Hệ thống thời gian thực và ứng dụng các mẫu trong thiết kế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ THANH THOAN

HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC VÀ
ỨNG DỤNG CÁC MẪU TRONG THIẾT KẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
--------------

Nguyễn Thị Thanh Thoan

HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC VÀ
ỨNG DỤNG CÁC MẪU TRONG THIẾT KẾ

Chuyên ngành

: Công nghệ phần mềm

Mã số

: 68.40.10

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS. Nguyễn Văn Vỵ

Hà Nội - 2007


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết tôi xin đƣợc bày tỏ tình cảm và lòng biết ơn vô hạn đối với thầy
PGS.TS. Nguyễn Văn Vỵ, giảng viên Bộ môn Công nghệ phần mềm - Khoa Công
nghệ thông tin - Trƣờng Đại học Công nghệ - ĐHQGHN. Thầy là ngƣời đã tận tình
giúp đỡ, chỉ bảo và dìu dắt tôi trong suốt những năm học cao học và quá trình làm luận
văn tốt nghiệp, thầy đã dành rất nhiều thời gian quí báu để giúp tôi định hƣớng nghiên
cứu khoa học.
Tôi xin cảm ơn các GS, TS, các nhà khoa học đã giảng dạy tôi trong quá trình
học cao học, đã đọc và phản biện luận văn của tôi, giúp tôi hiểu rõ hơn các lĩnh vực đã
nghiên cứu, giúp tôi có hƣớng nghiên cứu hiệu quả và thiết thực hơn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị Hiệu trƣởng
Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng, Ban giám hiệu Nhà trƣờng, Bộ môn Tin học, các
Phòng ban của Nhà trƣờng, Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội,
Trƣờng Đại học Hải Phòng đã tạo mọi điều kiện trong suốt thời gian chúng tôi học và
làm tốt nghiệp.
Xin cảm ơn các đồng nghiệp, các bạn bè của tôi đã động viên cổ vũ để tôi hoàn
thành luận văn đúng thời hạn.
Và cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên trong gia đình tôi đã tạo điều
kiện tốt nhất về mọi mặt, động viên tôi trong suốt quá trình học cũng nhƣ làm tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2007

Nguyễn Thị Thanh Thoan

Các thuật ngữ và các từ viết tắt
Viết tắt

Tên đầy đủ

Ý nghĩa

A/D

Analog / Digital

Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số

ATC

Air Traffic Control

Điều khiển máy bay lên xuống

CSDL

Cơ sở dữ liệu

D/A

Digital / Analog

Bộ chuyển đổi số - tƣơng tự

HRT

Hard Real Time

Thời gian thực cứng

I /O

Input / Ouput

Vào/ra

PloP

Patterns language of
Program

Chƣơng trình của ngôn ngữ mẫu

PloPD

Patterns language of
Program Design

Thiết kế chƣơng trình của ngôn
ngữ mẫu

POAD

Pattern Oriented Analys
and Design

Phân tích và thiết kế hƣớng mẫu

RTS

Real Time System

Hệ thời gian thực

RUP

Rational Unified Process

Tiến trình thống nhất của Rational

SRT

Soft Real Time

Thời gian thực mềm

UML

Unified Modeling Language

Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất

Danh mục các hình

Hình 1.1: Các mức đáp ứng sự kiện về mặt thời gian ............. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.2 Đồ thị mô tả đặc trƣng hai loại hệ thời gian thực .... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.3: Các thành phần của hoạt động thời gian thực ......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.4: Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3.. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5: Mô hình chung của hệ thời gian thực ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6 Mô hình xử lý ngắt ..................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7 Ƣu tiên ngắt ................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8: Hành động thực thi thời gian thực yêu cầu bắt đầu một tiến trình ... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.9. Một bộ điều khiển số ................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.10: Cấu trúc hệ thống điêu khiển máy bay.... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11. Xử lý tín hiệu radar và hệ thống hiệu chỉnh .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.13: Kiến trúc tiến trình hệ thống báo động trộm ......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.14: Kiến trúc tiến trình của hệ thống điều khiển nhiệt độ .. Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.15: Kiến trúc của luồng giám sát hệ thống.... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.16: Bộ đệm tròn cho bộ thu nhận dữ liệu ...... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1 Vòng đời của một mẫu .............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2 Cấu trúc mẫu Quan sát ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3 Mô tả cấu trúc mẫu chiến lƣợc .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4. Cấu trúc mẫu ngắt ..................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5. Phƣơng thức điều khiển ngắt .................... Error! Bookmark not defined.

