Tontrol Tower Tháp điều khiển không lưu FSS Flight Service Station Trạm dịch vụ bay

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ROPES

Rapid Object-Oriented Process for Embedded Systems

Tiến trình phát triển hướng đối tượng cho hệ thống nhúng RTC Real–Time Communication Truyền thông thời gian thực RTCP Real-Time Transport Control

Protocol

Giao thức điều khiển truyền thông thời gian thực

RTP Real-Time Transport Protocol

Giao thức truyền thông thời gian thực

SDP Session Description Protocol Giao thức mô tả phiên

SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên SIP TCP Transmition Control Protocol Giao thức điều khiển

TRACON Terminal Radar Approach Control UDP User Datagram Protocol

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng Tên bảng Trang

Bảng 1.1 SIP Servers 34

Bảng 1.2 SIP User Agents 34

Bảng 1.3 Các phần thông báo SIP 38

Bảng 1.4 Cú pháp Start Line 38

Bảng 1.5 Các phương thức SIP chức chúng 39

Bảng 1.6 Một số định dạng SIP URL 40

Bảng 1.7 Các mã trạng thái SIP Response 41

Bảng 1.8 Nội dung SIP Response 42

Bảng 1.9 SIP Headers 44

Bảng 1.10 Các mô tả SDP 45

Bảng 1.11 Giao thức gói RTP 47

Bảng 1.12 Các kiểu gói RTCP 48

Bảng 1.13 Cấu trúc RR SR 49

Bảng 1.14 Cấu trúc khối báo cáo RTCP 51

Bảng 3.1 Các vật phẩm thu phân tích yêu cầu 76 Bảng 3.2 Các vật phẩm thu phân tích hệ thống 77 Bảng 3.3 Các vật phẩm thu phân tích đối tượng 79 Bảng 3.4 Các vật phẩm thu thiết kế kiến trúc 81 Bảng 4.1 Các thuật ngữ hệ thống kiểm sốt khơng lưu 96

Bảng 4.2 Các tác nhân hệ thống 98

Bảng 4.3 Các ca sử dụng hệ thống 99

Bảng 4.5 Luồng kiện ca sử dụng “locate track” 102 Bảng 4.6 Luồng kiện ca sử dụng “identify aircraft” 105 Bảng 4.7 Luồng kiện ca sử dụng “create the flight plan” 108 Bảng 4.8 Luồng kiện ca sử dụng “create flight progress trip” 110

Bảng 4.9 Các danh từ mô tả hệ thống 112

Bảng 4.10 Các đối tượng giới thực 113

Bảng 4.11 Các thiết bị vật lý 113

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình Tên Trang

Hình 1.1 Hệ thống thời gian thực cứng mềm 16 Hình 1.2 Hệ thống phi thời gian thực, hệ thống thời gian thực cứng hệ

thống thời gian thực mềm

16

Hình 1.3 Trễ đáp ứng kiện 22

Hình 1.4 Độ lệch chu kỳ 23

Hình 1.5 Ví dụ đảo ưu tiên 26

Hình 1.6 Sự đoạt quyền: (a) khơng hỗ trợ; (b) có hỗ trợ 26 Hình 1.7 Hệ điều hành thời gian thực tuý 28 Hình 1.8 Hệ điều hành thời gian thực mở rộng từ hệ điều hành khác 29

Hình 1.9 Đóng gói RTCP 33

Hình 1.10 Luồng kiện phiên SIP trực tiếp user agent 35 Hình 1.11 Luồng kiện phiên SIP có Proxy Server 35 Hình 1.12 Luồng kiện phiên SIP với Registrar Server 36 Hình 1.13 Luồng kiện phiên SIP với Redirect Server 36

Hình 1.14 Một kiến trúc SIP 37

Hình 1.15 Cấu trúc gói RTP 47

Hình 1.16 Cấu trúc gói RR 48

Hình 1.17 Cấu trúc gói SR 49

Hình 1.18 Cấu trúc header RTCP RR SR 49

Hình 1.19 Thơng tin user agent gửi RTCP 50

Hình 1.20 Cấu trúc khối báo cáo RTCP 51

Hình 2.2 Biểu diễn lớp 59

Hình 2.3 Biểu diễn cộng tác 59

Hình 2.4 Biểu diễn giao diện 59

Hình 2.5 Biểu diễn ca sử dụng 60

Hình 2.6 Biểu diễn lớp hoạt động 60

Hình 2.7 Biểu diễn thành phần 60

Hình 2.8 Biểu diễn nút 61

Hình 2.9 Biểu diễn thơng báo 61

Hình 2.10 Biểu diễn thích 61

Hình 2.11 Biểu diễn quan hệ phụ thuộc 62

Hình 2.12 Biểu điễn quan hệ kết hợp 62

Hình 2.13 Biểu diễn quan hệ tập hợp 62

Hình 2.14 Biểu diễn quan hệ hợp thành 62

Hình 2.15 Biểu diễn quan hệ tổng quát hóa 62

Hình 2.16 Biểu diễn quan hệ thực hóa 62

Hình 2.17 Các biểu đồ UML 63

Hình 2.18 Biểu đồ ca sử dụng 63

Hình 2.19 Biểu đồ lớp 64

Hình 2.20 Biểu đồ đối tượng 64

Hình 2.21 Biểu đồ thành phần 65

Hình 2.22 Biểu đồ triển khai 65

Hình 2.23 Biểu đồ hoạt động 66

Hình 2.24 Biểu đồ trạng thái 66

Hình 3.1 Các pha luồng công việc ROPES 71 Hình 3.2 Các vật phẩm tạo tiến trình ROPES 72

