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使用Rhapsody軟件框架和UML的實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

作者: 時(shí)間:2004-12-10 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:已成為復(fù)雜建模的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并可借助代碼自動(dòng)生成工具實(shí)現(xiàn)從分析到編碼的過(guò)程自動(dòng)化。而的行為特征可以很好地用的狀態(tài)機(jī)表示,從而成為自動(dòng)代碼生成、測(cè)試、分析和校驗(yàn)的最佳選擇。Ilogix公司的是一個(gè)基于支持模型驅(qū)動(dòng)的CASE工具,它一套為量身打造的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí)系統(tǒng) UML 狀態(tài)機(jī)

引言

面向?qū)ο蟮?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/軟件">軟件設(shè)計(jì)方法推崇抽象、可重用且易維護(hù)的設(shè)計(jì)模式。其中,一個(gè)普遍采用的做法是預(yù)定義的構(gòu)建復(fù)雜的軟件系統(tǒng)。在面向?qū)ο箢I(lǐng)域中,是指為某一具體應(yīng)用領(lǐng)域提供解決方案的類(lèi)集。程序員繼承、聚合等技術(shù)定制框架并將其用于具體的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)?;诳蚣艿能浖_(kāi)發(fā)具有如下優(yōu)點(diǎn):

*由于重用了框架提供的代碼,目標(biāo)系統(tǒng)不必從頭寫(xiě)起;

*規(guī)范的框架結(jié)構(gòu)能夠指導(dǎo)目標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì);

*框架的設(shè)計(jì)是開(kāi)放的,因此可以通過(guò)子類(lèi)化等技術(shù)定制和擴(kuò)展。

本文介紹的實(shí)時(shí)代碼生成策略。Ilogix公司提供的Rhapsody是一個(gè)基于UML支持實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)全過(guò)程面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)的CASE工具。Rhapsody基于一個(gè)內(nèi)置的實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件框架―OXF生成C/C++代碼。

1 Rhapsody的軟件框架

Rhapsody的OXF框架專(zhuān)為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì),它由一系列UML類(lèi)組成。這些類(lèi)相互協(xié)作,組成了一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)整、跨實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件架構(gòu)。

(1)活動(dòng)類(lèi)

活動(dòng)對(duì)象(Active Object)在UML中被定義為“擁有一個(gè)線(xiàn)程并能夠發(fā)起控制活動(dòng)的對(duì)象”。Rhapsody給這個(gè)一般定義賦予了具體含義,如圖1所示。

活動(dòng)類(lèi)(Active Classes)在框架中以O(shè)XFActive表示,它擁有一個(gè)執(zhí)行線(xiàn)程和一個(gè)事件隊(duì)列,并提供事件調(diào)度功能。用戶(hù)活動(dòng)類(lèi)從OXFActive繼承。

該活動(dòng)類(lèi)包裝了實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的事件調(diào)度器。Execute方法是一個(gè)無(wú)限循環(huán)。在循環(huán)中,事件被不斷地從隊(duì)列中提取出來(lái),發(fā)往對(duì)應(yīng)的目標(biāo)對(duì)象。QueueEvent和schedTimeout方法向隊(duì)列注入新的事件。

(2)響應(yīng)類(lèi)

響應(yīng)類(lèi)(Reactive Classes)是能夠?qū)κ录龀龇磻?yīng)的框架類(lèi),即事件消費(fèi)者。它在Rhapsody的框架中以O(shè)XFReactive表示,用戶(hù)響應(yīng)類(lèi)從OXFReactive繼承,如圖2所示。

圖2 響應(yīng)類(lèi)及相關(guān)框架元素

每個(gè)響應(yīng)類(lèi)都和一個(gè)事件管理器關(guān)聯(lián)(通過(guò)調(diào)用setEventManager方法),事件管理器由活動(dòng)類(lèi)充當(dāng)。一個(gè)事件管理器可以服務(wù)于多個(gè)響應(yīng)類(lèi)。響應(yīng)類(lèi)的gen方法向其事件管理器注入一個(gè)新的事件(通過(guò)調(diào)用活動(dòng)類(lèi)的queueEvent方法)。事件管理器在收到事件之后會(huì)調(diào)用相應(yīng)的響應(yīng)對(duì)象(由事件的屬性指出)的takeEvent方法。

用戶(hù)響應(yīng)類(lèi)有主動(dòng)(active)、被動(dòng)(passive)和從屬(subordinate)響應(yīng)類(lèi)之分:

