使用Rhapsody軟件框架和UML的實時系統(tǒng)開發(fā)

摘要：UML已成為復(fù)雜系統(tǒng)建模的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并可借助代碼自動生成工具實現(xiàn)從分析到編碼的開發(fā)過程自動化。而實時系統(tǒng)的行為特征可以很好地用UML的狀態(tài)機(jī)表示，從而成為自動代碼生成、測試、分析和校驗的最佳選擇。Ilogix公司的Rhapsody是一個基于UML支持模型驅(qū)動開發(fā)的CASE工具，它使用一套為實時系統(tǒng)量身打造的軟件框架實現(xiàn)實時系統(tǒng)軟件的開發(fā)自動化。 關(guān)鍵詞：實時系統(tǒng) UML Rhapsody 狀態(tài)機(jī) 引言 面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計方法推崇抽象、可重用且易維護(hù)的設(shè)計模式。其中，一個普遍采用的做法是使用預(yù)定義的框架構(gòu)建復(fù)雜的軟件系統(tǒng)。在面向?qū)ο箢I(lǐng)域中，框架是指為某一具體應(yīng)用領(lǐng)域提供解決方案的類集。程序員使用繼承、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?；诳蚣艿能浖_發(fā)具有如下優(yōu)點： *由于重用了框架提供的代碼，目標(biāo)系統(tǒng)不必從頭寫起; *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; *框架的設(shè)計是開放的，因此可以通過子類化等技術(shù)定制和擴(kuò)展。 本文介紹Rhapsody的實時代碼生成策略。Ilogix公司提供的Rhapsody是一個基于UML支持實時嵌入式系統(tǒng)全過程面向?qū)ο箝_發(fā)的CASE 工具。Rhapsody基于一個內(nèi)置的實時系統(tǒng)軟件框架—OXF生成C/C++代碼。

1 Rhapsody的軟件框架 Rhapsody的OXF框架專為實時嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計，它由一系列UML類組成。這些類相互協(xié)作，組成了一個結(jié)構(gòu)嚴(yán)整、跨實時操作系統(tǒng)平臺的實時嵌入式軟件架構(gòu)。 (1)活動類 活動對象(Active Object)在UML中被定義為“擁有一個線程并能夠發(fā)起控制活動的對象”。Rhapsody給這個一般定義賦予了具體含義，如圖1所示。 活動類(Active Classes)在框架中以O(shè)XFActive表示，它擁有一個執(zhí)行線程和一個事件隊列，并提供事件調(diào)度功能。用戶活動類從OXFActive繼承。 該活動類包裝了實時系統(tǒng)中的事件調(diào)度器。Execute方法是一個無限循環(huán)。在循環(huán)中，事件被不斷地從隊列中提取出來，發(fā)往對應(yīng)的目標(biāo)對象。 QueueEvent和schedTimeout方法向隊列注入新的事件。 (2)響應(yīng)類 響應(yīng)類(Reactive Classes)是能夠?qū)κ录龀龇磻?yīng)的框架類，即事件消費(fèi)者。它在Rhapsody的框架中以O(shè)XFReactive表示，用戶響應(yīng)類從 OXFReactive繼承，如圖2所示。 圖2 響應(yīng)類及相關(guān)框架元素 每個響應(yīng)類都和一個事件管理器關(guān)聯(lián)(通過調(diào)用setEventManager方法)，事件管理器由活動類充當(dāng)。一個事件管理器可以服務(wù)于多個響應(yīng)類。響應(yīng)類的gen方法向其事件管理器注入一個新的事件(通過調(diào)用活動類的queueEvent方法)。事件管理器在收到事件之后會調(diào)用相應(yīng)的響應(yīng)對象(由事件的屬性指出)的takeEvent方法。 用戶響應(yīng)類有主動(active)、被動(passive)和從屬(subordinate)響應(yīng)類之分： *主動用戶響應(yīng)類利用了多重繼承技術(shù)，它集事件管理器和響應(yīng)類雙得功能于一身; *被動用戶響應(yīng)類由框架的缺省事件管理器—OXFDefaultEventManager管理，且所有被動用戶響應(yīng)類都共享該缺省事件管理器; *從屬用戶響應(yīng)類由用戶定義的活動類充當(dāng)事件管理器。從屬響應(yīng)類以聚合方式存在于用戶活動類內(nèi)，或者獨(dú)立于活動類，而通過調(diào)用 setEventManager方法與一個用戶活動關(guān)聯(lián)。 (3)事件和操作 類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)的激勵信號，可以影響對象的行為及狀態(tài)。在Rhapsody中，活動類負(fù)責(zé)事件調(diào)度。事件既可以異步(活動類將事件投遞給目標(biāo)對象之后立即返回，目標(biāo)對象使用自己的線程完成對事件的響應(yīng))，也可以是同步的(活動類投遞事件之后必須等待目標(biāo)對象處理完成才能返回)。操作代表類本身提供的服務(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)用者線程之內(nèi)。Rhapsody的框架定義了兩種事件： ①信號事件。 信號事件(Signal Events)是最常用的事件，它代表對象之間傳遞的一種異步激勵信號。