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運用UML分析設計占先式實時內核
要：UML是軟件工程領域的標準模語言。本文介紹使用統(tǒng)一建模語言UML對嵌入式系統(tǒng)中占先式實時內核的面向對象軟件分析與設計；詳述利用UML的各種標準符號進行從需求分析到整體設計的一系列工作。關鍵詞：統(tǒng)一建模語言（UML） 面向對象 占先式實時內核嵌入式系統(tǒng)
引言
在過去的10多年里，嵌入式技術得到飛速發(fā)展。隨著嵌入式應用的不斷深入，嵌入式系統(tǒng)的復雜性、不確定性在不斷提高，系統(tǒng)規(guī)模也在逐步增大；而產品的研發(fā)周期又在不斷地縮短，這給嵌入式應用軟件的開發(fā)帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，最近幾年，對占先式實時內核的研究、開發(fā)與應用逐漸成為嵌入式系統(tǒng)的重點研究方向。
面向對象技術由于內在地支持了對系統(tǒng)的抽象、分層和復用技術，能夠很好地控制系統(tǒng)的復雜性，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)平臺等技術方面不斷變化所帶來的各種壓力，因此在嵌入式領域得到越來越廣泛的應用。其中，統(tǒng)一建模語言是當今世界上面向對象系統(tǒng)開發(fā)領域中應用最為廣泛的工具之一。
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1 統(tǒng)一建模語言UML
1.1 UML簡介
UML（Unified Modeling Language）是一種標準的、用于面向對象和基于構件的軟件系統(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以標準的、易于理解的方式建立能夠描述復雜系統(tǒng)結構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、通用機制和擴展機制等幾個部分組成。其中圖是UML建模的關鍵，視圖由圖來描述；而圖由模型元素結合通用機制、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、設計提供了多種圖形表達形式，應用于建模的不同階段。運用UML。我們可以分析、設計幾乎所有的軟件和非軟件系統(tǒng)。當然，對于具體的系統(tǒng)應該根據(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與占先式實時內核
開發(fā)一個占先式實時內核與一般軟件的開發(fā)一樣，必然要經過開發(fā)的分析、設計、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)過程中應能動態(tài)地調整，所以，開發(fā)初斯所做的需求分析和設計，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計工具。
UML為占先式實時內核的設計和實現(xiàn)提供了一套功能強大的建模工具。由于UML融合了面向對象方法中的數(shù)據(jù)驅動和行為驅動兩種方式，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)的結束條件，可以為具有靜態(tài)結構和動態(tài)結構的系統(tǒng)以面向對象圖形的方式建模。因此，使用面向對象的UML可以很好地完成占先式實時內核的建模。
圖2 占先式實時內核的類圖
2 UML建模的具體應用
2.1 占先式實時內核概述
占先式實時內核具有多任務機制。多任務機制是基于面向任務對象的，以任務為對象，以事件和時間為驅動，通過實時內核管理時間關鍵任務和任務的優(yōu)先級，實現(xiàn)任務之間的調度、協(xié)同和仲裁。
多任務機制的具體實現(xiàn)由調度程度來完成。在系統(tǒng)程序運行過程中，當前任務完成之后，調度程序調出任務就緒表中優(yōu)先級最高任務的入口地址，把CPU資源分析給該任務，使之執(zhí)行。如果該任務在執(zhí)行過程中引起比它優(yōu)先級高的任務進入就緒態(tài)，或者是中斷服務程序使一個更高優(yōu)先級任務進入就緒態(tài)，調度程序會把任務的當前程序指針、寄存器壓入到該任務的任務堆棧指針指向的�？臻g，保證現(xiàn)場，再把CPU資源分配給更高優(yōu)先級任務，使高優(yōu)先級任務開始執(zhí)行。高優(yōu)先級任務執(zhí)行完畢后，下一個在任務就緒表中的最高級任務先從該任務的堆棧數(shù)據(jù)區(qū)恢復寄存器、程序指針、程序狀態(tài)，然后切換并執(zhí)行該任務。
采用占先式實時內核的思想設計單片機軟件，可以合理應用單片機的有限資源并達到很高的實時響應，能降低軟件設計的難度。在本設計中，要求占先式實時內核應用于單片機中，任務數(shù)量最多不超過16個任務。
占先式實時內核的功能需求是：
*支持外部異步事件中斷、定時器中斷、消息傳遞及任務消息到達時的調度；
*支持基于任務優(yōu)先級占先調度，多種實時調度策略；
*任務的創(chuàng)建、運行、懸掛、喚醒與撤銷；
*定時器時鐘管理，任務延時處理；
*共享資源管理，保證任務的同步運行。
由于占先式實時內核主要體現(xiàn)在軟件設計方面，所以在此省略了構件圖和配置圖。
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。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核有一個事件發(fā)生，包括內部非屏蔽中斷、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。占先式實時內核通過對異步事件的處理，獲得任務運行所需要的信號與數(shù)據(jù)，使任務得以正常運行。
*中斷級調度。中斷處理使得需要該中斷信號的任務就緒，調度程序判斷該任務是否為當前任務就緒表中最高優(yōu)先級任務，進而決定該任務否立即進行。
*任務就緒。這里指的不是由于中斷所引起的用戶任務就緒，有兩種方式：一個是，用戶希望應用系統(tǒng)完成某個任務功能時，需要通知占先式實時內核，要求它創(chuàng)建該任務；另一個是，當當前運行的任務喚醒另一個任務時，使后者就緒。
*任務級調度。任務完成創(chuàng)建或被別的任務喚醒之后，調度程序判斷該任務是否為當前任務就緒表中最高優(yōu)先級任務，進而決定該任務是否立即進行。
