軟件系統(tǒng)架構(gòu)的選擇對于軟件系統(tǒng)開發(fā)的成敗至關(guān)重要，軟件架構(gòu)各種風(fēng)格各種方法，光分層架構(gòu)方法就很多，如何評估哪個軟件系統(tǒng)架構(gòu)方法更合適。CMU/SEI（卡梅隆大學(xué)軟件工程協(xié)會）提出了一套架構(gòu)權(quán)衡分析方法，Architecture Tradeoff Analysis Method，簡稱ATAM。

傳統(tǒng)軟件架構(gòu)評估方法按評估形式，一般分為三種。一是調(diào)查問卷法，即直接請對系統(tǒng)架構(gòu)了解的專家學(xué)者對系統(tǒng)架構(gòu)做出主觀評估。二是度量法，即將軟件系統(tǒng)架構(gòu)完全量化，通過一些客觀的數(shù)字指標(biāo)來評估架構(gòu)的好壞。三是場景評估法，即挑選出重要的系統(tǒng)使用場景，根據(jù)不同場景中各架構(gòu)的表現(xiàn)分別作評估，ATAM屬于場景評估法，主客觀程度介于前面兩種方法之間。

首先先了解三個概念。

一、軟件質(zhì)量屬性

軟件質(zhì)量屬性說的是我們評估軟件架構(gòu)，到底評估它的什么特性，一般有如下幾個：

性能：指系統(tǒng)的響應(yīng)能力，即系統(tǒng)執(zhí)行某個特定事務(wù)所需要的時間。

可靠性：即在意外或錯誤使用的情況下，維持軟件系統(tǒng)的功能特性的能力。一般包括容錯和健壯性兩個方面的能力。

可用性：是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的時間比例，和可靠性相比，可用性除了體現(xiàn)出錯概率外，還體現(xiàn)出錯后恢復(fù)正常的速度上。

安全性：是指阻止非授權(quán)用戶使用的企圖或拒絕服務(wù)的能力。又可分為機(jī)密性、完整性、不可否認(rèn)性及可控性。

可修改性：是指能夠快速地以較高的性價比對系統(tǒng)進(jìn)行變更的能力。包括可維護(hù)性，可擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)重組和可移植性。

二、敏感點(diǎn)和權(quán)衡點(diǎn)

敏感點(diǎn)和權(quán)衡點(diǎn)都是在軟件架構(gòu)中所做的關(guān)鍵決策，不同的是，敏感點(diǎn)決策只影響一個軟件質(zhì)量屬性，而權(quán)衡點(diǎn)則同時影響多個質(zhì)量屬性，有時不同屬性間還會互相沖突，比如選擇不同的加密方式同時影響性能和安全性，所以需要權(quán)衡。

三、風(fēng)險承擔(dān)者

風(fēng)險承擔(dān)者是指那些關(guān)心軟件架構(gòu)，個人利益受軟件架構(gòu)好壞影響的人，在項目管理領(lǐng)域也稱為項目干系人或涉眾。這照些人整體上又可以分為系統(tǒng)的生產(chǎn)者和系統(tǒng)的消費(fèi)者。生產(chǎn)者包括架構(gòu)師，開發(fā)人員，維護(hù)人員，測試人員等；消費(fèi)者包括客戶，最終用戶等。

ATAM通過理解體系結(jié)構(gòu)方法來分析體系結(jié)構(gòu)，評估過程分9個步驟：

1、描述ATAM方法

即評估小組負(fù)責(zé)人向參加會議的風(fēng)險承擔(dān)者介紹ATAM評估方法，負(fù)責(zé)人將解釋評估的原則、評估的方案及目標(biāo)（例如：那些質(zhì)量特性應(yīng)該優(yōu)先考慮）。

2、描述業(yè)務(wù)動機(jī)

從業(yè)務(wù)角度介紹系統(tǒng)的概況，一般包括業(yè)務(wù)環(huán)境，背景，業(yè)務(wù)約束條件，技術(shù)約束，質(zhì)量屬性需求等內(nèi)容。

3、描述體系結(jié)構(gòu)

設(shè)計師或設(shè)計小組對體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳略適當(dāng)?shù)慕榻B。包括技術(shù)約束，與本系統(tǒng)交互的其他系統(tǒng)，用以滿足質(zhì)量屬性要求的體系結(jié)構(gòu)方法（功能，模塊，進(jìn)程，硬件）。

4、確定體系結(jié)構(gòu)方法

由設(shè)計師確定體系結(jié)構(gòu)方法，由分析小組捕獲，但不進(jìn)行分析。

5、生成質(zhì)量屬性效用樹

評估小組，設(shè)計小組，管理人員和客戶代表一起確定系統(tǒng)最重要的質(zhì)量屬性目標(biāo)，并對這些目標(biāo)設(shè)置優(yōu)先級和細(xì)化。

