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[ Team LiB ]
3.3 Architecture for the A-7E Avionics System
The architecture for the A-7E avionics system is centered around three architectural structures discussed
in Chapter 2
:
Decomposition, a structure of modules
Uses, a structure of modules
Process, a structure of components and connectors
We will discuss each in turn.
DECOMPOSITION STRUCTURE
Unless a program is small enough to be produced by a single programmer, we must think how the work
will be divided into units that can be implemented separately and how those modules will interact. The
unit of the decomposition structure is, of course, the module. A module may be thought of as defining a
group of procedures, some public and some private, plus a set of private data structures. The relation
among modules in the decomposition structure is "is-a-submodule-of" or "shares-a-secret-with."
Prior to 1977, performance was the overriding goal of embedded (as well as most other) systems. The
goal of the A-7E designers was to balance performance with modifiability and demonstrate that it was
possible to achieve modifiability without compromising performance.
Information Hiding
The A-7E module decomposition is based on information hiding. An architectural tactic we will revisit in
Chapter 5
, information hiding works by encapsulating system details that are likely to change
independently in different modules. The interface of a module reveals only those aspects considered
unlikely to change; the details hidden by the module interface are the module's secrets.
For instance, if a device such as an aircraft altitude sensor is likely to be replaced over the life of an
avionics program, the information-hiding principle makes the details of interacting with that device the
secret of one module. The interface to the module provides an abstraction of the sensor, consisting
perhaps of a single program that returns the most recent value measured by the sensor, because all
replacement sensors probably share this capability. If the sensor is ever replaced, only the internal parts
of that module need to change; the rest of the software is unaffected.
Information hiding is enforced by requiring that modules interact only via a defined set of public facilities
—their 
interfaces
. Each module provides a set of 
access procedures
, which may be called by any other
module in the system. The access procedures provide the only inter-module means for interacting with
information encapsulated in a module.
Of course, this is the philosophy underlying object-based design, with a key difference: Whereas objects
are created from the physical objects inherent in the application, or conjured up from intuitive insights
about the system, information-hiding modules are derived by cataloging the changes to the software that
are perceived to be likely over the system's lifetime.
A module may consist of submodules, or it may be considered a single implementation unit. If it contains
submodules, a guide to its substructure is provided. The decomposition into submodules and their design
is continued until each module is small enough to be discarded and begun again if the programmer
assigned to it leaves the project.
Specific goals of module decomposition are as follows:
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Each module's structure should be simple enough to be understood fully.
It should be possible to change the implementation of one module without knowledge of the
implementation of other modules and without affecting the behavior of other modules.
The ease of making a change in the design should bear a reasonable relationship to the likelihood
of the change being needed; it should be possible to make likely changes without changing any
module interfaces; less likely changes may involve interface changes but only for modules that are
small and not widely used. Only very unlikely changes should require changes in the interfaces of
widely used modules.
It should be possible to make a major software change as a set of independent changes to individual
modules (i.e., except for interface changes, programmers changing the individual modules should
not need to communicate). If the module interfaces are not revised, it should be possible to run and
test any combination of old and new module versions.
The documentation of the decomposition structure is sometimes called a 
module guide
. It defines the
responsibilities of each of the modules by stating the design decisions that will be encapsulated by it. Its
purpose is to avoid duplication and gaps, to achieve separation of concerns, and, most of all, to help a
maintainer find out which modules are affected by a problem report or change request.
The guide states the criteria used to assign a particular responsibility to a module and arranges the
modules in such a way that we can find the necessary information without searching through unrelated
documentation. It reflects the tree structure of the decomposition structure, dividing the system into a
small number of modules and treating each one in the same way until all of them are quite small. Each
nonleaf node in the tree represents a module composed of the modules represented by its descendants.
The guide does not describe any runtime relationship among the modules: It doesn't talk about how
modules interact with each other while the system is executing; rather, it simply describes a design-time
relationship among the implementation units that constitute the design phase of a project.