Hình 2.7 Sự cấu thành những thiết kế ứng dụng khi sử dụng những mẫu ........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.8. Pha phân tích của POAD........................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9 Biểu đồ lớp (a) và Biểu đồ tƣơng tác (b) của mẫu Observer. ............ Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống phần cứng ........... Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.1. Bảng phân quyền vào ra ........................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2. Biểu đồ hoạt động tiến trình nghiệp vụ “Điều khiển đóng – mở cửa”
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3. Biểu đồ hoạt động tiến trình nghiệp vụ “Cảnh báo nguy cơ hỏa hoạn”
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4. Biểu đồ miền lĩnh vực ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5 Mô hình ca sử dụng mức tổng quát ............ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6: Biểu đồ ca sử dụng gói “Quản trị hệ thống” .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.7: Biểu đồ ca sử dụng “Kiểm soát vào ra” .... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.8: Mô hình gói ca sử dụng “Cảnh báo hỏa hoạn” ....... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.9: Biều đồ ca sử dụng gói “Quản lý vận hành” ........... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.10. Biểu đồ lớp của các lớp đối tƣợng chínhError! Bookmark not defined.
Hình 3.11. Biểu đồ lớp cập nhật bảng phân quyền sử dụng mẫu chiến lƣợc.... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.12. Biểu đồ lớp thiết kiểm soát vào ra theo mẫu quan sát . Error! Bookmark
not defined.
Hình 3.13 Biểu đồ lớp mức mẫu “Xử lý hỏa hoạn” . Error! Bookmark not defined.
Hình 3.14 Biểu đồ lớp cho ca sử dụng giám sát truy nhập và ghi nhật ký ....... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.15 Giao diện đăng nhập hệ thống .................. Error! Bookmark not defined.

Hình 3.16 Giao diện vào ra hệ thống ....................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.17 Giao diện cảm ứng nhiệt độ ..................... Error! Bookmark not defined.


Hình 3.18 Giao diện quan sát nhiệt độ ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.19 Giao diện lựa chọn chiến lƣợc cập nhật ... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.20 Giao diện cập nhật trực tiếp ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.21 Giao diện cập nhật từ tệp ......................... Error! Bookmark not defined.


MỤC LỤC
Các thuật ngữ và các từ viết tắt ....................................................................................... 4
Danh mục các hình ..........................................................................................................5
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 10
Chƣơng I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỜI GIAN THỰCError!

Bookmark

not

defined.
1.1. Khái niệm về hệ thời gian thực [1] ..................... Error! Bookmark not defined.
1.2 Phân loại hệ thời gian thực .................................. Error! Bookmark not defined.
1.2.1 Hệ thời gian thực cứng ................................. Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Hệ thời gian thực mềm ................................. Error! Bookmark not defined.
1.3 Đặc điểm của hệ thời gian thực [6] ..................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Cấu trúc thành phần của một hệ thời gian thực .. Error! Bookmark not defined.
1.5. Xử lý thời gian thực ............................................ Error! Bookmark not defined.
1.5.1 Xử lý ngắt ..................................................... Error! Bookmark not defined.

