摘 要： 根據(jù)嵌入式系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)和發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種新的嵌入式軟件組件模型SECOM,，給出了模型的基本組成元素,。同時(shí)，利用時(shí)間Petri網(wǎng)TPN建立一個(gè)TPN計(jì)時(shí)器timer,，對(duì)該組件模型SECOM非功能性約束中的實(shí)時(shí)性進(jìn)行建模與分析, 形式化地驗(yàn)證了該組件的實(shí)時(shí)性,。
關(guān)鍵詞： Petri網(wǎng)；TPN,；組件,；非功能性約束
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隨著科技的發(fā)展，大多數(shù)的電子系統(tǒng)和產(chǎn)品含有特定的硬件器件和功能模塊,，顯然這些系統(tǒng)是多種類,、嵌入式的。嵌入式的軟/硬件設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜工作,，為了滿足系統(tǒng)的可靠性,、運(yùn)行效果、內(nèi)存受限等要求,，嵌入式系統(tǒng)除了需要實(shí)現(xiàn)功能需求外,，非功能性的約束(Non-functional constraints)也是非常重要的。非功能性約束包括實(shí)時(shí)性,、程序性能,、穩(wěn)定性、可靠性,、安全性,、內(nèi)存限制、存儲(chǔ)空間限制等[1-2],。對(duì)于非功能性約束的考慮方法可以分為兩大類：面向過(guò)程(process-oriented)的方法和面向產(chǎn)品的方法(product-oriented),。面向過(guò)程的方法，指使用非功能性約束信息指導(dǎo)軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程,。面向產(chǎn)品的方法,，指在組件內(nèi)部描述非功能性約束信息，并檢查組件構(gòu)成的產(chǎn)品的非功能性約束信息判斷軟件是否滿足要求的非功能性約束。本文中使用面向產(chǎn)品的方法對(duì)嵌入式組件模型SECOM(Simple Embedded Component Object Model)的非功能性約束進(jìn)行分析,，在組件內(nèi)部采用Petri網(wǎng)方法描述非功能性約束信息,。
1 時(shí)間Petri網(wǎng)
Petri網(wǎng)是一種可用圖形表示的組合模型,具有直觀、易懂和易用的優(yōu)點(diǎn),可用于模擬帶有并發(fā)性,、異步性,、分布式、非確定性,、并行性等特性的系統(tǒng),。而用時(shí)間Petri網(wǎng)[3-4](簡(jiǎn)稱時(shí)間網(wǎng)TPN)建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，可進(jìn)一步將系統(tǒng)中事件從發(fā)生到結(jié)束所需的時(shí)間描述出來(lái),。
時(shí)間網(wǎng)TPN中表示事件的持續(xù)時(shí)間的方法有兩種：一種是將各事件的持續(xù)時(shí)間標(biāo)在庫(kù)所的旁邊,，表示庫(kù)所中產(chǎn)生的托肯要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能參與網(wǎng)中的運(yùn)行,；另一種方法是將時(shí)間標(biāo)注在變遷的旁邊,，表示當(dāng)該變遷具有發(fā)生條件時(shí)要延遲一段時(shí)間后才能發(fā)生，或該變遷發(fā)生后,，立即從相應(yīng)的輸入庫(kù)所中移走相應(yīng)的托肯,，但要延遲一段時(shí)間后才在相應(yīng)的輸出庫(kù)所中產(chǎn)生相應(yīng)的托肯[5-6]。在下面的時(shí)間P/T網(wǎng)定義中采用的是后一種方法,。
定義1：當(dāng)某一變遷的發(fā)生條件滿足時(shí),，若該變遷要延遲一段時(shí)間后才從相應(yīng)的輸入庫(kù)所中移走相應(yīng)的托肯并得到發(fā)生后果，或該變遷發(fā)生后,，立即從相應(yīng)的輸入庫(kù)所中移走相應(yīng)的托肯,，但要延遲一段時(shí)間后才得到發(fā)生后果，則稱這樣的變遷為時(shí)間變遷,。
定義2：當(dāng)某一變遷的發(fā)生條件滿足時(shí),，若該變遷立即從相應(yīng)的輸入庫(kù)所中移走相應(yīng)的托肯，且立即得到發(fā)生后果,，則稱這樣的變遷為立即變遷,。
