將擴(kuò)展UML與Petri網(wǎng)應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中

將擴(kuò)展UML與Petri網(wǎng)應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中2嵌入式系統(tǒng),UML,Petri網(wǎng)的介紹3時(shí)間約束Petri網(wǎng)和擴(kuò)展UML相結(jié)合1研究背景4應(yīng)用實(shí)例1研究背景

隨著嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)新的要求，需要借助UML強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力來解決效率低下的問題，但是標(biāo)準(zhǔn)UML在多系統(tǒng)級任務(wù)并發(fā)，任務(wù)之間同步、系統(tǒng)仿真以及實(shí)時(shí)性方面沒有提供足夠的支持，很難直接應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。本文研究了一種將時(shí)間約束Petri網(wǎng)和擴(kuò)展UML相結(jié)合的方法，通過利用Petri描述異步性和并發(fā)性的能力來擴(kuò)展UML的構(gòu)造型和流程圖，通過將UML轉(zhuǎn)化為Petri圖，進(jìn)而可以利用Petri強(qiáng)大的理論體系來驗(yàn)證UML的正確性。2.1嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)(embeddedsystem)是嵌入到目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、傳感器技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為一體的后PC時(shí)代標(biāo)志性的產(chǎn)物，存在于各種常見的電子設(shè)備、家用電器、通信設(shè)備以及醫(yī)療器械中，已成為國防、汽車、電力、制造業(yè)等各個(gè)行業(yè)不可缺少的科技力量。然而伴隨著嵌入式應(yīng)用的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性以及系統(tǒng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)和設(shè)計(jì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)新的要求，各國的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)專家也展開了各種各樣的研究并已達(dá)成一個(gè)共識：復(fù)雜實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的強(qiáng)大系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。2嵌入式系統(tǒng),UML,Petri網(wǎng)的介紹2.2UML

UML，即統(tǒng)一建模語言，是面向?qū)ο蠛突跇?gòu)件的軟件系統(tǒng)建模工具語言，通過用例圖、類圖、對象圖、時(shí)序圖、協(xié)作圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)圖、組件圖和配置圖以不同的設(shè)計(jì)角度提供系統(tǒng)建模的完整細(xì)節(jié)。UML的產(chǎn)生是為了解決20世紀(jì)六七十年代軟件產(chǎn)業(yè)遇到的一次危機(jī)，危機(jī)原因就是軟件越來越龐大和復(fù)雜，而軟件的質(zhì)量和生產(chǎn)率卻越來越低。UML標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)與發(fā)展，使得軟件開發(fā)的規(guī)范化和效率都得到了很大提高。雖然UML的功能如此強(qiáng)大，在軟件領(lǐng)域也取得了巨大的成就，但是標(biāo)準(zhǔn)UML卻很難直接應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。UML對多系統(tǒng)級任務(wù)并發(fā)，任務(wù)之間同步、系統(tǒng)仿真以及實(shí)時(shí)性方面的描述都沒有提供足夠的支持，而這些內(nèi)容恰恰是嵌入式系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)，所以直接導(dǎo)致在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)中UML模型很難被構(gòu)建。即使構(gòu)建出模型，其正確性也很難得到驗(yàn)證和保證。