1.5.2 Quản lý tiến trình .......................................... Error! Bookmark not defined.
1.6 Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thời gian thực Error! Bookmark not defined.
1.6.1 Điều khiển tín hiệu số ................................... Error! Bookmark not defined.
1.6.2 Điều khiển mức cao ..................................... Error! Bookmark not defined.
1.6.2.1 Các ví dụ về phân cấp điều khiển .......... Error! Bookmark not defined.
1.6.2.2 Hƣớng dẫn và kiểm soát ........................ Error! Bookmark not defined.
1.6.3 Điều khiển lệnh............................................. Error! Bookmark not defined.
1.6.4 Xử lý tín hiệu ................................................ Error! Bookmark not defined.
1.6.4.1 Hệ thống radar ....................................... Error! Bookmark not defined.
1.7 Một số hệ thống thời gian thực điển hình ............ Error! Bookmark not defined.
1.7.1 Hệ thống giám sát ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.7.2 Hệ thống điều khiển...................................... Error! Bookmark not defined.
1.7.3 Hệ thống thu nhận dữ liệu ............................ Error! Bookmark not defined.


Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HƢỚNG MẪU .............. Error!
Bookmark not defined.
2.1 Mẫu thiết kế ......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Khái niệm về mẫu ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Vai trò của mẫu trong phát triển phần mềm . Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Vòng đời của một mẫu ................................. Error! Bookmark not defined.
2.1.4 Một số mẫu cho hệ thời gian thực ................ Error! Bookmark not defined.
2.1.4.1 Mẫu hành vi Observer ........................... Error! Bookmark not defined.
2.1.4.2 Mẫu chiến lƣợc ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.4.3 Mẫu ngắt ................................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.4.4 Mẫu luân chuyển Robin ........................ Error! Bookmark not defined.
2.2 Phân tích thiết kế hƣớng mẫu - POAD ................ Error! Bookmark not defined.
2.3.1 Mục tiêu của POAD ..................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Những vẫn đề của POAD ............................. Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Phân tích hƣớng mẫu .................................... Error! Bookmark not defined.

2.3.3.1 Tổng quan .............................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.3.2 Mục đích của việc phân tích hƣớng mẫuError!

Bookmark

not

defined.
2.2.3.3 Phân tích các yêu cầu ............................ Error! Bookmark not defined.
2.2.3.4 Làm quen bƣớc đầu ............................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3.5 Tìm và lấy ra các mẫu ........................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3.6 Lựa chọn mẫu ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Thiết kế hƣớng mẫu ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.4.1 Tổng quan .............................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.4.2 Mục đích của việc thiết kế hƣớng mẫu Error! Bookmark not defined.
2.2.4.3 Cấu trúc mẫu.......................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.4.4 Cấu trúc các mô hình mức mẫu chi tiết . Error! Bookmark not defined.
2.4 UML trợ giúp các mẫu thiết kế ........................... Error! Bookmark not defined.


Chƣơng 3: HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRẠNG THÁI HOẠT ĐỘNG TRONG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ........... Error! Bookmark not defined.
3.1 Tổng quan về trƣờng Đại học Dân lập Hải phòngError!

Bookmark

not

defined.
3.2 Bài toán giám sát hoạt động trong khuôn viên nhà trƣờngError! Bookmark not

defined.
3.2.1 Mô tả Bài toán .............................................. Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Những vấn đề đặt ra ..................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.3 Đặc tả hệ thống ............................................. Error! Bookmark not defined.
3.2.3.1 Hệ thống phần cứng............................... Error! Bookmark not defined.
3.2.3.2 Hệ thống phần mềm .............................. Error! Bookmark not defined.
3.3 Phát triển hệ thống phần mềm theo POAD ......... Error! Bookmark not defined.
3.3.1 Xác định mô hình nghiệp vụ ........................ Error! Bookmark not defined.
3.3.1.1 Các chức năng nghiệp vụ của hệ thống . Error! Bookmark not defined.
3.3.1.2 Các tác nhân nghiệp vụ ......................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1.3 Các biểu đồ hoạt động của tiến trình nghiệp vụError! Bookmark not
defined.
3.3.1.4 Mô hình miền lĩnh vực .......................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1.5 Từ diển giải thích................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Biểu diễn mô hình hệ thống nghiệp vụ........ Error! Bookmark not defined.
3.3.2.1 Mô hình ca sử dụng mức cao ................ Error! Bookmark not defined.
3.3.2.2 Các mô hình ca sử dụng chi tiết ............ Error! Bookmark not defined.
3.3.4 Lựa chọn các mẫu ......................................... Error! Bookmark not defined.
3.4 Thiết kế “Hệ thống giám sát trạng thái hoạt động”Error!