Applying this principle is not always easy. It is an attempt to lower the expected cost of software by
anticipating likely changes. Such estimates are necessarily based on experience, knowledge of the
application area, and an understanding of hardware and software technology. Because a designer might
not have had all of the relevant experience, formal evaluation procedures were used that were designed
to take advantage of the experience of others. Table 3.2
summarizes the role of the module structure in
the A-7E architecture.
Table 3.2. How the A-7E Module Decomposition Structure Achieves Quality Goals
Goal
How Achieved
Ease of change to: weapons,
platform, symbology, input
Information hiding
Understand anticipated changes
Formal evaluation procedure to take advantage of experience of
domain experts
Assign work teams so that their
interactions were minimized
Modules structured as a hierarchy; each work team assigned to a
second-level module and all of its descendants
A-7E Module Decomposition Structure
To describe the A-7E module decomposition structure, and to give an example of how a module structure
is documented, we provide the following excerpts from the A-7E software module guide. The
decomposition tree is described beginning with the three highest-level modules. These are motivated by
the observation that, in systems like the A-7E, changes tend to come from three areas: the hardware with
which the software must interact, the required externally visible behavior of the system, and a decision
solely under the jurisdiction of a project's software designer.
Hardware-Hiding Module. The Hardware-Hiding Module includes the procedures that need to
be changed if any part of the hardware is replaced by a new unit with a different
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hardware/software interface but with the same general capabilities. This module implements
virtual hardware
, or a set of abstract devices that are used by the rest of the software. The
primary secrets of this module are the hardware/software interfaces. The secondary secrets of
this module are the data structures and algorithms used to implement the virtual hardware. One
of the submodules of the Hardware-Hiding Module is the Extended Computer Module that
hides the details of the processor.
Behavior-Hiding Module. The Behavior-Hiding Module includes procedures that need to be
changed if there are changes in requirements affecting the required behavior. Those
requirements are the primary secret of this module. These procedures determine the values to
be sent to the virtual output devices provided by the Hardware-Hiding Module.
Software Decision Module. The Software Decision Module hides software design decisions
that are based on mathematical theorems, physical facts, and programming considerations
such as algorithmic efficiency and accuracy. The secrets of this module are not described in the
requirements document. This module differs from the other modules in that both the secrets and
the interfaces are determined by software designers. Changes in these modules are more likely
to be motivated by a desire to improve performance or accuracy than by externally imposed
changes.
The module guide goes on to explain how conflicts among these categories (e.g., is a required algorithm
part of the behavior or a software decision?) are arbitrated by a complete and unambiguous requirements
specification and then provides the second-level decomposition. The following sections describe how the
Software Decision Module is decomposed.
Application Data Type Module—
The Application Data Type Module supplements the data
types provided by the Extended Computer Module with data types that are useful for avionics
applications and do not require a computer-dependent implementation. Examples of types
include distance (useful for altitude), time intervals, and angles (useful for latitude and
longitude). These data types are implemented using the basic numeric data types provided by
the Extended Computer; variables of those types are used just as if the types were built into the
Extended Computer.
The secrets of the Application Data Type Module are the data representation used in the
variables and the procedures used to implement operations on those variables. Units of
measurement (such as feet, seconds, or radians) are part of the representation and are hidden.
Where necessary, the modules provide conversion operators that deliver or accept real values
in specified units.
Data Banker Module—
Most data are produced by one module and consumed by another. In
most cases, the consumers should receive a value that is as up to date as practical. The time at
which a datum should be recalculated is determined both by properties of its consumer (e.g.,
accuracy requirements) and by properties of its producer (e.g., cost of calculation, rate of
change of value). The Data Banker Module acts as a "middleman" and determines when new
values for these data are computed.
The Data Banker Module obtains values from producer procedures; consumer procedures
obtain data from Data Banker access procedures. The producer and consumers of a particular
datum can be written without knowing when a stored value is updated. In most cases, neither
the producer nor the consumer need be modified if the updating policy changes.
The Data Banker provides values for all data that report on the internal state of a module or on
the state of the aircraft. The Data Banker also signals events involving changes in the values
that it supplies. The Data Banker is used as long as consumer and producer are separate
modules, even when they are both submodules of a larger module. The Data Banker is not
used if consumers require specific members of the sequence of values computed by the
producer or if a produced value is solely a function of the values of input parameters given to
the producing procedure, such as sin(
x
).
