運(yùn)用UML分析設(shè)計占先式實時內(nèi)核

關(guān)鍵詞：統(tǒng)一建模語言（UML） 面向?qū)ο?占先式實時內(nèi)核嵌入式系統(tǒng)

引言

在過去的10多年里，嵌入式技術(shù)得到飛速發(fā)展。隨著嵌入式應(yīng)用的不斷深入，嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性在不斷提高，系統(tǒng)規(guī)模也在逐步增大；而產(chǎn)品的研發(fā)周期又在不斷地縮短，這給嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，最近幾年，對占先式實時內(nèi)核的研究、開發(fā)與應(yīng)用逐漸成為嵌入式系統(tǒng)的重點研究方向。

面向?qū)ο蠹夹g(shù)由于內(nèi)在地支持了對系統(tǒng)的抽象、分層和復(fù)用技術(shù)，能夠很好地控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，可很好地減輕嵌入式軟件的開發(fā)者必然面臨 的由于芯片性能的提高、嵌入式操作系統(tǒng)平臺等技術(shù)方面不斷變化所帶來的各種壓力，因此在嵌入式領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。其中，統(tǒng)一建模語言是當(dāng)今世界上面向?qū)ο笙到y(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的工具之一。

1 統(tǒng)一建模語言UML

1.1 UML簡介

UML（Unified Modeling Language）是一種標(biāo)準(zhǔn)的、用于面向?qū)ο蠛突跇?gòu)件的軟件系統(tǒng)建模工具，是一種用于對軟件系統(tǒng)模型繪制可視化描述的工具。UML以標(biāo)準(zhǔn)的、易于理解的方式建立能夠描述復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程的可視化模型，廣泛用于描述信息管理系統(tǒng)、具有實時要求的工業(yè)系統(tǒng)過程、嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件等。

UML由圖、視圖、模型元素、通用機(jī)制和擴(kuò)展機(jī)制等幾個部分組成。其中圖是UML建模的關(guān)鍵，視圖由圖來描述；而圖由模型元素結(jié)合通用機(jī)制、擴(kuò)展機(jī)制等表示和語義組成。

根據(jù)圖在系統(tǒng)開發(fā)過程中不同階段的應(yīng)用，可以分為五類：用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖與實現(xiàn)圖。

這些圖為系統(tǒng)的分析、設(shè)計提供了多種圖形表達(dá)形式，應(yīng)用于建模的不同階段。運(yùn)用UML。我們可以分析、設(shè)計幾乎所有的軟件和非軟件系統(tǒng)。當(dāng)然，對于具體的系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的類型、系統(tǒng)的規(guī)模和開發(fā)需要繪制相應(yīng)的圖，不一定在一個系統(tǒng)中畫出所有種類的圖。

1.2 UML與占先式實時內(nèi)核

開發(fā)一個占先式實時內(nèi)核與一般軟件的開發(fā)一樣，必然要經(jīng)過開發(fā)的分析、設(shè)計、編碼、測試四個階段。在嵌入式軟件開發(fā)過程中，一般采用的是一種順序開發(fā)方法。然而，由于嵌入式產(chǎn)品更新很快，研發(fā)周期要求盡可能的短，同時在開發(fā)過程中應(yīng)能動態(tài)地調(diào)整，所以，開發(fā)初斯所做的需求分析和設(shè)計，在后期的實現(xiàn)和測試中往往要做變動。這反映了在軟件開發(fā)過程中的需求分析、設(shè)計與具體實現(xiàn)之間有某種程度上的脫節(jié)，對軟件實現(xiàn)后面的驗證往往會帶來很大風(fēng)險。另外，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境主要是對開發(fā)過程中軟件實現(xiàn)和測試階段的支持，是以源程序的開發(fā)和測試為核心的，缺少必要的需求分析和設(shè)計工具。

UML為占先式實時內(nèi)核的設(shè)計和實現(xiàn)提供了一套功能強(qiáng)大的建模工具。由于UML融合了面向?qū)ο蠓椒ㄖ械臄?shù)據(jù)驅(qū)動和行為驅(qū)動兩種方式，可以從各個方面描述實時系統(tǒng)的功能及反映實時系統(tǒng)的結(jié)束條件，可以為具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)以面向?qū)ο髨D形的方式建模。因此，使用面向?qū)ο蟮腢ML可以很好地完成占先式實時內(nèi)核的建模。

