使用Rhapsody軟件框架和UML的實(shí)時(shí)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(dòng)生成工具實(shí)現(xiàn)從分析到編碼的開發(fā)過程自動(dòng)化。而實(shí)時(shí)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(dòng)代碼生成、測(cè)試、分析和校驗(yàn)的最佳選擇。Ilogix公司的Rhapsody是一個(gè)基于UML支持模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)的CASE工具，它使用一套為實(shí)時(shí)系統(tǒng)量身打造的軟件框架實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件的開發(fā)自動(dòng)化。

    關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)系統(tǒng) UML Rhapsody 狀態(tài)機(jī)

引言

面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法推崇抽象、可重用且易維護(hù)的設(shè)計(jì)模式。其中，一個(gè)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(jì)?；诳蚣艿能浖_發(fā)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

*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(jì)；

*框架的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)代碼生成策略。Ilogix公司提供的Rhapsody是一個(gè)基于UML支持實(shí)時(shí)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(gè)內(nèi)置的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，它由一系列UML類組成。這些類相互協(xié)作，組成了一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)整、跨實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件架構(gòu)。

（1）活動(dòng)類

活動(dòng)對(duì)象（Active Object）在UML中被定義為“擁有一個(gè)線程并能夠發(fā)起控制活動(dòng)的對(duì)象”。Rhapsody給這個(gè)一般定義賦予了具體含義，如圖1所示。

活動(dòng)類（Active Classes）在框架中以O(shè)XFActive表示，它擁有一個(gè)執(zhí)行線程和一個(gè)事件隊(duì)列，并提供事件調(diào)度功能。用戶活動(dòng)類從OXFActive繼承。

該活動(dòng)類包裝了實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的事件調(diào)度器。Execute方法是一個(gè)無限循環(huán)。在循環(huán)中，事件被不斷地從隊(duì)列中提取出來，發(fā)往對(duì)應(yīng)的目標(biāo)對(duì)象。QueueEvent和schedTimeout方法向隊(duì)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(gè)響應(yīng)類都和一個(gè)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(dòng)類充當(dāng)。一個(gè)事件管理器可以服務(wù)于多個(gè)響應(yīng)類。響應(yīng)類的gen方法向其事件管理器注入一個(gè)新的事件（通過調(diào)用活動(dòng)類的queueEvent方法）。事件管理器在收到事件之后會(huì)調(diào)用相應(yīng)的響應(yīng)對(duì)象（由事件的屬性指出）的takeEvent方法。

用戶響應(yīng)類有主動(dòng)（active）、被動(dòng)（passive）和從屬（subordinate）響應(yīng)類之分：

*主動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)類內(nèi)，或者獨(dú)立于活動(dòng)類，而通過調(diào)用setEventManager方法與一個(gè)用戶活動(dòng)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(lì)信號(hào)，可以影響對(duì)象的行為及狀態(tài)。在Rhapsody中，活動(dòng)類負(fù)責(zé)事件調(diào)度。事件既可以異步（活動(dòng)類將事件投遞給目標(biāo)對(duì)象之后立即返回，目標(biāo)對(duì)象使用自己的線程完成對(duì)事件的響應(yīng)），也可以是同步的（活動(dòng)類投遞事件之后必須等待目標(biāo)對(duì)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(hào)事件。

信號(hào)事件（Signal Events）是最常用的事件，它代表對(duì)象之間傳遞的一種異步激勵(lì)信號(hào)。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(hào)事件有自己的參數(shù)（以其屬性表示），并且和一個(gè)響應(yīng)對(duì)象關(guān)聯(lián)。事件管理器依據(jù)事件的響應(yīng)對(duì)象判斷事件的接收者。

②定時(shí)事件

定時(shí)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(dòng)對(duì)象）的schedTimeout方法負(fù)責(zé)定時(shí)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(shí)事件及相關(guān)框架元素