6、分析架構(gòu)方法

7、頭腦風(fēng)暴并確定場景的優(yōu)先級

8、分析架構(gòu)方法

9、描述評估結(jié)果

下面通過汽車后保險杠上加裝后視攝像頭案例介紹下ATAM在汽車軟件中的應(yīng)用。

1、描述ATAM方法

汽車后保險杠上加裝后視攝像頭。目前大部分汽車都有尾部攝像頭，倒車時通過中控顯示倒車影像。

當(dāng)在原有的電氣系統(tǒng)中加入攝像頭后，從汽車尾部傳輸?shù)狡囶^部的數(shù)據(jù)量會急劇增加。同時，為確保倒車期間的安全性，倒車影像數(shù)據(jù)必須保證實(shí)時傳輸。而在總線上，還有其他安全關(guān)鍵信號也需要保證實(shí)時傳輸，這意味著通信總線不得不持續(xù)地在視頻信號反饋和諸如駐車輔助等安全關(guān)鍵性傳感器之問調(diào)整傳輸?shù)膬?yōu)先級。在這一場景下，架構(gòu)師需要回答一個問題：如何保證攝像頭的加人不會對車上原有的安全關(guān)鍵性功能造成負(fù)面影響？相比實(shí)際車輛的軟件架構(gòu)，該案例有一定的簡化和修改，僅作為ATAM的說明，這里充當(dāng)“描述ATAM方法。”

2、描述業(yè)務(wù)動機(jī)

該架構(gòu)的主要業(yè)務(wù)動機(jī)是使車輛達(dá)到高度安全性。

通過示例圖來描述該架構(gòu)。首先展示的是汽車的功能架構(gòu)。因為關(guān)注的是攝像頭功能，我們只選取了架構(gòu)中與之相關(guān)的主動安全域、底盤域和車載娛樂域的功能，主動安全域包括緊急制動、制動防抱死（ABS)功能，底盤域包括轉(zhuǎn)向燈、近光燈和刮水器，車載娛樂域包括中控屏和抬頭顯示設(shè)備(Head-up Display，HUD）中的信息顯示功能。

架構(gòu)中的功能從屬示例

在介紹下汽車的EEA架構(gòu)，這個案例中簡化的物理視圖。

架構(gòu)的物理視圖示例

在物理視圖中，存在兩條總線：

?CAN總線：連接車載娛樂域中的控制單元。

?FlexRay總線：連接安全域和底盤域中的控制單元。

除此之外，視圖中還有如下控制單元節(jié)點(diǎn)：

?主控制單元：汽車的中樞控制單元，控制車輛配置，負(fù)責(zé)整個電子電氣系統(tǒng)的初始化和診斷。該單元是車輛上計算能力最強(qiáng)的控制器。

?制動防抱死控制單元(ABS)：該控制單元負(fù)責(zé)車輛的制動和相關(guān)功能。這是一個高度安全關(guān)鍵的系統(tǒng)，具有車輛上最高的軟件安全等級。

?高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)：該控制單元負(fù)責(zé)主動安全領(lǐng)域更高級別的決策，例如制動防碰撞、緊急制動、防滑等功能。它也負(fù)責(zé)駐車輔助等功能。

?轉(zhuǎn)向：該控制單元負(fù)責(zé)車輛的轉(zhuǎn)向功能，例如電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；駐車輔助等功能的一部分也通過該控制單元實(shí)現(xiàn)。

?尾部控制單元（Back Body Controller，簡稱BBC)：該控制單元負(fù)責(zé)與車輛尾部相關(guān)的非安全關(guān)鍵功能，例如：調(diào)節(jié)后視鏡、行李艙電子開關(guān)、后窗除霧等功能。

接下來，是架構(gòu)的邏輯視圖，在該視圖中，聚焦在車載娛樂系統(tǒng)顯示的主要功能組件，以及它對攝像頭控制單元的信號輸人的處理。

架構(gòu)的邏輯視圖示例

還有一種增加了攝像頭后架構(gòu)的潛在布置方案。在這種方案中，信號處理的主要工作在尾部控制器節(jié)點(diǎn)完成；

潛在方案示例

3、確定架構(gòu)方法

我們關(guān)注的是目標(biāo)控制單元上的軟件組件的劃分。無論采用何種軟件架構(gòu)，系統(tǒng)的物理架構(gòu)(硬件)都沒有變化。因此，架構(gòu)方法的確定應(yīng)僅依賴于汽車的電子電氣系統(tǒng)。有另一種架構(gòu)的替代方案，不同于將攝像頭功能的軟件組件劃分至主控制器和尾部控制器的方式，所有的信號處理工作都在主控制器中進(jìn)行。因為系統(tǒng)的主要功能是對圖像信號的處理，因此我們采用了常見的管道過濾器(pipe-and-filter)風(fēng)格來設(shè)計架構(gòu)。汽車的電氣系統(tǒng)應(yīng)該支持主動安全的先進(jìn)機(jī)制（通過軟件控制），并且確保這些機(jī)制之間不會互相干擾，從而危及車輛安全。