圖2 占先式實時內(nèi)核的類圖

2 UML建模的具體應(yīng)用

2.1 占先式實時內(nèi)核概述

占先式實時內(nèi)核具有多任務(wù)機(jī)制。多任務(wù)機(jī)制是基于面向任務(wù)對象的，以任務(wù)為對象，以事件和時間為驅(qū)動，通過實時內(nèi)核管理時間關(guān)鍵任務(wù)和任務(wù)的優(yōu)先級，實現(xiàn)任務(wù)之間的調(diào)度、協(xié)同和仲裁。

多任務(wù)機(jī)制的具體實現(xiàn)由調(diào)度程度來完成。在系統(tǒng)程序運(yùn)行過程中，當(dāng)前任務(wù)完成之后，調(diào)度程序調(diào)出任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高任務(wù)的入口地址，把CPU資源分析給該任務(wù)，使之執(zhí)行。如果該任務(wù)在執(zhí)行過程中引起比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，或者是中斷服務(wù)程序使一個更高優(yōu)先級任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，調(diào)度程序會把任務(wù)的當(dāng)前程序指針、寄存器壓入到該任務(wù)的任務(wù)堆棧指針指向的?？臻g，保證現(xiàn)場，再把CPU資源分配給更高優(yōu)先級任務(wù)，使高優(yōu)先級任務(wù)開始執(zhí)行。高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行完畢后，下一個在任務(wù)就緒表中的最高級任務(wù)先從該任務(wù)的堆棧數(shù)據(jù)區(qū)恢復(fù)寄存器、程序指針、程序狀態(tài)，然后切換并執(zhí)行該任務(wù)。

采用占先式實時內(nèi)核的思想設(shè)計單片機(jī)軟件，可以合理應(yīng)用單片機(jī)的有限資源并達(dá)到很高的實時響應(yīng)，能降低軟件設(shè)計的難度。在本設(shè)計中，要求占先式實時內(nèi)核應(yīng)用于單片機(jī)中，任務(wù)數(shù)量最多不超過16個任務(wù)。

占先式實時內(nèi)核的功能需求是：

*支持外部異步事件中斷、定時器中斷、消息傳遞及任務(wù)消息到達(dá)時的調(diào)度；

*支持基于任務(wù)優(yōu)先級占先調(diào)度，多種實時調(diào)度策略；

*任務(wù)的創(chuàng)建、運(yùn)行、懸掛、喚醒與撤銷；

*定時器時鐘管理，任務(wù)延時處理；

*共享資源管理，保證任務(wù)的同步運(yùn)行。

由于占先式實時內(nèi)核主要體現(xiàn)在軟件設(shè)計方面，所以在此省略了構(gòu)件圖和配置圖。

2.2 用例圖

圖1為用例圖，列出了該系統(tǒng)最基本的功能及功能描述，包括一系列用例和從系統(tǒng)中抽象出來的執(zhí)行者。

（1）角色說明

*任務(wù)。是嵌入式系統(tǒng)中用戶想要實現(xiàn)的具體功能，是一個線程。這些功能包括：輸入、輸出、數(shù)據(jù)處理、通信等。

*中斷。用來通知占先式實時內(nèi)核有一個事件發(fā)生，包括內(nèi)部非屏蔽中斷、定時器中斷與外部異步時間中斷。

*系統(tǒng)時鐘。用來創(chuàng)建中先式實時核所需要時候節(jié)拍。

（2）使用案例說明

*中斷響應(yīng)。占先式實時內(nèi)核通過對異步事件的處理，獲得任務(wù)運(yùn)行所需要的信號與數(shù)據(jù)，使任務(wù)得以正常運(yùn)行。

*中斷級調(diào)度。中斷處理使得需要該中斷信號的任務(wù)就緒，調(diào)度程序判斷該任務(wù)是否為當(dāng)前任務(wù)就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)，進(jìn)而決定該任務(wù)否立即進(jìn)行。

*任務(wù)就緒。這里指的不是由于中斷所引起的用戶任務(wù)就緒，有兩種方式：一個是，用戶希望應(yīng)用系統(tǒng)完成某個任務(wù)功能時，需要通知占先式實時內(nèi)核，要求它創(chuàng)建該任務(wù)；另一個是，當(dāng)當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)喚醒另一個任務(wù)時，使后者就緒。

*任務(wù)級調(diào)度。任務(wù)完成創(chuàng)建或被別的任務(wù)喚醒之后，調(diào)度程序判斷該任務(wù)是否為當(dāng)前任務(wù)就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)，進(jìn)而決定該任務(wù)是否立即進(jìn)行。