   事件管理器創(chuàng)建一個(gè)OXFTimeout對(duì)象并將其交由一個(gè)定時(shí)管理器管理。定時(shí)管理器可以管理多個(gè)定時(shí)事件，它運(yùn)行于自己的獨(dú)立線程內(nèi)且聚合了一個(gè)定時(shí)器對(duì)象。定時(shí)器對(duì)象每衛(wèi)固定的時(shí)間片會(huì)向定時(shí)管理器發(fā)通知信號(hào)，這時(shí)定時(shí)管理器檢查它管理的定時(shí)事件集合中是否有定時(shí)事件到時(shí)，并將到時(shí)的定時(shí)事件添加到事件管理器（活動(dòng)對(duì)象）的事件隊(duì)列中（通過調(diào)用queueEvent），之后事件管理器再將這些定時(shí)事件投遞給對(duì)應(yīng)的響應(yīng)對(duì)象。定時(shí)事件本身是被動(dòng)的，它不包含定時(shí)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(shí)事件、偽狀態(tài)、完成轉(zhuǎn)移、入口和出口動(dòng)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(gè)事件管理器（活動(dòng)類）關(guān)聯(lián)。事件管理器使用一個(gè)隊(duì)列緩沖收到的事件，然后將事件投遞給響應(yīng)對(duì)象。響應(yīng)對(duì)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(shí)現(xiàn)UML狀態(tài)機(jī)的語義。限于篇幅，本文對(duì)此不作介紹。

（5）并發(fā)控制

Rhapsody的OXF框架使用如下兩個(gè)類實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)資源的并發(fā)控制（Concurrency Control）。

*OXFOSMutex：包裝了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的互斥量對(duì)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)量對(duì)象，支持wait()和signal()操作。信號(hào)量用于管理共享資源。

UML類的方法可以聲明為guarded。這時(shí)類被稱為protected。protected類用于對(duì)獨(dú)占性資源進(jìn)行建模，在任何時(shí)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(yàn)證系統(tǒng)的功能和邏輯。系統(tǒng)執(zhí)行過程中，對(duì)象的方法調(diào)用和狀態(tài)改變都可以在模型圖上以動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來。

除了功能和邏輯上的正確性之外，實(shí)時(shí)系統(tǒng)還對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求。對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試稱為調(diào)度性分析，主要使用兩種方法。

①經(jīng)驗(yàn)法：給系統(tǒng)注入實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，然后測(cè)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(shí)間信息，然后用數(shù)學(xué)方法計(jì)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(shí)事件的調(diào)度和投遞

    Rhapsody支持基于經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度性分析。用戶需要為對(duì)象方法設(shè)定估計(jì)的執(zhí)行時(shí)間，并編寫一個(gè)驅(qū)動(dòng)腳本或狀態(tài)圖以模擬系統(tǒng)的觸發(fā)事件。驅(qū)動(dòng)腳本和狀態(tài)圖啟動(dòng)之后，Rhapsody會(huì)按照設(shè)定的時(shí)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(bào)表。用戶通過檢查執(zhí)行報(bào)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(dòng)腳本或狀態(tài)圖，以獲得最準(zhǔn)確的執(zhí)行時(shí)間報(bào)表。

結(jié)語

實(shí)時(shí)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(duì)嵌入式項(xiàng)目實(shí)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(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)極好地對(duì)應(yīng)，且便于借助CASE工具實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成，能夠極大地提高實(shí)時(shí)嵌入式軟件的開發(fā)效率和項(xiàng)目可管理性。

Ilogix公司的Rhapsody工具便是一種支持實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)到代碼自動(dòng)生成的開發(fā)過程自動(dòng)化。OXF框架是面向?qū)ο蠛涂鏡TOS平臺(tái)的，它很好地將UML的概念移植到實(shí)時(shí)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(shí)提高實(shí)時(shí)嵌入式軟件的開發(fā)效率和可維護(hù)性。