Bookmark

not

defined.
3.4.1 Thiết kế ca sử dụng “Quản trị hệ thống” ...... Error! Bookmark not defined.
3.4.2 Thiết kế ca sử dụng “Kiểm soát vào ra” ....... Error! Bookmark not defined.
3.4.3 Thiết kế ca sử dụng “Xử lý hỏa hoạn” ..... Error! Bookmark not defined.
3.4.4 Thiết kế ca sử dụng “Quản trị vận hành” . Error! Bookmark not defined.
3.5 Một số giao diện chƣơng trình ............................ Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 11


MỞ ĐẦU
Ngày nay, hầu hết các tƣơng tác tính toán trong nhiều hệ thống trên máy tính đều
tíến hành theo thời gian thực nhƣ các hệ thống điều khiển phản hồi, hệ thống giám sát,
các hệ thống điều khiển tự động... Các hệ thống trên thƣờng phải đáp ứng đƣợc các sự
kiện trong thế giới thực về mặt thời gian khi tƣơng tác với môi trƣờng bên ngoài.
Có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc dùng để phân tích thiết kế phần mềm này nhƣ:
phƣơng pháp “biểu đồ trạng thái”, hay máy trạng thái hữu hạn [11], phƣơng pháp phân
tích thiết kế hƣớng đối tƣợng,... Trong các phƣơng pháp thiết kế trên, phƣơng pháp
phân tích hƣớng đối tƣợng và sử dụng mẫu trong thiết kế đang là một hƣớng nghiên
cứu và ứng dụng đang phát triển rất mạnh hiện nay. Nó mang đặc trƣng của công nghệ
sử dụng lại cho việc phát triển các hệ thống phần mềm ở mức thiết kế. Vì vậy, đề tài
“Hệ thống thời gian thực và ứng dụng các mẫu trong thiết kế” đƣợc chọn làm luận văn
tốt nghiệp của tôi.
Trong luận văn này, sau khi trình bày tổng quan về hệ thống thời gian thực và
trình bày phƣơng pháp phát triển hệ thống phần mềm trên cơ sở phƣơng pháp phân
tích hƣớng đối tƣợng định hƣớng mẫu. Nó đƣợc vận dụng để phân tích thiết kế hệ
thống giám sát trạng thái hoạt động trong khuôn viên Trƣờng đại học dân lập Hải
Phòng - một hệ thống thời gian thực.
Nội dung luận văn gồm ba chƣơng
Chƣơng 1: Tổng quan về Hệ thời gian thực.
Trong chƣơng này, trình bày các khái niệm về hệ thống thời gian thực, các ứng
dụng điển hình của hệ thống này.
Chƣơng 2: Phƣơng pháp phân tích thiết kế hƣớng mẫu
Trong chƣơng này, trình bày tổng quan về mẫu thiết kế và phƣơng pháp phân