*任務(wù)運(yùn)行。當(dāng)任務(wù)是當(dāng)前任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)時運(yùn)行該任務(wù)。

2.3 類圖

圖2為類圖，包括一組由所討論系統(tǒng)中抽象出的類和它們之間的關(guān)系。

類中斷的屬性中，中斷類型包括非屏蔽中斷、外部中斷與定時器中斷，以便占先式實時同核進(jìn)行相應(yīng)的中斷處理；中斷向量號與單片機(jī)的中斷向量號相匹配；中斷嵌套狀態(tài)表明當(dāng)前中斷是處于哪一層的中斷嵌套中。類中斷有一個操作：中斷處理，獲取外部事件的信號和數(shù)據(jù)，并使上應(yīng)的任務(wù)就緒，然后判斷中斷嵌套數(shù)是否為0。若不為零，執(zhí)行別的中斷響應(yīng)；如果為零，選擇相應(yīng)的調(diào)度程序進(jìn)行調(diào)度。

類調(diào)度的屬性中，調(diào)度策略用于選擇一種實時調(diào)度方案；調(diào)度類型包括中斷調(diào)度與任務(wù)級調(diào)度；任務(wù)就緒表與任務(wù)懸掛表是調(diào)度時所需要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類調(diào)度有一個操作：調(diào)度。當(dāng)當(dāng)前任務(wù)是任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)時，當(dāng)前任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行；如不是，將當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行時的狀態(tài)與數(shù)據(jù)壓入該任務(wù)堆棧，掛起該任務(wù)，然后調(diào)出最高級優(yōu)先權(quán)任務(wù)的任務(wù)堆棧數(shù)據(jù)與狀態(tài)，使最高級任務(wù)運(yùn)行。

類任務(wù)的屬性中，任務(wù)ID表明是哪一個任務(wù)；任務(wù)優(yōu)先級說明任務(wù)在所有任務(wù)中的運(yùn)行優(yōu)先權(quán)；任務(wù)狀態(tài)說明該任務(wù)在占先式實時內(nèi)核中是處在何種狀態(tài)；任務(wù)堆棧保存任務(wù)切換時該任務(wù)的狀態(tài)與數(shù)據(jù)。類任務(wù)有四個操作：建立任務(wù)，在占先式實時內(nèi)核中確認(rèn)該任務(wù)；掛起任務(wù)，是任務(wù)由就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)為掛起狀態(tài)；恢復(fù)任務(wù)，是任務(wù)由掛起狀態(tài)轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)；任務(wù)延遲，是任務(wù)自我延遲若干個時鐘節(jié)拍，同時由就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)為掛起狀態(tài)。

類消息的屬性中，消息類型包括信號量與消息隊列；消息ID表明該消息是哪一個消息；消息發(fā)送任務(wù)ID表明消息是由哪個任務(wù)發(fā)送的；消息接收任務(wù)ID表明哪些任務(wù)接收該消息。類消息的操作有兩個：發(fā)送消息，向一個或幾個任務(wù)發(fā)送信息；接收消息，消息接收到某個信息。

類任務(wù)定時器的屬性中，任務(wù)定時器ID表明該定時器是屬于哪個任務(wù)的；任務(wù)定時器時長說明該任務(wù)需要多長時鐘節(jié)后才能再次運(yùn)行。類任務(wù)定時器中有兩個操作：時鐘節(jié)拍處理，處理任務(wù)的延時時鐘節(jié)拍；任務(wù)超時處理，延時時間到的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)為為就緒狀態(tài)。

類之間有以下聯(lián)系：

*中斷與任務(wù)之間，描述中斷處理使相應(yīng)的任務(wù)就緒；

*中斷與調(diào)度之間，描述由于中斷引起的中斷級調(diào)度；

*中斷與消息之間，描述中斷處理時，相應(yīng)的消息得到信號或數(shù)據(jù)；

*調(diào)度與任務(wù)之間，描述由于調(diào)度使任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)運(yùn)行，任務(wù)由于等待信號而自我掛起，也會請求調(diào)度；

*任務(wù)與任務(wù)定時器之間，描述定時器對任務(wù)延遲時間的處理；

*任務(wù)與消息之間，描述任務(wù)對消息的信息請求，消息對任務(wù)信息的接收，消息發(fā)送使接收該信息的任務(wù)就緒；

*調(diào)度與消息之間，描述由于消息到而請求調(diào)度。

2.4 狀態(tài)圖

狀態(tài)圖表示對象的行為，被用來描述一個系統(tǒng)的動態(tài)視圖。由于在占先式實時內(nèi)核中系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換可以通過任務(wù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換顯示出來，所以這里只給出對象任務(wù)的狀態(tài)務(wù)，如圖3所示。

