將擴展UML與Petri網(wǎng)應用在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中

將擴展UML與Petri網(wǎng)應用在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中2嵌入式系統(tǒng),UML,Petri網(wǎng)的介紹3時間約束Petri網(wǎng)和擴展UML相結(jié)合1研究背景4應用實例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)遠遠不能適應新的要求，需要借助UML強大的系統(tǒng)設(shè)計能力來解決效率低下的問題，但是標準UML在多系統(tǒng)級任務并發(fā)，任務之間同步、系統(tǒng)仿真以及實時性方面沒有提供足夠的支持，很難直接應用到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中。本文研究了一種將時間約束Petri網(wǎng)和擴展UML相結(jié)合的方法，通過利用Petri描述異步性和并發(fā)性的能力來擴展UML的構(gòu)造型和流程圖，通過將UML轉(zhuǎn)化為Petri圖，進而可以利用Petri強大的理論體系來驗證UML的正確性。2.1嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)(embeddedsystem)是嵌入到目標應用系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)，是集計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導體技術(shù)、傳感器技術(shù)等先進技術(shù)為一體的后PC時代標志性的產(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)等各個行業(yè)不可缺少的科技力量。然而伴隨著嵌入式應用的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的復雜性、不確定性以及系統(tǒng)規(guī)模不斷地擴大，傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)和設(shè)計已經(jīng)遠遠不能適應新的要求，各國的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計專家也展開了各種各樣的研究并已達成一個共識：復雜實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需要充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的強大系統(tǒng)設(shè)計能力。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、時序圖、協(xié)作圖、活動圖、狀態(tài)圖、組件圖和配置圖以不同的設(shè)計角度提供系統(tǒng)建模的完整細節(jié)。UML的產(chǎn)生是為了解決20世紀六七十年代軟件產(chǎn)業(yè)遇到的一次危機，危機原因就是軟件越來越龐大和復雜，而軟件的質(zhì)量和生產(chǎn)率卻越來越低。UML標準的出現(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的功能如此強大，在軟件領(lǐng)域也取得了巨大的成就，但是標準UML卻很難直接應用到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中。UML對多系統(tǒng)級任務并發(fā)，任務之間同步、系統(tǒng)仿真以及實時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，所以直接導致在實際的嵌入式系統(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證和保證。

2.3Petri

Petri網(wǎng)是是對離散并行系統(tǒng)的數(shù)學表示，適合于描述異步的、并發(fā)的計算機系統(tǒng)模型。Petri網(wǎng)有嚴格的定義、數(shù)學表述式及一整套嚴謹?shù)睦碚擉w系，為計算機科學提供堅實的概念基礎(chǔ)，也為利用Petri網(wǎng)的特性來擴展UML提供了可能。3時間約束Petri網(wǎng)和擴展UML相結(jié)合3.1利用Petri網(wǎng)擴展UML構(gòu)造型將時間約束Petri網(wǎng)和擴展UML相結(jié)合并應用到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的方法。它主要包括兩個方面，一是利用Petri描述異步和并發(fā)性的能力來擴展UML的構(gòu)造型和流程圖，另一方面是將UML轉(zhuǎn)化為Petri圖，進而可以利用Petri強大的數(shù)學理論體系來驗證UML的正確性。利用Petri網(wǎng)庫所和變遷的性質(zhì)，可以很好地擴展和描述UML的狀態(tài)和事件；利用多個變遷都有被允許的可能，但同一時刻只能有一個變遷發(fā)生，來對應和描述UML中的并發(fā)性；利用令牌的轉(zhuǎn)移來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。為了更準確地描述嵌入式系統(tǒng)的時間特性，在傳統(tǒng)Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上再引入時間因子，進而可以支持系統(tǒng)對實時性的要求。根據(jù)對Petri以上特性的研究，本文利用UML的擴展機制，擴展了UML的構(gòu)造型元素：描述并發(fā)機制的消息隊列、控制共享資源和任務同步的信號量、描述任務之間關(guān)系的關(guān)聯(lián)標志、描述任務之間實時性的時間約束。如圖1所示。(1)消息隊列。用于任務和中斷服務程序發(fā)送和接受消息的建模。消息隊列可以實現(xiàn)帶數(shù)據(jù)的通信和同步，暫時保持來自一個發(fā)送者的消息，直到有意的接受者準備讀這些消息。消息隊列把發(fā)送任務和接收任務分隔開，同時釋放發(fā)送和接收消息的任務。(2)信號量。用于控制共享資源的使用權(quán)、兩個任務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任務行為同步。(3)關(guān)系標志。用于控制任務與多個事件同步的建模。關(guān)系標志有兩種類型：獨立型和關(guān)聯(lián)型。獨立型用于任務與任何事件之一發(fā)生同步的建模，在圖標中用“OR”標識，關(guān)聯(lián)型在圖標中用“AND”標識，用于任若干事件都發(fā)生了同步的建模。(4)時間約束。用于系統(tǒng)實時性的建模。規(guī)定對一個任務輸入消息的時間與輸出消息的時間的差值滿足預訂的要求，并且可以描述不同任務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)計系統(tǒng)的UML狀態(tài)圖，準確地描述嵌入式實時系統(tǒng)任務間并發(fā)執(zhí)行的動態(tài)關(guān)系，進而完成系統(tǒng)設(shè)計的各個細節(jié)3.2UML向Petri網(wǎng)的轉(zhuǎn)化通過以上擴展的構(gòu)造型可以設(shè)計系統(tǒng)的UML狀態(tài)圖，但UML不能提供模型驗證，而Petri網(wǎng)已經(jīng)有一套完整的體系包括公式、數(shù)學模型、分析模型來驗證所建造的模型，通過將UML模型轉(zhuǎn)化為Petri網(wǎng)模型，然后對Petri網(wǎng)模型的分析驗證，可以找出系統(tǒng)設(shè)計的缺陷，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)來進行模型驗證，進而進一步修改和完善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：在進入和退出狀態(tài)時所執(zhí)行的操作；在不使狀態(tài)發(fā)生變更的情況下進行的轉(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，一種布爾表達式，在接收到事件觸發(fā)器而觸發(fā)轉(zhuǎn)移時，將對該表達式求值；操作，指可執(zhí)行的、不可分割的計算過程，該計算可能直接作用于擁有狀態(tài)機的對象，也可能間接作用于該對象可見的其他對象；目標狀態(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，一個流程有當前狀態(tài)、可達狀態(tài)、不可達狀態(tài)。將UML轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)時，狀態(tài)圖的狀態(tài)對應Petri網(wǎng)的庫所，狀態(tài)圖的遷移對應Petri的變遷，遷移的警戒條件對應變遷的發(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導致狀態(tài)的遷移，所以忽略處理。4應用實例

現(xiàn)在以一個智能生化分析系統(tǒng)為例來說明利用這種擴展UML來設(shè)計系統(tǒng)，并將設(shè)計好的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準樣體的所有配置，并可完成自動分析過程。其UML設(shè)計如圖2所示。

分析測定之前要進行標準樣體的配置，根據(jù)其配置進行標準樣體的校正處理，而接受被分析對象和測定設(shè)置的工作也可同步進行，但是校正分析和接受樣體的處理需要受到實時性制約，然后進行分析測定，最后輸出分析結(jié)果。本系統(tǒng)可以同時檢測多個樣體，所以可以使用消息隊列來進行信號的傳遞。整個處理過程中，每個處理的發(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。