運用UML分析設(shè)計占先式實時內(nèi)核

運用UML分設(shè)計占先式實時內(nèi)核要UML是軟件工程領(lǐng)域的標準模語言。本文介紹使用統(tǒng)一建模語言對入式系中占先式實時內(nèi)核的面向?qū)ο筌浖治雠c設(shè)計；詳述利用UML的各種標準符號進行從需求分析到整體設(shè)計的一系列工作。關(guān)鍵一建模語）面向?qū)ο笳际綄崟r內(nèi)核嵌入系統(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)雜性很地減輕嵌入式軟件的開發(fā)者必然面臨由于芯片性能的提高入操作系統(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統(tǒng)一建模語言UML1.1UML簡UMLUnifiedModelingLanguage）是一種標準的、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以準的、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)有時要求的工業(yè)系統(tǒng)過程入系統(tǒng)分布式系統(tǒng)系統(tǒng)軟件等。UML由、視圖、模型元素、通用機制和擴展機制等幾個部分組成。其中圖是UML建的關(guān)鍵，視圖由圖來描述；而圖由模型元素結(jié)合通用機制、擴展機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形式，應(yīng)用于建模的不同階段。運用UML我可以分析設(shè)幾乎所有的軟件和非軟件系統(tǒng)然對具體的系統(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。1.2UML與先式實時內(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[!--empirenews.]UML為占式實時內(nèi)核的設(shè)計和實現(xiàn)提供了一套功能強大的建模工具UML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蟮目珊芎玫赝瓿烧枷仁綄崟r內(nèi)核的建模2占先實時內(nèi)核的類圖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)機制。多任務(wù)機制是基于面向任務(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)機制的具體實現(xiàn)由調(diào)度程度來完成。在系統(tǒng)程序運行過程中，當前任務(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)進入就緒態(tài)，調(diào)度程序會把任務(wù)的當前程序指針、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)寄存器指序態(tài)后換并執(zhí)行該任務(wù)。采用占先式實時內(nèi)核的思想設(shè)計單片機軟件，可以合理應(yīng)用單片機的有限資源并達到很高的實時響應(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)用于單片機中，任

務(wù)數(shù)量最多不超過16個務(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、定時器中斷消傳遞及任務(wù)消息達時的調(diào)度支持基于任務(wù)優(yōu)先級占先調(diào)度種實時調(diào)度策略*任務(wù)的創(chuàng)建、運行、掛、喚醒與撤銷時器時鐘管理，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)件圖和配置圖用圖圖1為例圖了系統(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)行者色說任務(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。[!--empirenews.]*統(tǒng)時鐘。用來創(chuàng)建中先式實時核所需要時候節(jié)拍使用案例說*中斷響應(yīng)先實時內(nèi)核通過對異步事件的處理得務(wù)運行所需要的信號與數(shù)據(jù)，使任務(wù)得以正常運行中斷級調(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)是否為當前任務(wù)就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)定任務(wù)否立即進行。*任就緒這指的不是由于中斷所引起的用戶任務(wù)就緒兩種方式一是用希望應(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，當當前運行的任務(wù)喚醒另一個任務(wù)時后者就緒任務(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)是否為當前任務(wù)就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)，進而決定該任務(wù)是否立即進行。*任務(wù)運行。任務(wù)是當前任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)時運行該任務(wù)。2.3類圖2為圖，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。類中斷的屬性中斷型包括非屏蔽中斷部斷與定時器中斷占先式實時同核進行相1][2]下一頁

應(yīng)的中斷處理中斷向量號與單片機的中斷向量號相匹配嵌套狀態(tài)表明當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。當當前任務(wù)是任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)時前任務(wù)繼續(xù)運行是當前任務(wù)運行時的狀態(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)運行。類任務(wù)的屬性中，任務(wù)ID表是哪一個任務(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)有四個操作立務(wù)占先式實時內(nèi)核中確認該任務(wù)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ID表哪些任務(wù)接收該消息類消息的操作有兩個發(fā)送消息個幾個任務(wù)發(fā)送信消息接收到某個信息[!--empirenews.]類任務(wù)定時器的屬性中務(wù)定時器表明定時器是屬于哪個任務(wù)的務(wù)時器時長說明該任務(wù)需要多長時鐘節(jié)后才能再次運行。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)超時處理時到的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)為為就緒狀態(tài)有以下聯(lián)系斷與任務(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*中斷與消息之間描中斷處理時應(yīng)的消息得到信號或數(shù)據(jù)調(diào)度與任務(wù)之間描由于調(diào)度使任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)運行于等待信號而自我掛起請求調(diào)度；*任與任務(wù)定時器之間，描述時器對任務(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)息的接收息發(fā)送使接收該信息的任務(wù)就緒調(diào)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)，如圖示。任務(wù)在占先式實時內(nèi)核中具有就緒、運行、掛起三種狀態(tài)。任務(wù)正在運行時，由于等待消息、自我延時或自我掛起，可以由運行狀態(tài)進入掛起狀態(tài)。當?shù)却南⒌健⒌却瑫r或延遲到時，任務(wù)狀態(tài)就由掛起狀態(tài)進入就緒狀態(tài)務(wù)果是任務(wù)就緒表優(yōu)先級最高的任務(wù)調(diào)度和任務(wù)切換入行狀態(tài)。任務(wù)處于運行狀態(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)運行；如不是，進行任務(wù)切換，任務(wù)由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w狀態(tài)。處于就緒狀態(tài)時的任務(wù)，也可以由于當前運行任務(wù)的請求從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閽炱馉顟B(tài)2.5順序占先式時內(nèi)核強調(diào)的是時間和事件。在UML中順圖是具有這種特性的動態(tài)交互模型。占先式實時內(nèi)核的順序力圖示。圖4展了中斷和任務(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行的任務(wù)有異步事件發(fā)生，并將正在運行任務(wù)的當前狀態(tài)保存，暫停任務(wù)的運行；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)只有當所有高優(yōu)先級任務(wù)運行完畢或處于懸掛狀態(tài)后才能運行；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)，進而進行任務(wù)級的調(diào)度，使高優(yōu)先級的任務(wù)得以運行圖4占先實時內(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CygnalIDE（成開發(fā)環(huán)境）作系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺IDE支持C語言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)采用言作為開發(fā)工具，具體設(shè)計不再詳述。結(jié)語占先