另一種替代方案示例

對這兩種替代方案都進(jìn)行研究，最終決定選擇何種架構(gòu)來支持最初期望的質(zhì)量目標(biāo)，基于它們的各自生成的質(zhì)量屬性效用樹來完成架構(gòu)的選型。

4、生成質(zhì)量屬性效用樹

在這個案例中，讓我們考慮兩個互補(bǔ)的場景，雖然可以為上文提到的每個質(zhì)量屬性都找到多個場景，這里我們只關(guān)注安全性：場景一，當(dāng)車輛倒車、倒車影像激活后，CAN總線出現(xiàn)了信號擁擠；場景二，當(dāng)惡劣氣候下主控制器單元已經(jīng)過載時，影像信號的計算會對雨刮器、近光燈等功能的性能造成于擾。

場景多方面描述

在第一個場最中，我們所關(guān)注的是倒車影像對安全性的影響。需要了解視頻信號的數(shù)據(jù)傳輸會對連找主控制器和尾部控制器的CAN總線造成何種影響。因此，我們設(shè)計的兩種架構(gòu)布置方視頻信號處理布置在主控制器單元或布置在尾部控制器中，都需要被納入分析。假設(shè)兩種架構(gòu)方案都不會導(dǎo)致硬件的增加，因此對電氣系統(tǒng)的整體性能沒有影響。通過這一簡化我們將不必分析物理架構(gòu)，而將關(guān)注點(diǎn)全部放在架構(gòu)的邏輯視圖和布置方案上。

通信總線占用

主控制單元的過載

在上述分析中，之所以要同時考慮兩種方案，是因為它們展示了功能在節(jié)點(diǎn)上分布方案背后的不同邏輯可能性。在這個的案例中，基于場景分析得到的質(zhì)量效用樹包含著兩種質(zhì)量屬性安全性和性能。兩種場景在效用樹中的評級都是高。當(dāng)生成了效用樹后，就可以對兩種架構(gòu)進(jìn)行分析，并找到它們各自的權(quán)衡點(diǎn)和敏感點(diǎn)。

質(zhì)量屬性效用樹

5、分析架構(gòu)方法和決策

對架構(gòu)及其兩種部署方案進(jìn)行深入分析。在分析過程中，會發(fā)現(xiàn)了很多風(fēng)險，這里以一個風(fēng)險為例：信號無法傳輸?shù)搅硪粋€控制器的風(fēng)險。

可以使用風(fēng)險模板來完成描述。可以看到該風(fēng)險會影響到乘客的安全，因此需要被消除。進(jìn)一步分析，消除該風(fēng)險意味著總線通信不能對安全關(guān)鍵信號造成影響。因此，應(yīng)該優(yōu)先考慮第一種架構(gòu)方案—在尾部控制單元完成視頻信號的處理。這一方案意味著尾部控制器需要有足夠的計算能力完成對視頻信號的實(shí)時處理，這可能會導(dǎo)致車輛電氣系統(tǒng)的成本增加。但既然安全性是業(yè)務(wù)動機(jī)，單車成本的增加應(yīng)該可以被車型銷量的增加所平衡。

風(fēng)險描述

6、描述評估結(jié)果

在實(shí)踐中，架構(gòu)和評估團(tuán)隊會執(zhí)行與上述類似的完整討論和展示工作，包括問題的發(fā)現(xiàn)，場景、場景優(yōu)先級的排定以區(qū)頭腦風(fēng)暴等。

ATAM評估總結(jié)

ATAM方法是為軟件架構(gòu)的設(shè)計而開發(fā)的。但是在汽車領(lǐng)域，汽車軟件架構(gòu)和物理硬件的架構(gòu)是緊密聯(lián)系的。建議在對汽車領(lǐng)域的軟件架構(gòu)進(jìn)行ATAM評估時，將硬件也納入評估團(tuán)隊，只有這樣才能確保所設(shè)計的軟件架構(gòu)完全滿足系統(tǒng)的要求。

審核編輯：劉清