在時(shí)間P/T網(wǎng)的圖形表示中約定，用矩形框表示時(shí)間變遷,，用黑線表示立即變遷,。下面是時(shí)間P/T網(wǎng)模型的形式化定義。
根據(jù)延遲時(shí)間是一個(gè)固定值還是一個(gè)區(qū)間值,，TPN還可分為固定延遲時(shí)間P/T網(wǎng)和不固定延遲時(shí)間P/T網(wǎng),。在固定延遲時(shí)間P/T網(wǎng)中，對(duì)于任意的變遷t∈T1,，都有一個(gè)非負(fù)的實(shí)數(shù)r與之相對(duì)應(yīng),，使得變遷t的延遲時(shí)間為r。在不固定延遲時(shí)間P/T網(wǎng)中，對(duì)于任意的變遷t∈T1,，都有一個(gè)對(duì)偶[Bcet,，Wcet]與之相對(duì)應(yīng)(Bcet≥0，Wcet≥0),，使得若在a時(shí),，t的發(fā)生條件成立，則t可在時(shí)間區(qū)間[a+Bcet,，a+Wcet]內(nèi)執(zhí)行,，即t有效時(shí)，其相應(yīng)的輸入庫(kù)所中的托肯將至少保留Bcet s,，直至(a+Wcet) s時(shí)才移出,，或t有效時(shí)，其相應(yīng)的輸入庫(kù)所中的托肯立即移出,，但將至少保持Bcet s,，直至(a+Wcet) s時(shí)才產(chǎn)生后繼標(biāo)識(shí)，本文中將采用第一種方式,。
2 SECOM組件模型
基于嵌入式系統(tǒng)高度可裁剪性,、資源受限的特點(diǎn)和對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀的分析[6]，本文給出一種新的,、基于源代碼復(fù)用的,、精簡(jiǎn)的嵌入式組件模型SECOM。該組件模型包含以下元素：
(1)瘦組件：SECOM組件是設(shè)計(jì),、開(kāi)發(fā),、重用的單元，是程序的基本組成塊,，是在完成基本功能前提下的極小化,，所以稱之為“瘦組件”。組件與接口相互獨(dú)立,，是接口功能的具體實(shí)現(xiàn)者,。組件之間通過(guò)接口通信，互相協(xié)作完成軟件功能,。組件的定義是可遞歸的,。
(2)簡(jiǎn)接口：接口用來(lái)定義功能函數(shù)，是一組相關(guān)函數(shù)的集合,，分離了瘦組件的定義與實(shí)現(xiàn),，徹底消除了接口調(diào)用者和實(shí)現(xiàn)者之間的耦合關(guān)系，增強(qiáng)了信息封裝性,。接口具有唯一性,、不變性,、繼承性和多態(tài)性。同一接口在不同組件內(nèi)有不同的實(shí)現(xiàn)方式,。接口分為兩類：①服務(wù)接口(Provide Interface),，接口所在組件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了此接口類型的功能，可以向組件外部提供服務(wù),；②請(qǐng)求接口（Require Interface）,，接口所在組件內(nèi)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)此接口的功能，組件需要向外部請(qǐng)求此接口的實(shí)現(xiàn),。
(3)靈敏橋接器：橋接器完成接口之間的連接,。根據(jù)現(xiàn)有條件的不同，采取不同的連接模式,。連接模式有：直接連接(connecting),，選擇連接(selecting)和代碼塊粘連(gluing)。接口之間的消息交換是通過(guò)一個(gè)橋接器連接兩個(gè)或更多的接口實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)[7-9],。組件模型類圖如圖1所示,。
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3 建模實(shí)時(shí)分析
嵌入式系統(tǒng)通常都是強(qiáng)實(shí)時(shí)性的，為了對(duì)實(shí)時(shí)性更有效地建模和分析,，首先建立一個(gè)如圖2所示的TPN計(jì)時(shí)器timer,，其中T1是一個(gè)時(shí)間變遷，延遲時(shí)間是一個(gè)固定值r,，且r=Wcet。經(jīng)過(guò)時(shí)間r s后,，P01中的托肯才會(huì)移出,，P02中則會(huì)出現(xiàn)托肯；否則,，當(dāng)小于時(shí)間r,，并且有其他條件滿足時(shí)，finish變遷會(huì)發(fā)生,。