[1]
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[1]
The Data Banker Module is an example of the use of the blackboard architectural
pattern (see Chapter 5
, Achieving Qualities).
The choice among updating policies should be based on the consumers' accuracy
requirements, how often consumers require the value, the maximum wait that consumers can
accept, how rapidly the value changes, and the cost of producing a new value. This information
is part of the specification given to the implementor of the Data Banker Module.
Filter Behavior Module—
The Filter Behavior Module contains digital models of physical filters.
They can be used by other procedures to filter potentially noisy data. The primary secrets of
this module are the models used for the estimation of values based on sample values and error
estimates. The secondary secrets are the computer algorithms and data structures used to
implement those models.
Physical Models Module
— The software requires estimates of quantities that cannot be
measured directly but can be computed from observables using mathematical models. An
example is the time that a ballistic weapon will take to strike the ground. The primary secrets of
the Physical Models Module are the models; the secondary secrets are the computer
implementations of those models.
Software Utility Module—
The Software Utility Module contains those utility routines that would
otherwise have to be written by more than one other programmer. The routines include
mathematical functions, resource monitors, and procedures that signal when all modules have
completed their power-up initialization. The secrets of the module are the data structures and
algorithms used to implement the procedures.
System Generation Module—
The primary secrets of the System Generation Module are
decisions that are postponed until system generation time. These include the values of system-
generation parameters and the choice among alternative implementations of a module. The
secondary secrets of the System Generation Module are the method used to generate a
machine-executable form of the code and the representation of the postponed decisions. The
procedures in this module do not run on the onboard computer; they run on the computer used
to generate the code for the onboard system.
The module guide describes a third- (and in some cases a fourth-) level decomposition, but that has been
omitted here. Figure 3.4
shows the decomposition structure of the A-7E architecture down to the third
level. Notice that many of the Device Interface modules have the same names as Function Driver
modules. The difference is that the Device Interface modules are programmed with knowledge of how the
software interfaces with the devices; the Function Driver modules are programmed with the knowledge of
values required to be computed and sent to those devices. This suggests another architectural
relationship that we will explore shortly: how the software in these modules cooperates to accomplish
work.
Figure 3.4. The module decomposition view of the A-7E software architecture
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But the module decomposition view is not yet complete. Recall from Chapter 2
our definition of
architecture as including the behavioral specification for each of the elements. Carefully designed
language-independent interfaces are crucial for maintaining portability and achieving interoperability.
Here, each module must have an interface specified for it. Chapter 9
discusses documentation for
software interfaces.
In the previous chapter, we remarked that architectures serve as the blueprint for the developing project
as well as for the software. In the case of the A-7E architecture, this second-level module decomposition
structure became enshrined in many ways: Design documentation, online configuration-controlled files,
test plans, programming teams, review procedures, and project schedule and milestones all used it as
their unit of reference.
USES STRUCTURE
The second major structure of interest in the A-7E architecture is the uses structure. The decomposition
structure carries no information about runtime execution of the software; you might make an educated
guess as to how two procedures in different modules interact at runtime, but this information is not in fact
in the module decomposition. Rather, the uses structure supplies the authoritative picture of how the
software interacts.
The Uses Relation
The concept behind the uses structure is the uses relation. Procedure A is said to 
use
procedure B if a
correctly functioning procedure B must be present in order for procedure A to meet its requirements. In
practice this relation is similar to but not quite the same as the calls relation. Procedure A usually calls
procedure B because it uses it. However, here are two cases where uses and calls are different:
1. Procedure A is simply required to call procedure B in its specification, but the future computation
performed by A will not depend on what B does. Procedure B must be present in order for procedure
A to work, but it need not be correct. A calls, but does not use, B. B might be an error handler, for
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example.
2. Procedure B performs its function without being called by procedure A, but A uses the results. The
results might be an updated data store that B leaves behind. Or B might be an interrupt handler that
A assumes exists and functions correctly. A uses, but does not call, B.