tích thiết kế hệ thống phần mềm hƣớng mẫu. Ngoài ra trình bày một số mẫu đƣợc sử
dụng cho thiết kế cho ứng dụng đề xuất nhƣ mẫu Quan sát (Observer), mẫu chiến lƣợc
(Trategy), mẫu ngắt (Interruptt), và mẫu luân chuyển Robin (Round Robin).
Chƣơng 3: Hệ thống giám sát trạng thái hoạt động trong khuôn viên Trƣờng
Đại học Dân Lập Hải Phòng
Đây là phần xây dựng ứng dụng dựa trên cơ sở lý thuyết đã trình bày ở trên. Sử
dụng phƣơng pháp phân tích hƣớng đối tƣợng và các mẫu để tiến hành phân tích và
thiết kế ứng dụng và tiến hành một số cài đặt thử nghiệm.
Cuối cùng là phần kết luận và hƣớng phát triển tiếp theo của đề tài.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tham khảo tiếng Việt
[1] Nguyễn Văn Vỵ (2002), Phân tích thiết kế các hệ thống thông tin hiện đại, hƣớng
cấu trúc - hƣớng đối tƣợng, NXB Thống kê, Hà Nội.
[2] Đặng Văn Đức (2002), Phân tích thiết kế hƣớng đối tƣợng bằng UML, NXB Giáo
dục, Hà nội.
[3] Đoàn Văn Ban (2003), Phân tích thiết kế hƣớng đối tƣợng bằng UML,
NXB Thống kê.
[5] Nguyễn Văn Trƣờng (2004), Hệ thống thời gian thực và ứng dụng trong kỹ thuật
mô phỏng, Trung tâm Công nghệ Mô phỏng – HVKTQS.
[6] TS Hoàng Minh Sơn , Hệ Thời gian thực và điều khiển thời gian thực, Tạp chí
TĐHNN (tạp chí điện tử), ngày 13/10/2007.
[7] Nguyễn Văn Ba (2005), Phát triển hệ thống hƣớng đối tƣợng với UML2.0 và C++ ,
Nhà xuất bản Thống kê – 2005
[8] Nguyễn Văn Vỵ (2004), Phân tích thiết kế hệ thống phần mềm – Bài giảng cho cao
học, Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
[10] Ngô Trung Việt (bản dịch- 2001), Kĩ nghệ phần mềm, Nhà xuất bản giáo dục
Tài liệu tham khảo tiếng Anh
[10] Jame W.S.Liu, Real time system, Prentice Hall, 2000, ISBN: 130996513

[11] Ian sommerville, Softwware Engineering, Sixth Edition, Addison- Wesley, 2001
[12] Sharif M.Yacoub and Hany H Ammar, Pattern Orientated Analysis and Design:
Composing Patterns to Design Software System, Addison – Wesley Proffessional, 2003
[13] Grindei Manuela - Lidia, UML-Modeling of Real - Time software System,
Software- Entwicklungsmethoden.
[14] Bruce Powel Douglass, Real Time Design Patterns. Robust Architecture for Real
Time Systems, Addison Wessley 9/2002


14

[15] OMG Unified Modeling Language Specification Version 1.4, Needham, MA:
Object Management Group, 2001.
[16] Douglass, Bruce Powel. Real-Time UML, 2nd Edition: Developing Efficient
Objects for Embedded Systems, Boston, MA: Addison-Wesley, 2000.
[17] Douglass, Bruce Powel. Doing Hard Time: Developing Real-Time Systems with
UML, Objects, Frameworks and Patterns, Reading, MA: Addison-Wesley, 1999.
[18] Buschmann, F., R. Meunier, H. Rohnert, P. Sommerlad, and M. Stal. A System of
Patterns: Pattern - Oriented Software Architecture, New York, NY: John Wiley
and Sons, 1996.
[19] Gamma, E., R. Helm, R. Johnson, and J. Vlissides. Design Patterns: Elements of
Reusable Object - Oriented Software, Reading, MA: Addison-Wesley, 1995.
[20] David E. Simon, An Embedded Sofware Primer, Copyright by Pearson Education,
Inc-1999
[21] Jason Price, Mastering C# Database Programming, Sybex © 2003
[22] Bruce Powel Douglass, Real Time Design Patterns, Robust Architecture for Real
Time Systems, Addison Wessley 9/2002


15