使用Rhapsody軟件框架和UML的實時系統(tǒng)開發(fā)
關鍵詞：實時系統(tǒng) UML Rhapsody 狀態(tài)機
引言
面向對象的軟件設計方法推崇抽象、可重用且易維護的設計模式。其中，一個普遍采用的做法是使用預定義的框架構建復雜的軟件系統(tǒng)。在面向對象領域中，框架是指為某一具體應用領域提供解決方案的類集。程序員使用繼承、聚合等技術定制框架并將其用于具體的應用程序設計?；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，目標系統(tǒng)不必從頭寫起；
*規(guī)范的框架結構能夠指導目標系統(tǒng)的設計；
*框架的設計是開放的，因此可以通過子類化等技術定制和擴展。
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)全過程面向對象開發(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)而設計，它由一系列UML類組成。這些類相互協(xié)作，組成了一個結構嚴整、跨實時操作系統(tǒng)平臺的實時嵌入式軟件架構。
（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OXFActive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)往對應的目標對象。QueueEvent和schedTimeout方法向隊列注入新的事件。
（2）響應類
響應類（Reactive Classes）是能夠對事件做出反應的框架類，即事件消費者。它在Rhapsody的框架中以OXFReactive表示，用戶響應類從OXFReactive繼承，如圖2所示。
圖2 響應類及相關框架元素
每個響應類都和一個事件管理器關聯(lián)（通過調用setEventManager方法），事件管理器由活動類充當。一個事件管理器可以服務于多個響應類。響應類的gen方法向其事件管理器注入一個新的事件（通過調用活動類的queueEvent方法）。事件管理器在收到事件之后會調用相應的響應對象（由事件的屬性指出）的takeEvent方法。
用戶響應類有主動（active）、被動（passive）和從屬（subordinate）響應類之分：
*主動用戶響應類利用了多重繼承技術，它集事件管理器和響應類雙得功能于一身；
*被動用戶響應類由框架的缺省事件管理器—OXFDefaultEventManager管理，且所有被動用戶響應類都共享該缺省事件管理器；
*從屬用戶響應類由用戶定義的活動類充當事件管理器。從屬響應類以聚合方式存在于用戶活動類內(nèi)，或者獨立于活動類，而通過調用setEventManager方法與一個用戶活動關聯(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，活動類負責事件調度。事件既可以異步（活動類將事件投遞給目標對象之后立即返回，目標對象使用自己的線程完成對事件的響應），也可以是同步的（活動類投遞事件之后必須等待目標對象處理完成才能返回）。操作代表類本身提供的服務和功能。操作調用總是同步的，即操作總是運行在調用者線程之內(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OXFEvent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），并且和一個響應對象關聯(lián)。事件管理器依據(jù)事件的響應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OXFTimeOut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方法負責定時事件的構造和調度。其執(zhí)行過程如圖4所示。
圖3 定時事件及相關框架元素
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，它運行于自己的獨立線程內(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（通過調用queueEvent），之后事件管理器再將這些定時事件投遞給對應的響應對象。定時事件本身是被動的，它不包含定時器。
（4）狀態(tài)機
Rhapsody支持UML狀態(tài)機（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)圖的類都是響應類，因此都與一個事件管理器（活動類）關聯(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對象。響應對象按照狀態(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。互斥量用于管理獨占性資源。
*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類用于對獨占性資源進行建模，在任何時刻只可有一份guarded方法執(zhí)行，OXF框架以OXFProtected定義UML protected類，它充當所有用戶protected類的父類。
（6）模型的調試及分析
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)的響應時間有嚴格的要求。對實時系統(tǒng)響應時間的測試稱為調度性分析，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)的相應性能。
②理論分析：為系統(tǒng)模塊設定足夠的時間信息，然后用數(shù)學方法計算系統(tǒng)的整體相應性能。此方法通常需借助專用的軟件工具完成。
圖4 定時事件的調度和投遞
Rhapsody支持基于經(jīng)驗的調度性分析。用戶需要為對象方法設定估計的執(zhí)行時間，并編寫一個驅動腳本或狀態(tài)圖以模擬系統(tǒng)的觸發(fā)事件。驅動腳本和狀態(tài)圖啟動之后，Rhapsody會按照設定的時間參數(shù)和程序邏輯運行模型并輸出詳細的執(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性能。Rhapsody也允許用戶在目標硬件系統(tǒng)運行驅動腳本或狀態(tài)圖，以獲得最準確的執(zhí)行時間報表。
結語
實時嵌入式系統(tǒng)應用的開發(fā)越來越復雜，因此有必要對嵌入式項目實施嚴格的軟件工程管理。UML已成為復雜系統(tǒng)建模的工業(yè)標準，其狀態(tài)機模型與實時嵌入式系統(tǒng)極好地對應，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標準的嵌入式系統(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、設計到代碼自動生成的開發(fā)過程自動化。OXF框架是面向對象和跨RTOS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)提供了清晰的結構以及可復用的軟件模塊，能夠切實提高實時嵌入式軟件的開發(fā)效率和可維護性。
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