*任務運行。當任務是當前任務就緒表中優(yōu)先級最高的任務時運行該任務。
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行相應的中斷處理；中斷向量號與單片機的中斷向量號相匹配；中斷嵌套狀態(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)，并使上應的任務就緒，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；如果為零，選擇相應的調度程序進行調度。
類調度的屬性中，調度策略用于選擇一種實時調度方案；調度類型包括中斷調度與任務級調度；任務就緒表與任務懸掛表是調度時所需要數(shù)據(jù)結構。類調度有一個操作：調度。當當前任務是任務就緒表中優(yōu)先級最高的任務時，當前任務繼續(xù)運行；如不是，將當前任務運行時的狀態(tài)與數(shù)據(jù)壓入該任務堆棧，掛起該任務，然后調出最高級優(yōu)先權任務的任務堆棧數(shù)據(jù)與狀態(tài)，使最高級任務運行。
類任務的屬性中，任務ID表明是哪一個任務；任務優(yōu)先級說明任務在所有任務中的運行優(yōu)先權；任務狀態(tài)說明該任務在占先式實時內核中是處在何種狀態(tài)；任務堆棧保存任務切換時該任務的狀態(tài)與數(shù)據(jù)。類任務有四個操作：建立任務，在占先式實時內核中確認該任務；掛起任務，是任務由就緒狀態(tài)轉為掛起狀態(tài)；恢復任務，是任務由掛起狀態(tài)轉為就緒狀態(tài)；任務延遲，是任務自我延遲若干個時鐘節(jié)拍，同時由就緒狀態(tài)轉為掛起狀態(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ID表明消息是由哪個任務發(fā)送的；消息接收任務ID表明哪些任務接收該消息。類消息的操作有兩個：發(fā)送消息，向一個或幾個任務發(fā)送信息；接收消息，消息接收到某個信息。
類任務定時器的屬性中，任務定時器ID表明該定時器是屬于哪個任務的；任務定時器時長說明該任務需要多長時鐘節(jié)后才能再次運行。類任務定時器中有兩個操作：時鐘節(jié)拍處理，處理任務的延時時鐘節(jié)拍；任務超時處理，延時時間到的任務狀態(tài)轉為為就緒狀態(tài)。
類之間有以下聯(lián)系：
*中斷與任務之間，描述中斷處理使相應的任務就緒；
*中斷與調度之間，描述由于中斷引起的中斷級調度；
*中斷與消息之間，描述中斷處理時，相應的消息得到信號或數(shù)據(jù)；
*調度與任務之間，描述由于調度使任務就緒表中優(yōu)先級最高的任務運行，任務由于等待信號而自我掛起，也會請求調度；
*任務與任務定時器之間，描述定時器對任務延遲時間的處理；
*任務與消息之間，描述任務對消息的信息請求，消息對任務信息的接收，消息發(fā)送使接收該信息的任務就緒；
*調度與消息之間，描述由于消息到而請求調度。
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核中系統(tǒng)的狀態(tài)轉換可以通過任務的狀態(tài)轉換顯示出來，所以這里只給出對象任務的狀態(tài)務，如圖3所示。
任務在占先式實時內核中具有就緒、運行、掛起三種狀態(tài)。任務正在運行時，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�、等待超時或延遲到時，任務狀態(tài)就由掛起狀態(tài)進入就緒狀態(tài)，任務如果是任務就緒表中優(yōu)先級最高的任務，通過調度和任務切換，進入運行狀態(tài)。
任務處于運行狀態(tài)時，如中斷發(fā)生，通過中斷響應處理使任務就緒，并進行中斷級調度：如果是任務就緒表中優(yōu)先級最高的任務，繼續(xù)運行；如不是，進行任務切換，任務由運行狀態(tài)轉變?yōu)榫途w狀態(tài)。
處于就緒狀態(tài)時的任務，也可以由于當前運行任務的請求從就緒狀態(tài)轉變?yōu)閽炱馉顟B(tài)。
2.5 順序圖
占先式實時內核強調的是時間和事件。在UML中，順序圖是具有這種特性的動態(tài)交互模型。占先式實時內核的順序力圖4所示。
圖4展示了中斷和任務、任務和任務之間的交互情況，這也是占先式實時內核的基本內容。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有異步事件發(fā)生，并將正在運行任務的當前狀態(tài)保存，暫停任務的運行；中斷響應對象處理任務的中斷服務代碼，并將與中斷信號相應的任務置為就緒狀態(tài)，然后調度任務運行；低優(yōu)先級任務和高優(yōu)先級任務對象是用戶希望系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能，低優(yōu)先級任務只有當所有高優(yōu)先級任務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狀態(tài)轉為就緒狀態(tài)，進而進行任務級的調度，使高優(yōu)先級的任務得以運行。
圖4 占先式實時內核順序圖
3 占先式實時內核代碼實現(xiàn)
在設計建模完成后，系統(tǒng)中對象的行為和它們之間的邏輯關系都已經清楚和確定下來，類和類的關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)占先式實時內核。在設計建模完成后，系統(tǒng)中對象的行為和它們之間的邏輯關系都已經清楚和確定下來，類和類的關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，具體設計不再詳述。
結語
占先式實時內核在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應用中一直被認為是個難點，這主要是由于其內在關系比較復雜和繁瑣，采用以往的方法往往會陷入反復設計和調試的過程中，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用。
通過對占先式實時內核采用UML語言建模，可以比較清晰地認識到占先式實時內核在工作機制和具體實現(xiàn)過程各個階段的工作內容，能夠有效降低開發(fā)占先式實時內核所冒的風險，提高占先式實時內核編碼和測試的效率與穩(wěn)定性，縮短開發(fā)周期，這在嵌入式技術中有較好的實際意義。
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