Hình 3.3 Pha phân tích ROPES 73

Hình 3.4 Pha thiết kế ROPES 80

Hình 3.5 Pha biên dịch kiểm thử đơn vị ROPES 82

Hình 3.6 Pha kiểm thử hệ thống ROPES 83

Hình 4.1 Kiểm sốt viên khơng lưu tháp sân bay 86

Hình 4.2 Khơng gian nước Mỹ 87

Hình 4.3 Mơ tả sơ lược hành trình chuyến bay thương mại 89 Hình 4.4 Một máy bay chạy trượt đường băng theo hướng dẫn từ

kiểm sốt viên mặt đất

90

Hình 4.5 Các hành lang khởi hành tiếp cận giao thơng phía Tây không gian TRACON khu vực cảng San Francisco

91

Hình 4.6 Sơ đồ hệ thống kiểm sốt khơng lưu 92 Hình 4.7 Phối hợp viên trung tâm xem xét hiển thị TMA 93 Hình 4.8 Hàng lang khởi hành tiếp cận khơng gian TRACON

khu vực phía Đơng sân bay

94

Hình 4.9 Các kiểm sốt viên không lưu tháp điều khiển điều khiển việc cất cánh, hạ cánh giao thông mặt đất radar công cụ trực quan

95

Hình 4.10 Biểu đồ ca sử dụng nhóm ca sử dụng điều khiển đường bay

100

Hình 4.15 Biểu đồ đối tượng ca sử dụng “Identify Aircraft” 107 Hình 4.16 Biểu đồ hệ thống ca sử dụng “create the flight plan” 108 Hình 4.17 Biểu đồ lớp phân tích thực thi ca sử dụng “Create Flight Plan” 109 Hình 4.18 Biểu đồ đối tượng ca sử dụng “Create Flight Plan” 109 Hình 4.19 Biểu đồ hệ thống ca sử dụng “create flight progress trip” 110 Hình 4.20 Biểu đồ đối tượng ca sử dụng “create flight progress trip” 111 Hình 4.21 Biểu đồ lớp nhóm ca sử dụng liên quan đến quản lý bay 115

Hình 4.22 Biểu đồ miền quản lý máy bay 116

Hình 4.23 Miền quản lý máy bay Miền giám sát máy bay 117 Hình 4.24 Miền quản lý máy bay Miền hiển thị (Display Domain) 118 Hình 4.25 Biểu đồ cộng tác phát vi phạm khoảng cách 118 Hình 4.26 Biểu đồ hoạt động ca sử dụng ““identify aircraft” 119 Hình 4.27 Giao diện ca sử dụng “create flight plan” 120

Hình 4.28 Giao diện chọn mục sân bay 121

Hình 4.29 Hiển thị đường bay 123

MỞ ĐẦU

Xã hội phát triển, cơng nghệ thơng tin vị trí quan trọng đời sống kỹ thuật Cùng với xu hướng phát triển công nghệ thông tin, việc xây dựng hệ thống thời gian thực, đặc biệt hệ thống điều khiển trở thành vấn đề tất yếu, nhu cầu cấp thiết

Không có hệ thống điều khiển hoạt động bình thường khơng đáp ứng yêu cầu thời gian, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng hay điều khiển chuyển động Tất hệ thống điều khiển hệ thống thời gian thực

Hệ thống thời gian thực ứng dụng phổ biến nhiều lĩnh vực, thương mại, quân đội, y tế, giáo dục, sở hạ tầng,… phát triển mạnh mẽ

Hệ thống kiểm sốt khơng lưu (Air Traffic Control System) ví dụ tiêu biểu cho hệ thống thời gian thực nhiều lý Trước hết, hệ thống kiểm sốt khơng lưu ứng dụng quan trọng, phức tạp, phổ biến có mặt hầu giới Hơn nữa, hệ thống mang đầy đủ đặc trưng hệ thống thời gian thực Và cuối cùng, phận hệ thống tách để minh họa cho ý tưởng kỹ thuật khác

Giao thông phát triển, số lượng máy bay tăng, số lượng chuyến bay không phân nước nước tăng nhanh, yêu cầu có hệ thống kiểm sốt khơng lưu hoạt động để điều khiển giao thông hàng không trở thành nhu cầu không riêng quốc gia

Mục tiêu luận văn tìm hiểu vấn đề hệ thống thời gian thực, ngơn ngữ mơ hình hố UML, tiến trình phát triển phần mềm cho hệ thống thời gian thực ROPES sử dụng tiến trình để phân tích thiết kế hệ thống kiểm sốt khơng lưu

liệu thời gian thực, truyền thơng thời gian thực, ngơn ngữ lập trình thời gian thực, yêu cầu phần cứng cho hệ thống thời gian thực