*主動(dòng)用戶(hù)響應(yīng)類(lèi)利用了多重繼承技術(shù),它集事件管理器和響應(yīng)類(lèi)雙得功能于一身;

*被動(dòng)用戶(hù)響應(yīng)類(lèi)由框架的缺省事件管理器―OXFDefaultEventManager管理,且所有被動(dòng)用戶(hù)響應(yīng)類(lèi)都共享該缺省事件管理器;

*從屬用戶(hù)響應(yīng)類(lèi)由用戶(hù)定義的活動(dòng)類(lèi)充當(dāng)事件管理器。從屬響應(yīng)類(lèi)以聚合方式存在于用戶(hù)活動(dòng)類(lèi)內(nèi),或者獨(dú)立于活動(dòng)類(lèi),而通過(guò)調(diào)用setEventManager方法與一個(gè)用戶(hù)活動(dòng)關(guān)聯(lián)。

(3)事件和操作

類(lèi)可以定義自己的事件和操作(Events and Operations)方法。事件代表一種突發(fā)的激勵(lì)信號(hào),可以影響對(duì)象的行為及狀態(tài)。在Rhapsody中,活動(dòng)類(lèi)負(fù)責(zé)事件調(diào)度。事件既可以異步(活動(dòng)類(lèi)將事件投遞給目標(biāo)對(duì)象之后立即返回,目標(biāo)對(duì)象使用自己的線(xiàn)程完成對(duì)事件的響應(yīng)),也可以是同步的(活動(dòng)類(lèi)投遞事件之后必須等待目標(biāo)對(duì)象處理完成才能返回)。操作代表類(lèi)本身提供的服務(wù)和功能。操作調(diào)用總是同步的,即操作總是運(yùn)行在調(diào)用者線(xiàn)程之內(nèi)。Rhapsody的框架定義了兩種事件:

①信號(hào)事件。

信號(hào)事件(Signal Events)是最常用的事件,它代表對(duì)象之間傳遞的一種異步激勵(lì)信號(hào)。在Rhapsody的框架中,它以O(shè)XFEvent表示,所有的用戶(hù)事件類(lèi)都從OXFEvent繼承。

信號(hào)事件有自己的參數(shù)(以其屬性表示),并且和一個(gè)響應(yīng)對(duì)象關(guān)聯(lián)。事件管理器依據(jù)事件的響應(yīng)對(duì)象判斷事件的接收者。

②定時(shí)事件

定時(shí)事件(Timeout Events)在Rhapsody中以O(shè)XFTimeOut表示。它在OXF框架中的位置如圖3所示。

事件管理器(活動(dòng)對(duì)象)的schedTimeout方法負(fù)責(zé)定時(shí)事件的構(gòu)造和調(diào)度。其執(zhí)行過(guò)程如圖4所示。

圖3 定時(shí)事件及相關(guān)框架元素

事件管理器創(chuàng)建一個(gè)OXFTimeout對(duì)象并將其交由一個(gè)定時(shí)管理器管理。定時(shí)管理器可以管理多個(gè)定時(shí)事件,它運(yùn)行于自己的獨(dú)立線(xiàn)程內(nèi)且聚合了一個(gè)定時(shí)器對(duì)象。定時(shí)器對(duì)象每衛(wèi)固定的時(shí)間片會(huì)向定時(shí)管理器發(fā)通知信號(hào),這時(shí)定時(shí)管理器檢查它管理的定時(shí)事件集合中是否有定時(shí)事件到時(shí),并將到時(shí)的定時(shí)事件添加到事件管理器(活動(dòng)對(duì)象)的事件隊(duì)列中(通過(guò)調(diào)用queueEvent),之后事件管理器再將這些定時(shí)事件投遞給對(duì)應(yīng)的響應(yīng)對(duì)象。定時(shí)事件本身是被動(dòng)的,它不包含定時(shí)器。

(4)狀態(tài)機(jī)

Rhapsody支持UML狀態(tài)機(jī)(State Machines),包括層次狀態(tài)分解、帶參事件、定時(shí)事件、偽狀態(tài)、完成轉(zhuǎn)移、入口和出口動(dòng)作等功能。Rhapsody也包含了UML中定義的異步事件處理模型:帶有狀態(tài)圖的類(lèi)都是響應(yīng)類(lèi),因此都與一個(gè)事件管理器(活動(dòng)類(lèi))關(guān)聯(lián)。事件管理器使用一個(gè)隊(duì)列緩沖收到的事件,然后將事件投遞給響應(yīng)對(duì)象。響應(yīng)對(duì)象按照狀態(tài)圖處理收到的事件。