The uses relation allows rapid identification of functional subsets. If you know that procedure A needs to
be in the subset, you also know that every procedure that A uses must also be there. The transitive
closure of this relation defines the subset. It therefore pays to engineer this structure, to impose a
discipline on it, so that every subset needn't consist of the entire system. This means specifying an
allowed-to-use structure for programmers. After implementation is complete, the actual uses can be
cataloged.
The unit of the uses (or allowed-to-use) structure is the access procedure. By dictating what procedures
are allowed to use which other procedures (and, by implication, what procedures are 
not
allowed to be
used by which other procedures), the uses structure is defined.
Although the unit of the uses structure is a procedure, in practice all of the procedures of a module may
share usage restrictions. Hence, the name of a module might appear in the uses structure; if so, it is
shorthand for all of the access procedures in that module.
The uses (allowed-to-use) structure is conceptually documented with a binary matrix; each row and
column lists every procedure in the system. Thus, if element (
m,n
) is true, then procedure 
m
uses (is
allowed to use) procedure 
n
. In practice, this is too cumbersome, and a shorthand was introduced in
which rules for whole modules (as opposed to individual procedures within each module) were adopted.
Table 3.3
summarizes the role of the uses structure in the A-7E software architecture.
Table 3.3. How the A-7E Uses Structure Achieves Quality Goals
Goal
How Achieved
Incrementally build and test
system functions
Create "is-allowed-to-use" structure for programmers that limits
procedures each can use
Design for platform change
Restrict number of procedures that use platform directly
Produce usage guidance of
manageable size
Where appropriate, define uses to be a relationship among modules
The A-7E Uses Structure
Recall that the uses structure is first documented in a specification showing the allowed-to-use relation;
actual uses are extracted after implementation. The allowed-to-use specification for the A-7E architecture
is a seven-page table of which Table 3.4
is a short excerpt. The two-character preface refers to the
second-level modules. The names to the right of the period refer to submodule names that we have
mostly omitted from this chapter.
Table 3.4. Excerpt from the A-7E Allowed-to-Use Specification
Using procedures: A
procedure in …
… is allowed to use any procedure in …
EC: Extended Computer
Module
None
DI: Device Interface Module EC.DATA, EC.PGM, EC.IO, EC.PAR, AT.NUM, AT.STE, SU
ADC: Air Data
Computer
PM.ECM
IMS: Inertial
Measurement Set
PM.ACM
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FD: Function Driver Module EC.DATA, EC.PAR, EC.PGM, AT.NUM, AT.STE, SU, DB.SS.MODE,
DB.SS.PNL.INPUT, DB.SS.SYSVAL, DB.DI
ADC: Air Data
Computer
Functions
DB.DI.ADC, DI.ADC, FB
IMS: IMS
Functions
DB.DI.IMS, DI.IMS
PNL: Panel
Functions
EC.IO, DB.SS.PNL.CONFIG, SS.PNL. FORMAT, DI.ADC, DI.IMS,
DI.PMDS, DI.PNL
SS: Shared Services Module EC.DATA, EC.PGM, EC.PAR, AT.NUM, AT.STE, SU
PNL: Panel I/O
Support
DB.SS.MODE, DB.DI.PNL, DB.DI.SWB, SS.PNL.CONFIG, DI.PNL
AT: Application Data Type
Module
EC.DATA, EC.PGM
NUM: Numeric
Data Types
None additional
STE: State
Transition Events
EC.PAR
Notice the pattern that emerges:
No procedure in the Extended Computer Module is allowed to use a procedure in any other module,
but all other modules are allowed to use (portions of) it.
Procedures in the Application Data Type Module are allowed to use only procedures in the Extended
Computer Module and nothing else.
Procedures in the Device Interface Module (at least the part shown) are allowed to use only
Extended Computer, Application Data Type, and Physical Models procedures.
Function Driver and Shared Services procedures can use Data Banker, Extended Computer,
Application Data Type, and Device Interface procedures.
No procedure can use any procedure in the Function Driver Module.
Only a Function Driver procedure can use a Shared Services procedure.