Tiếp theo, Chương trình bày vấn đề ngơn ngữ mơ hình hố hợp UML gồm ký hiệu, đặc trưng, mơ hình

Trong Chương 3, giới thiệu tiến trình phát triển phần mềm ROPES, tiến trình sử dụng hiệu để phát triển hệ thống thời gian thực sử dụng ký hiệu UML, trình bày mơ hình tiến trình, pha, hoạt động vật phẩm thu pha

Chương tìm hiểu hệ thống kiểm sốt khơng lưu, tầm quan trọng, hoạt động mơ hình hệ thống kiểm sốt khơng lưu, phân tích thiết kế hệ thống kiểm sốt khơng lưu đơn giản sử dụng tiến trình phát triển ROPES

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1 Nguyễn Trung Kiên, Hệ điều hành thời gian thực hướng ngiên cứu ứng dụng trong viễn thông, Hội nghị khoa học lần thứ 4, Học viện công nghệ bưu viến thơng

Tiếng Anh

2 Abbot, Robert K., and Hector Garcia-Molina, Scheduling Real-Time Transactions: a Performance Evaluation, Stanford University and Digital Equipment Corp ACM, 1992 13 Dec 2006

3 Alan C Shaw, Real-Time System and Software, John Wiley & Sons, Inc

4 Booch, Grady, Object Solutions: Managing the Object-Oriented Project, Reading, MA: Addison-Wesley, 1996

5 Bruce Powel, Douglass, Real-Time UML Second Edition Developing Efficient Objects For Embedded Systems, Low Price Edition

6 Bruce Powel, Douglass, ROPES - Rapid Object-Oriented Process for Embedded Systems, I-Logix

7 Craiq C Freudenrich, Ph.D, How Air Traffic Control Works

8 Douglass, Bruce Powel, Doing Hard Time: Developing Real-Time Systems using UML, Objects, Frameworks, and Patterns Reading, MA: Addison-Wesley, 1999 9 Douglass, Bruce Powel, Real-Time UML: Developing Efficient Objects for Embedded Systems Reading, MA: Addison-Wesley, 1998

10 John A Stankovic et al, Strategic Directions in Real-Time and Embedded Systems, ACM Computing Surveys, Vol 28, No 4, December 1996

12 Buchmann, A "Real Time Database Systems." Encyclopedia of Database Technologies and Applications Ed Laura C Rivero, Jorge H Doorn, and Viviana E Ferraggine Idea Group, 2005

13 Carpron, H.L., J A Johnson Computers: Tools for the Information Age Prentice Hall, 1998 5th ed

14 Grady Booch, Software Architecture and the UML, Rational Software, 4/2000 15 Haritsa, J., J Stankovic, and M Xiong A State-Conscious Concurrency Control Protocol for Replicated Time Databases University of Virginia IEEE Real-Time Applications Symposium 13 Dec 2006

16 Kang, K D., S Son, and J Stankovic Specifying and Managing Quality of Real-Time Data Services University of Virginia IEEE TKDE, 2004

17 Kanitkar, Vinay, and Alex Delis A Case for Real-Time Client-Server Databases Polytechnic University Brooklyn, New York, 1997 13 Dec 2006

18 Kao, Ben, and Hector Garcia-Molina An Overview of Real-Time Database Systems NATO Advanced Study Institute on Real-Time Computing, Oct 1992, NATO 13 Dec 2006

19 Lam, Kam-Yiu, and Tei-Wei Kuo Real-Time Database Systems: Architecture and Techniques Springer, 2001

20 Lee, Juhnyoung Concurrency Control Algorithms for Real-Time Database Systems Diss Univ of Virginia, 1994 13 Dec 2006

21 Ozsoyoglu, Gultekin, and Richard T Snodgrass Temporal and Real-Time Databases: a Survey Knowledge and Data Engineering, 1995 13 Dec 2006

22 Scott W.Amber, The Unified Modeling Language and Beyond: The Techniques of Object-Oriented Modeling, An AmbySoft Inc.White Paper 2/2000

24 Singhal, Mukesh Approaches to Design of Real-Time Database Systems, SIGMOD Record, volume 17, no 1, March 1988

25 Sivasankaran, Rajendran M., John A Stankovic, Don Towsley, Bhaskar Purimetla, and Kritha Ramamaritham Priority Assignment in Real-Time Active Databases University of Massachusetts Amaherst, NY, 1996 13 Dec 2006

26 Stankovic, John A., Marco Spuri, Krithi Ramamritham, and Giorgio C Buttazzo Scheduling for Real-Time Systems: EDF and Related Algorithms Springer, 1998 27 By Ross Carter, Microsoft Real-Time Communications: Protocols and Technologies, July 03, 2003

28 Yifan Tang, Free Flight Conflict Resolution Simulation, The University of Manchester

d Hector Garcia-Molina, kovic, Don Towsley