OXF框架使用OXFEvent Consumer、OXFState、OXFLeafState等實(shí)現(xiàn)UML狀態(tài)機(jī)的語(yǔ)義。限于篇幅,本文對(duì)此不作介紹。

(5)并發(fā)控制

Rhapsody的OXF框架使用如下兩個(gè)類(lèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)資源的并發(fā)控制(Concurrency Control)。

*OXFOSMutex:包裝了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的互斥量對(duì)象,支持lock()和free()操作?;コ饬坑糜诠芾愍?dú)占性資源。

*OXFOSSemaphore:包裝了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)量對(duì)象,支持wait()和signal()操作。信號(hào)量用于管理共享資源。

UML類(lèi)的方法可以聲明為guarded。這時(shí)類(lèi)被稱(chēng)為protected。protected類(lèi)用于對(duì)獨(dú)占性資源進(jìn)行建模,在任何時(shí)刻只可有一份guarded方法執(zhí)行,OXF框架以O(shè)XFProtected定義UML protected類(lèi),它充當(dāng)所有用戶(hù)protected類(lèi)的父類(lèi)。

(6)模型的調(diào)試及分析

Rhapsody允許用戶(hù)單步執(zhí)行狀態(tài)圖和順序圖以驗(yàn)證系統(tǒng)的功能和邏輯。系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程中,對(duì)象的方法調(diào)用和狀態(tài)改變都可以在模型圖上以動(dòng)畫(huà)的形式表現(xiàn)出來(lái)。

除了功能和邏輯上的正確性之外,實(shí)時(shí)系統(tǒng)還對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求。對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試稱(chēng)為調(diào)度性分析,主要使用兩種方法。

①經(jīng)驗(yàn)法:給系統(tǒng)注入實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù),然后測(cè)量系統(tǒng)的相應(yīng)性能。

②理論分析:為系統(tǒng)模塊設(shè)定足夠的時(shí)間信息,然后用數(shù)學(xué)方法計(jì)算系統(tǒng)的整體相應(yīng)性能。此方法通常需借助專(zhuān)用的軟件工具完成。

圖4 定時(shí)事件的調(diào)度和投遞

Rhapsody支持基于經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度性分析。用戶(hù)需要為對(duì)象方法設(shè)定估計(jì)的執(zhí)行時(shí)間,并編寫(xiě)一個(gè)驅(qū)動(dòng)腳本或狀態(tài)圖以模擬系統(tǒng)的觸發(fā)事件。驅(qū)動(dòng)腳本和狀態(tài)圖啟動(dòng)之后,Rhapsody會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間參數(shù)和程序邏輯運(yùn)行模型并輸出詳細(xì)的執(zhí)行過(guò)程報(bào)表。用戶(hù)通過(guò)檢查執(zhí)行報(bào)表判斷系統(tǒng)是否滿(mǎn)足要求的響應(yīng)性能。Rhapsody也允許用戶(hù)在目標(biāo)硬件系統(tǒng)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)腳本或狀態(tài)圖,以獲得最準(zhǔn)確的執(zhí)行時(shí)間報(bào)表。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)越來(lái)越復(fù)雜,因此有必要對(duì)嵌入式項(xiàng)目實(shí)施嚴(yán)格的軟件工程管理。UML已成為復(fù)雜系統(tǒng)建模的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其狀態(tài)機(jī)模型與實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)極好地對(duì)應(yīng),且便于借助CASE工具實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成,能夠極大地提高實(shí)時(shí)嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)效率和項(xiàng)目可管理性。

Ilogix公司的Rhapsody工具便是一種支持實(shí)時(shí)UML標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)軟件工具,它基于內(nèi)置的OXF框架實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)到代碼自動(dòng)生成的開(kāi)發(fā)過(guò)程自動(dòng)化。OXF框架是面向?qū)ο蠛涂鏡TOS平臺(tái)的,它很好地將UML的概念移植到實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中來(lái),為嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了清晰的結(jié)構(gòu)以及可復(fù)用的軟件模塊,能夠切實(shí)提高實(shí)時(shí)嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)效率和可維護(hù)性。


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