What we have is a picture of a system partitioned into 
layers
. The Extended Computer Module is the
bottommost layer, and the Application Data Type Module is built right on top of it. The two form a virtual
machine in which a procedure at a particular level is allowed to use a procedure at the same or any lower
level.
At the high end of the layering come the Function Driver and Shared Services modules, which have the
freedom to use a wide variety of system facilities to do their jobs. In the middle layers lie the Physical
Models, Filter Behavior, and Data Banker modules. The Software Utilities reside in parallel with this
structure and are allowed to use anything (except the Function Drivers) necessary to accomplish their
individual tasks.
Layered architectures are a well-known architectural pattern and occur in many of the case studies in this
book. Layering emerges from the uses structure, but is not a substitute for it as layering does not show
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what subsets are possible. This is the point of the uses structure—a 
particular
Function Driver Module
will use a 
particular
set of Shared Services, Data Banker, Physical Models, Device Interface, Application
Data Type, and Extended Computer operations. The used Shared Services in turn use their own set of
lower-level procedures, and so forth. The complete set of procedures derived in this manner constitutes a
subset.
The allowed-to-use structure also provides an image of how the procedures of modules interact at
runtime to accomplish tasks. Each Function Driver procedure controls the output value associated with
one output device, such as the position of a displayed symbol. In general, a Function Driver procedure
retrieves data (via Data Banker procedures) from data producers, applies rules for computing the correct
value of its assigned output, and sends that value to the device by calling the appropriate Device
Interface procedure. Data may come from one of the following:
Device Interface procedures about the state of the world with which the software interfaces
Physical Models procedures that compute predictive measures about the outside world (such as
where a bomb will strike the earth if released now, given the aircraft's current position and velocity)
Shared Services procedures about the current mode, the trustworthiness of current sensor readings,
or what panel operations the pilot has requested
Once the allowed-to-use structure is designed, implementors know what interfaces they need to be
familiar with in order to do their work. After implementation is complete, the actual uses structure can be
documented so that subsets can be fielded. The ability to deploy a subset of a system is an important
part of the Evolutionary Delivery Life Cycle (see Chapter 7
, Designing the Architecture). When budgets
are cut (or overrun) and schedules slip, delivering a subset is often the best way to put a positive face on
a bad situation. It is probably the case that more subsets would be delivered (instead of nothing at all) if
the architectural structure necessary to achieve them—the uses structure—had been carefully designed.
PROCESS STRUCTURE
The third structure of architectural importance to the A-7E is the process structure. Even though the
underlying aircraft computer is a uniprocessor, the Extended Computer Module presents a virtual
programming interface that features multiprocessing capabilities. This was to plan for if and when the A-
7E computer was replaced with an actual multi-processor. Hence, the software was implemented as a set
of cooperating sequential processes that synchronize with each other to cooperatively use shared
resources. The set was arranged using offline (pre-runtime) scheduling to produce a single executable
thread that is then loaded onto the host computer.
A process is a set of programming steps that are repeated in response to a triggering event or to a timing
constraint. It has its own thread of control, and it can suspend itself by waiting for an event (usually by
invoking one of the event-signaling programs on a module's interface).
Processes are written for two purposes in the A-7E. The first is for the function drivers to compute the
output values of the avionics software. They are required to run periodically (e.g., to continuously update
a symbol position on the heads-up display) or in response to some triggering event (e.g., when the pilot
presses the weapon release button). It is natural to implement these as processes. Conceptually, function
driver processes are structured as follows:
Periodic process: do every 40 milliseconds
- Call other modules' access procedures to gather the values of all relevant inputs
- Calculate the resulting output value
- Call the appropriate Device Interface procedure to send the output value to the outside world
End periodic process
Demand process
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- Await triggering event
- Calculate the resulting output outcome
- Call the appropriate Device Interface procedure to trigger the action in the outside world
End demand process
Processes also occur, although less frequently, as a way to implement certain access procedures. If the
value returned by an access procedure is expensive to compute, a programmer might meet the timing
requirements by continuously computing the value in the background and simply returning the most
recent value immediately when the access procedure is called. For example,
Process: do every 100 milliseconds
- Gather inputs to compute value
- Compute value
- Store in variable most_recent
End process
Procedure get_value(p1)
- p1 := most_recent.