任務(wù)在占先式實時內(nèi)核中具有就緒、運(yùn)行、掛起三種狀態(tài)。任務(wù)正在運(yùn)行時，由于等待消息、自我延時或自我掛起，可以由運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入掛起狀態(tài)。當(dāng)?shù)却南⒌?、等待超時或延遲到時，任務(wù)狀態(tài)就由掛起狀態(tài)進(jìn)入就緒狀態(tài)，任務(wù)如果是任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)，通過調(diào)度和任務(wù)切換，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)時，如中斷發(fā)生，通過中斷響應(yīng)處理使任務(wù)就緒，并進(jìn)行中斷級調(diào)度：如果是任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)，繼續(xù)運(yùn)行；如不是，進(jìn)行任務(wù)切換，任務(wù)由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w狀態(tài)。

處于就緒狀態(tài)時的任務(wù)，也可以由于當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的請求從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閽炱馉顟B(tài)。

2.5 順序圖

占先式實時內(nèi)核強(qiáng)調(diào)的是時間和事件。在UML中，順序圖是具有這種特性的動態(tài)交互模型。占先式實時內(nèi)核的順序力圖4所示。

圖4展示了中斷和任務(wù)、任務(wù)和任務(wù)之間的交互情況，這也是占先式實時內(nèi)核的基本內(nèi)容。參與流程的對象在框圖頂部的矩形中顯示，共有五個對象：中斷對象用來通知正在運(yùn)行的任務(wù)有異步事件發(fā)生，并將正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存，暫停任務(wù)的運(yùn)行；中斷響應(yīng)對象處理任務(wù)的中斷服務(wù)代碼，并將與中斷信號相應(yīng)的任務(wù)置為就緒狀態(tài)，然后調(diào)度任務(wù)運(yùn)行；低優(yōu)先級任務(wù)和高優(yōu)先級任務(wù)對象是用戶希望系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能，低優(yōu)先級任務(wù)只有當(dāng)所有高優(yōu)先級任務(wù)運(yùn)行完畢或處于懸掛狀態(tài)后才能運(yùn)行；消息對象處理消息的發(fā)送與接收，消息接收表明有消息到來，然后消息發(fā)送使接收消息的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行任務(wù)級的調(diào)度，使高優(yōu)先級的任務(wù)得以運(yùn)行。

圖4 占先式實時內(nèi)核順序圖

3 占先式實時內(nèi)核代碼實現(xiàn)

在設(shè)計建模完成后，系統(tǒng)中對象的行為和它們之間的邏輯關(guān)系都已經(jīng)清楚和確定下來，類和類的關(guān)系也得到進(jìn)一步的抽象，這時需要選擇具體的開發(fā)工具來實現(xiàn)占先式實時內(nèi)核。在設(shè)計建模完成后，系統(tǒng)中對象的行為和它們之間的邏輯關(guān)系都已經(jīng)清楚和確定下來，類和類的關(guān)系也得到進(jìn)一步的抽象，這時需要選擇具體的開發(fā)工具來實現(xiàn)占先式實時內(nèi)核。我使用Cygnal IDE（集成開發(fā)環(huán)境）作為系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。IDE支持C語言和匯編語言的源程序級調(diào)試，具有豐富的開發(fā)與測試工具。本系統(tǒng)采用C語言作為開發(fā)工具，具體設(shè)計不再詳述。

結(jié)語

占先式實時內(nèi)核在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用中一直被認(rèn)為是個難點，這主要是由于其內(nèi)在關(guān)系比較復(fù)雜和繁瑣，采用以往的方法往往會陷入反復(fù)設(shè)計和調(diào)試的過程中，最后實現(xiàn)的程序也會由于種種原因存在不易覺察的隱患，這樣就會限制軟件的推廣和應(yīng)用。

通過對占先式實時內(nèi)核采用UML語言建模，可以比較清晰地認(rèn)識到占先式實時內(nèi)核在工作機(jī)制和具體實現(xiàn)過程各個階段的工作內(nèi)容，能夠有效降低開發(fā)占先式實時內(nèi)核所冒的風(fēng)險，提高占先式實時內(nèi)核編碼和測試的效率與穩(wěn)定性，縮短開發(fā)周期，這在嵌入式技術(shù)中有較好的實際意義。