Yetenek merkezli mimari: Gömülü çözümler ve bulut çözümleri için tek tip yapı

kapanış bildirimi

Bu makale İngilizce olarak da mevcuttur. Teknik yardımla tercüme edildi ve yayınlanmadan önce editoryal olarak gözden geçirildi.

Bir daha gösterme.

Yazılım mimarisi uzun süredir belirli gereksinimlerin hakim olduğu sistem sınırları içinde yer alma sorunuyla karşı karşıyadır: örneğin kurumsal sistemler esneklik, ölçeklenebilirlik ve hızlı gelişim gerektirir. Gömülü sistemler ise doğrudan donanım erişimi, gerçek zamanlı performans ve verimli kaynaklar gerektirir. Geleneksel mimari modeller genellikle mimarları bu dünyalar arasında seçim yapmaya veya farklı sistem türleri için ayrı yaklaşımlar sürdürmeye zorlar.

Yeni Yetenek Merkezli Mimari (CCA) modeli bu gerilimi ele alıyor. Etki alanına dayalı tasarım, altıgen mimari ve temiz mimari kavramlarını genişletir ve sentezler. Bunu yaparken, milyarlarca işlemi işleyen bulut tabanlı bir kurumsal platform için olduğu kadar, sensör verilerini okuyan bir mikro denetleyici için de eşit derecede uygulanabilir kılan yeni mekanizmalar sunar.

Bu makale dizisi yeni modeli dört makalede tanıtıyor. Birinci bölüm yöntemin temelleri ile ilgilidir. Gömülü bir sistem, bir iş uygulaması ve yapay zeka bileşenine sahip bir mimari için üç örnek aşağıda verilmiştir.

Mevcut yaklaşımlarla ilgili temel sorunlar

Model, sistemlerin gelişmesi, yapay zeka ve konteynırlaştırma gibi yeni teknolojileri entegre etmesi veya spektrumu gömülü mimariden kurumsal yapıya genişletmesi gerektiğinde mevcut mimarilerin neden başarısız olduğuna dair analizimizden ortaya çıktı. Bu gereksinimleri ayrı konular olarak ele almak yerine CCA, karmaşıklığı, bağımlılıkları ve değişimi yönetmeye yönelik mekanizmalar içeren birleşik bir kavramsal çerçeve sağlar.

Yetersiz bir yaklaşımın örneği, endüstriyel bir kontrol sistemine tipik bir katmanlı mimarinin uygulanmasıdır. Sunum katmanı sensör değerlerini görüntüler, iş mantığı katmanı kontrol algoritmalarını işler, veri erişim katmanı kalıcılığı yönetir ve bir yerlerde sensörleri ve kontrol aktüatörlerini okumak için donanım erişimi vardır.

Acil sorun açıktır: Donanım katmanı nereye sığar? Veri erişim katmanının altında hantal bir bağımlılık yapısı oluşturur. Ayrı bir husus olarak tabakalaşma ilkesini ihlal etmektedir. Daha da önemlisi, katı katmanlama, kritik yolları optimize etmeyi neredeyse imkansız hale getirir. Bir sensör kesintisi meydana geldiğinde, sinyalin kontrol algoritmasına ulaşmadan önce birden fazla katmandan geçmesi gerekir, bu da kabul edilemez bir gecikme anlamına gelir.

Altıgen mimari bu sorunu portlar ve adaptörler aracılığıyla çözmeye çalışır. Çekirdek etki alanı mantığı merkezdedir ve bağdaştırıcılar, tanımlanmış bağlantı noktaları aracılığıyla harici sistemlere bağlanır. Bu, veritabanı bağdaştırıcıları ve API'leri olan kurumsal sistemler için iyi çalışır. Ancak gömülü sistemler için, bir donanım zamanlayıcısını basit bir adaptör olarak ele almak, takılabilir bir harici hizmet ile sistemin gerçek zamanlı kapasitesini tanımlayan bir donanım bileşeni arasındaki temel farkı gizler.

Gömülü sistemler için tipik bir altıgen yaklaşım şuna benzer:

// Port-Definition
public interface SensorPort {
    SensorReading read();
}

// Domain-Logik
public class TemperatureController {
    private final SensorPort sensor;
    
    public TemperatureController(SensorPort sensor) {
        this.sensor = sensor;
    }
    
    public void regulate() {
        SensorReading reading = sensor.read();
        // Steuerungslogik hier
    }
}

// Hardware-Adapter
public class HardwareSensorAdapter implements SensorPort {
    private static final int SENSOR_REGISTER = 0x40001000;
    
    public SensorReading read() {
        // Direkter Speicherzugriff
        int rawValue = readRegister(SENSOR_REGISTER);
        return new SensorReading(convertToTemperature(rawValue));
    }
    
    private native int readRegister(int address);
}

Kod temiz görünüyor ancak kritik sorunları gizliyor. Soyutlama, denetleyicinin yakındaki donanım kayıtlarında bulunan sensör meta verilerine erişmesini engeller. Bir yöntem çağrısı aracılığıyla tüm sensörlere erişimi zorlar ve DMA veya kesme kontrollü okuma aracılığıyla doğrudan belleğe erişimi engeller. Geliştiriciler kolaylıkla zamanlama davranışlarını ekleyemediği için testi daha da zorlaştırır. Ancak en önemlisi, donanım yetenekleri sistem performansını temelden etkilese de, donanımı yalnızca başka bir değiştirilebilir bileşen olarak ele alır.

Temiz mimari de benzer sorunlarla karşı karşıyadır. İçe dönük bağımlılıklara sahip eşmerkezli daireleri, kurumsal uygulamalar için harika çalışıyor. Varlık katmanı iş kurallarını içerir, Kullanım Senaryosu katmanı uygulamaya özel kuralları içerir ve dış katmanlar kullanıcı arayüzünü ve altyapıyı yönetir. Ancak gömülü sistemler bu modele uymuyor. Donanım soyutlanabilecek bir altyapı değildir. Becerilerin üzerine inşa edildiği temeldir.

Kurumsal sistemler farklı ama aynı derecede zorlu sorunlarla karşı karşıyadır. Sistemler büyüdükçe sınırlı bağlamlar çoğalır ve aralarındaki bağımlılıklar karışır. Ekipler katmanlı veya altıgen sınırlar uygulamaya çalışır ancak bu, pratik kısıtlamalara neden olur ve arka kapılar ve kısayollar oluşturur. Bir müşteri hizmetinin envanter hizmetinden verilere, onun da katalog hizmetinden fiyatlara, onun da müşteri hizmetlerinden müşteri segmentlerine ihtiyacı vardır. Döngüsel bağımlılık açıktır ancak iş ihtiyacı gerçektir.

Modern teknolojiler bu sorunları daha da artırıyor. Yapay zeka modelleri yalnızca bir katmana veya adaptöre takılan bileşenler değildir. Kendi altyapı ihtiyaçları, eğitim hatları, sürüm kontrol gereksinimleri ve çıkarım özellikleri vardır. Büyük veri işleme, geleneksel istek-yanıt modellerine uymuyor. Kod olarak altyapı, uygulama ile dağıtım mimarisi arasındaki çizgiyi bulanıklaştırır. Kubernetes ve konteynerleştirme, mimarların dağıtım birimleri ve ölçeklenebilirlik sınırları hakkındaki düşüncelerini değiştiriyor.