- return
End procedure
The process structure, then, consists of the set of processes in the software. The relation it contains is
"synchronizes-with," which is based on events that one process signals and one or more processes await.
This relation is used as the primary input to the scheduling activity, which includes deadlock avoidance.
The offline scheduling techniques used in the A-7E software are beyond the scope of this treatment, but
they avoid the overhead of a runtime scheduler, and they would not have been possible without the
information contained in the process structure. The process structure also allows an optimization trick:
merging two otherwise unrelated processes, which makes scheduling easier in many circumstances and
avoids the overhead of context switching when one process suspends and another resumes. This
technique is invisible to programmers, occurring automatically during system construction. Table 3.5
summarizes the role of the process structure in the A-7E architecture.
Table 3.5. How the A-7E Process Structure Achieves Quality Goals
Goal
How Achieved
Map input to output
Each process implemented as cycle that samples, inputs,
computes, and presents output
Maintain real-time constraints
Identify process through process structure and then perform
offline scheduling
Provide results of time-consuming
calculations immediately
Perform calculations in background and return most recent
value when queried
The process structure emerged after the other structures had been designed. Function Driver procedures
were implemented as processes. Other processes computed time-consuming calculations in the
background so that a value would always be available.
Two kinds of information were captured in the process structure. The first documented what procedures
were included in the body of each process. This gave a picture of the threads that ran through the system
and also told the implementors which procedures must be coded to be re-entrant (i.e., able to carry two or
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more threads of control simultaneously) by using protected data stores or mutual exclusion. It also gave
designers early insight into which procedures were going to be invoked most often, suggesting areas
where optimization would pay off.
The second kind of information in the process structure documented which processes (or sequential
segments of process threads) could not execute simultaneously. The actual regions of mutual exclusion
were not finalized until the processes were completely coded, but the early "excludes" relation among
processes let the scheduling team understand some of the quantitative requirements of the offline
scheduler and start planning on areas where automation would be most helpful.
Success or Failure?
Bob Glass, in his editorial in the November 1998 issue of 
The Journal of Systems and
Software
[Glass 98
], argues that the A-7E was a failure because the software described in this
chapter never flew. I have a great deal of respect for Bob, both personally and professionally,
but in this case he is mistaken. He is evaluating a research system by commercial standards.
What do I mean by that? The research world and the commercial world have different cultures
and different standards for success. One manifestation of this difference is how the two
worlds "sell" to their customers. The commercial world prides itself on delivering, on time and
on budget, what is specified. You would justifiably be upset if you went to your local
automotive dealer to purchase a car and it wasn't delivered on time, at the cost you contracted
for, and performing in the fashion you expected.
The research world "sells" on vision. That is, a research proposal specifies how the world will
be different if the funder supports the proposed research. The funder should be upset if, at the
end of the research, what is delivered is something that could be purchased at a local
commercial establishment. Usually the funder is quite satisfied if the research produces new
ideas that have the potential to change the world.
While these characterizations are admittedly idealized, they are by and large accurate.
Commercial customers frequently want innovation. Research customers almost always want
deliverables. Also, both camps must often promise deliverables that cannot be delivered as a
means of securing sales. Still, the heart of this characterization is true.
The goal of the A-7E project described in this chapter was to demonstrate to a skeptical world
that "object-oriented techniques" (although the terminology was different then) could be used
to construct real-time high-performance software. This is a research objective. The goal was
to change the world as it was seen then. From a research perspective, the success of the
Software Cost Reduction program (of which the A-7E development was a portion) can be seen
in the number of citations it has been given in the research literature (in the hundreds). It can
also be seen in the general acceptance of much of what was revolutionary at the time in terms
of encapsulation and information hiding.
So the A-7E was a commercial "failure," but it was a research success. To go back to Bob's
argument, the question is Did the Navy get what they were paying for? This depends on
whether the Navy thought it was paying for a production system or a research effort. Since the
effort was housed in the Naval Research Laboratory, it seems clear that the A-7E was a
research effort and should be judged by research standards.
— LJB
[ Team LiB ]
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