在Rhapsody的框架中，它以O(shè)XFEvent表示，所有的用戶事件類都從 OXFEvent繼承。 信號事件有自己的參數(shù)(以其屬性表示)，并且和一個響應(yīng)對象關(guān)聯(lián)。事件管理器依據(jù)事件的響應(yīng)對象判斷事件的接收者。 ②定時事件 定時事件(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(活動對象)的schedTimeout方法負(fù)責(zé)定時事件的構(gòu)造和調(diào)度。其執(zhí)行過程如圖4所示。 圖3 定時事件及相關(guān)框架元素 事件管理器創(chuàng)建一個OXFTimeout對象并將其交由一個定時管理器管理。定時管理器可以管理多個定時事件，它運(yùn)行于自己的獨(dú)立線程內(nèi)且聚合了一個定時器對象。定時器對象每衛(wèi)固定的時間片會向定時管理器發(fā)通知信號，這時定時管理器檢查它管理的定時事件集合中是否有定時事件到時，并將到時的定時事件添加到事件管理器(活動對象)的事件隊列中(通過調(diào)用queueEvent)，之后事件管理器再將這些定時事件投遞給對應(yīng)的響應(yīng)對象。定時事件本身是被動的，它不包含定時器。 (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、定時事件、偽狀態(tài)、完成轉(zhuǎn)移、入口和出口動作等功能。Rhapsody也包含了UML中定義的異步事件處理模型：帶有狀態(tài)圖的類都是響應(yīng)類，因此都與一個事件管理器(活動類)關(guān)聯(lián)。事件管理器使用一個隊列緩沖收到的事件，然后將事件投遞給響應(yīng)對象。響應(yīng)對象按照狀態(tài)圖處理收到的事件。 OXF框架使用OXFEvent Consumer、OXFState、OXFLeafState等實現(xiàn)UML狀態(tài)機(jī)的語義。限于篇幅，本文對此不作介紹。 (5)并發(fā)控制 Rhapsody的OXF框架使用如下兩個類實現(xiàn)對實時系統(tǒng)資源的并發(fā)控制(Concurrency Control)。 *OXFOSMutex：包裝了實時操作系統(tǒng)的互斥量對象，支持lock()和free()操作?；コ饬坑糜诠芾愍?dú)占性資源。 *OXFOSSemaphore：包裝了實時操作系統(tǒng)的信號量對象，支持wait()和signal()操作。信號量用于管理共享資源。 UML類的方法可以聲明為guarded。這時類被稱為protected。protected類用于對獨(dú)占性資源進(jìn)行建模，在任何時刻只可有一份 guarded方法執(zhí)行，OXF框架以O(shè)XFProtected定義UML protected類，它充當(dāng)所有用戶protected類的父類。 (6)模型的調(diào)試及分析 Rhapsody允許用戶單步執(zhí)行狀態(tài)圖和順序圖以驗證系統(tǒng)的功能和邏輯。系統(tǒng)執(zhí)行過程中，對象的方法調(diào)用和狀態(tài)改變都可以在模型圖上以動畫的形式表現(xiàn)出來。 除了功能和邏輯上的正確性之外，實時系統(tǒng)還對系統(tǒng)的響應(yīng)時間有嚴(yán)格的要求。對實時系統(tǒng)響應(yīng)時間的測試稱為調(diào)度性分析，主要使用兩種方法。 ①經(jīng)驗法：給系統(tǒng)注入實時測試數(shù)據(jù)，然后測量系統(tǒng)的相應(yīng)性能。 ②理論分析：為系統(tǒng)模塊設(shè)定足夠的時間信息，然后用數(shù)學(xué)方法計算系統(tǒng)的整體相應(yīng)性能。此方法通常需借助專用的軟件工具完成。 圖4 定時事件的調(diào)度和投遞 Rhapsody支持基于經(jīng)驗的調(diào)度性分析。用戶需要為對象方法設(shè)定估計的執(zhí)行時間，并編寫一個驅(qū)動腳本或狀態(tài)圖以模擬系統(tǒng)的觸發(fā)事件。驅(qū)動腳本和狀態(tài)圖啟動之后，Rhapsody會按照設(shè)定的時間參數(shù)和程序邏輯運(yùn)行模型并輸出詳細(xì)的執(zhí)行過程報表。用戶通過檢查執(zhí)行報表判斷系統(tǒng)是否滿足要求的響應(yīng)性能。 Rhapsody也允許用戶在目標(biāo)硬件系統(tǒng)運(yùn)行驅(qū)動腳本或狀態(tài)圖，以獲得最準(zhǔn)確的執(zhí)行時間報表。 結(jié)語 實時嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)越來越復(fù)雜，因此有必要對嵌入式項目實施嚴(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)模型與實時嵌入式系統(tǒng)極好地對應(yīng)，且便于借助CASE工具實現(xiàn)代碼自動生成，能夠極大地提高實時嵌入式軟件的開發(fā)效率和項目可管理性。 Ilogix公司的Rhapsody工具便是一種支持實時UML標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)軟件工具，它基于內(nèi)置的OXF框架實現(xiàn)從系統(tǒng)的分析、設(shè)計到代碼自動生成的開發(fā)過程自動化。OXF框架是面向?qū)ο蠛涂鏡TOS平臺的，它很好地將UML的概念移植到實時嵌入式系統(tǒng)中來，為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供了清晰的結(jié)構(gòu)以及可復(fù)用的軟件模塊，能夠切實提高實時嵌入式軟件的開發(fā)效率和可維護(hù)性。