運(yùn)用UML分析設(shè)計占先式實時內(nèi)核

*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。