2.3Petri

Petri網(wǎng)是是對離散并行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表示，適合于描述異步的、并發(fā)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型。Petri網(wǎng)有嚴(yán)格的定義、數(shù)學(xué)表述式及一整套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擉w系，為計(jì)算機(jī)科學(xué)提供堅(jiān)實(shí)的概念基礎(chǔ)，也為利用Petri網(wǎng)的特性來擴(kuò)展UML提供了可能。3時(shí)間約束Petri網(wǎng)和擴(kuò)展UML相結(jié)合3.1利用Petri網(wǎng)擴(kuò)展UML構(gòu)造型將時(shí)間約束Petri網(wǎng)和擴(kuò)展UML相結(jié)合并應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。它主要包括兩個(gè)方面，一是利用Petri描述異步和并發(fā)性的能力來擴(kuò)展UML的構(gòu)造型和流程圖，另一方面是將UML轉(zhuǎn)化為Petri圖，進(jìn)而可以利用Petri強(qiáng)大的數(shù)學(xué)理論體系來驗(yàn)證UML的正確性。利用Petri網(wǎng)庫所和變遷的性質(zhì)，可以很好地?cái)U(kuò)展和描述UML的狀態(tài)和事件；利用多個(gè)變遷都有被允許的可能，但同一時(shí)刻只能有一個(gè)變遷發(fā)生，來對應(yīng)和描述UML中的并發(fā)性；利用令牌的轉(zhuǎn)移來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。為了更準(zhǔn)確地描述嵌入式系統(tǒng)的時(shí)間特性，在傳統(tǒng)Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上再引入時(shí)間因子，進(jìn)而可以支持系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。根據(jù)對Petri以上特性的研究，本文利用UML的擴(kuò)展機(jī)制，擴(kuò)展了UML的構(gòu)造型元素：描述并發(fā)機(jī)制的消息隊(duì)列、控制共享資源和任務(wù)同步的信號量、描述任務(wù)之間關(guān)系的關(guān)聯(lián)標(biāo)志、描述任務(wù)之間實(shí)時(shí)性的時(shí)間約束。如圖1所示。(1)消息隊(duì)列。用于任務(wù)和中斷服務(wù)程序發(fā)送和接受消息的建模。消息隊(duì)列可以實(shí)現(xiàn)帶數(shù)據(jù)的通信和同步，暫時(shí)保持來自一個(gè)發(fā)送者的消息，直到有意的接受者準(zhǔn)備讀這些消息。消息隊(duì)列把發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)分隔開，同時(shí)釋放發(fā)送和接收消息的任務(wù)。(2)信號量。用于控制共享資源的使用權(quán)、兩個(gè)任務(wù)的行為同步以及事件的發(fā)生的建模。信號量可以控制多個(gè)任務(wù)行為同步。(3)關(guān)系標(biāo)志。用于控制任務(wù)與多個(gè)事件同步的建模。關(guān)系標(biāo)志有兩種類型：獨(dú)立型和關(guān)聯(lián)型。獨(dú)立型用于任務(wù)與任何事件之一發(fā)生同步的建模，在圖標(biāo)中用“OR”標(biāo)識，關(guān)聯(lián)型在圖標(biāo)中用“AND”標(biāo)識，用于任若干事件都發(fā)生了同步的建模。(4)時(shí)間約束。用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的建模。規(guī)定對一個(gè)任務(wù)輸入消息的時(shí)間與輸出消息的時(shí)間的差值滿足預(yù)訂的要求，并且可以描述不同任務(wù)之間對同步的特殊要求。利用以上構(gòu)造的模型元素，可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的UML狀態(tài)圖，準(zhǔn)確地描述嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)間并發(fā)執(zhí)行的動(dòng)態(tài)關(guān)系，進(jìn)而完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)細(xì)節(jié)3.2UML向Petri網(wǎng)的轉(zhuǎn)化通過以上擴(kuò)展的構(gòu)造型可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的UML狀態(tài)圖，但UML不能提供模型驗(yàn)證，而Petri網(wǎng)已經(jīng)有一套完整的體系包括公式、數(shù)學(xué)模型、分析模型來驗(yàn)證所建造的模型，通過將UML模型轉(zhuǎn)化為Petri網(wǎng)模型，然后對Petri網(wǎng)模型的分析驗(yàn)證，可以找出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷，提高系統(tǒng)的正確性和安全性。因而可以將UML圖轉(zhuǎn)化成Petri網(wǎng)來進(jìn)行模型驗(yàn)證，進(jìn)而進(jìn)一步修改和完善UML圖。轉(zhuǎn)化的方法要從狀態(tài)圖和Petri網(wǎng)的構(gòu)成元素著手。狀態(tài)圖包括狀態(tài)和遷移。狀態(tài)的主要要素為：在進(jìn)入和退出狀態(tài)時(shí)所執(zhí)行的操作；在不使?fàn)顟B(tài)發(fā)生變更的情況下進(jìn)行的轉(zhuǎn)移，稱為內(nèi)部轉(zhuǎn)移；狀態(tài)的嵌套結(jié)構(gòu)，稱為子狀態(tài)；延遲的事件，是指未在該狀態(tài)中處理但被延遲處理的一系列事件。轉(zhuǎn)移的要素為：源狀態(tài)，指轉(zhuǎn)移所影響的狀態(tài)；事件觸發(fā)器，即使轉(zhuǎn)移滿足觸發(fā)條件的事件；警戒條件，一種布爾表達(dá)式，在接收到事件觸發(fā)器而觸發(fā)轉(zhuǎn)移時(shí)，將對該表達(dá)式求值；操作，指可執(zhí)行的、不可分割的計(jì)算過程，該計(jì)算可能直接作用于擁有狀態(tài)機(jī)的對象，也可能間接作用于該對象可見的其他對象；目標(biāo)狀態(tài)，完成轉(zhuǎn)移后被激活的狀態(tài)。Petri網(wǎng)的基本構(gòu)成元素是庫所、變遷、有向弧和令牌，一個(gè)流程有當(dāng)前狀態(tài)、可達(dá)狀態(tài)、不可達(dá)狀態(tài)。將UML轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)時(shí)，狀態(tài)圖的狀態(tài)對應(yīng)Petri網(wǎng)的庫所，狀態(tài)圖的遷移對應(yīng)Petri的變遷，遷移的警戒條件對應(yīng)變遷的發(fā)生條件。設(shè)置發(fā)送消息的庫所INP、接受消息的庫所OUTP、控制處理事件的庫所CEP，入口操作、出口操作和操作都各自產(chǎn)生一個(gè)事件發(fā)送給控制處理事件的庫所。內(nèi)部遷移和延遲事件不會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)的遷移，所以忽略處理。4應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)在以一個(gè)智能生化分析系統(tǒng)為例來說明利用這種擴(kuò)展UML來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并將設(shè)計(jì)好的UML圖轉(zhuǎn)化成Petri網(wǎng)的過程。智能生化分析系統(tǒng)可以管理被分析對象的樣體和各種測定用標(biāo)準(zhǔn)樣體的所有配置，并可完成自動(dòng)分析過程。其UML設(shè)計(jì)如圖2所示。

分析測定之前要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣體的配置，根據(jù)其配置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣體的校正處理，而接受被分析對象和測定設(shè)置的工作也可同步進(jìn)行，但是校正分析和接受樣體的處理需要受到實(shí)時(shí)性制約，然后進(jìn)行分析測定，最后輸出分析結(jié)果。本系統(tǒng)可以同時(shí)檢測多個(gè)樣體，所以可以使用消息隊(duì)列來進(jìn)行信號的傳遞。整個(gè)處理過程中，每個(gè)處理的發(fā)生和停止需要控制信號的控制，該信號為為互斥性同步信號，用信號量來傳遞。