下面對(duì)SECOM組件模型進(jìn)行實(shí)時(shí)建模分析,。圖3中圓圈表示組件狀態(tài)，timer是前面利用TPN建立的計(jì)時(shí)器,。其中M0={1,，0，0,，0,，…}是初始標(biāo)識(shí)；P={P1,，P2,，…,，P3，P4,，P5}是一個(gè)有限庫(kù)所集,；P1：接收其他組件訪問(wèn)該組件的一個(gè)請(qǐng)求require；P2：該組件處于連接和開(kāi)始工作狀態(tài),；P3：該組件處于工作結(jié)束狀態(tài),；P4：請(qǐng)求得到響應(yīng)后返回成功信息；P5：請(qǐng)求得不到響應(yīng),，返回錯(cuò)誤信息,。
T={t1，t2,，t3,，t4}是一個(gè)有限變遷集，t1：請(qǐng)求P1經(jīng)過(guò)變遷t1連接要訪問(wèn)的組件,，同時(shí)激發(fā)計(jì)時(shí)器timer開(kāi)始計(jì)時(shí),；t2：這是一個(gè)時(shí)間變遷，延遲時(shí)間是一個(gè)區(qū)間值[Bcet,，Wcet],，至少經(jīng)過(guò)時(shí)間Bcet s，P2中的托肯才會(huì)移出,，則P3中經(jīng)過(guò)至少Bcet s時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)托肯,；t3：當(dāng)t2的變遷時(shí)間小于等于Wcet時(shí)間時(shí)，庫(kù)所P3和計(jì)時(shí)器中的庫(kù)所P01都擁有托肯,，則變遷t3的發(fā)生條件滿足,，即t3變遷發(fā)生，返回結(jié)果,；t4：當(dāng)t2的變遷時(shí)間大于Wcet時(shí)間時(shí),，計(jì)時(shí)器中的P02中擁有托肯，則變遷t4會(huì)發(fā)生,，返回失敗消息,。
以上是對(duì)一個(gè)基本組件的實(shí)時(shí)建模。從P1狀態(tài)經(jīng)過(guò)P2和P3到達(dá)P4狀態(tài),，表明了該組件從收到請(qǐng)求,、建立連接開(kāi)始工作到結(jié)束工作，返回成功信息,。而從P1狀態(tài)不經(jīng)過(guò)P2和P3到達(dá)P5狀態(tài),，則說(shuō)明請(qǐng)求未能得到滿足，返回錯(cuò)誤信息,。在SECOM模型中,，t2變遷發(fā)生的時(shí)間處于[Bcet,，Wcet]區(qū)間，從而說(shuō)明該組件模型滿足實(shí)時(shí)性的要求,。
當(dāng)訪問(wèn)一個(gè)不太復(fù)雜的復(fù)合組件時(shí),，有些訪問(wèn)子組件步驟之間會(huì)出現(xiàn)順序問(wèn)題，即會(huì)出現(xiàn)同步問(wèn)題,，因而需采取措施防止沖突發(fā)生,。所采取的措施為：在兩個(gè)請(qǐng)求之間加入一個(gè)控制庫(kù)所P00，由它來(lái)控制訪問(wèn)的次序,。從P11到t21的虛邊體現(xiàn)了require1比require2有優(yōu)先權(quán)：非空的P11阻止了t21的點(diǎn)火,，其Petri網(wǎng)模型如圖4所示。
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對(duì)復(fù)合組件的分析,，比較簡(jiǎn)單的方法就是將每一個(gè)子組件作為一個(gè)子網(wǎng)連接起來(lái),，循環(huán)執(zhí)行。當(dāng)訪問(wèn)一個(gè)非常復(fù)雜的復(fù)合組件,、甚至整個(gè)系統(tǒng)時(shí),，調(diào)度任務(wù)繁瑣，可以考慮引進(jìn)一個(gè)單獨(dú)的調(diào)度決策,，由它完成對(duì)所有子組件的調(diào)度,。
本文根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種新的,、簡(jiǎn)單的嵌入式組件模型SECOM,，給出了模型的基本組成元素。同時(shí),，引入了時(shí)間Petri網(wǎng),，并使用時(shí)間Petri網(wǎng)TPN，建立了一個(gè)TPN計(jì)時(shí)器timer,，利用其對(duì)該組件模型SECOM非功能性約束中的實(shí)時(shí)性進(jìn)行建模與分析，從而形式化地驗(yàn)證了該組件具有很好的實(shí)時(shí)性,。
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