使用Rhapsody軟件框架和UML的實時系統開發

關鍵詞：實時系統 UML Rhapsody 狀態機

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。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。基于框架的軟件開發具有如下優點：

*由于重用了框架提供的代碼，目標系統不必從頭寫起；

*規范的框架結構能夠指導目標系統的設計；

*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全過程面向對象開發的CASE工具。Rhapsody基于一個內置的實時系統軟件框架―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而設計，它由一系列UML類組成。這些類相互協作，組成了一個結構嚴整、跨實時操作系統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中的事件調度器。Execute方法是一個無限循環。在循環中，事件被不斷地從隊列中提取出來，發往對應的目標對象。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（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，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。

（3）事件和操作

類可以定義自己的事件和操作（Events and Operations）方法。事件代表一種突發的激勵信號，可以影響對象的行為及狀態。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。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（以其屬性表示），并且和一個響應對象關聯。事件管理器依據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且聚合了一個定時器對象。定時器對象每衛固定的時間片會向定時管理器發通知信號，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）狀態機

Rhapsody支持UML狀態機（State Machines），包括層次狀態分解、帶參事件、定時事件、偽狀態、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：帶有狀態圖的類都是響應類，因此都與一個事件管理器（活動類）關聯。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。響應對象按照狀態圖處理收到的事件。

OXF框架使用OXFEvent Consumer、OXFState、OXFLeafState等實現UML狀態機的語義。限于篇幅，本文對此不作介紹。

（5）并發控制

Rhapsody的OXF框架使用如下兩個類實現對實時系統資源的并發控制（Concurrency Control）。

*OXFOSMutex：包裝了實時操作系統的互斥量對象，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允許用戶單步執行狀態圖和順序圖以驗證系統的功能和邏輯。系統執行過程中，對象的方法調用和狀態改變都可以在模型圖上以動畫的形式表現出來。

除了功能和邏輯上的正確性之外，實時系統還對系統的響應時間有嚴格的要求。對實時系統響應時間的測試稱為調度性分析，主要使用兩種方法。

①經驗法：給系統注入實時測試數據，然后測量系統的相應性能。

②理論分析：為系統模塊設定足夠的時間信息，然后用數學方法計算系統的整體相應性能。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支持基于經驗的調度性分析。用戶需要為對象方法設定估計的執行時間，并編寫一個驅動腳本或狀態圖以模擬系統的觸發事件。驅動腳本和狀態圖啟動之后，Rhapsody會按照設定的時間參數和程序邏輯運行模型并輸出詳細的執行過程報表。用戶通過檢查執行報表判斷系統是否滿足要求的響應性能。Rhapsody也允許用戶在目標硬件系統運行驅動腳本或狀態圖，以獲得最準確的執行時間報表。

結語

實時嵌入式系統應用的開發越來越復雜，因此有必要對嵌入式項目實施嚴格的軟件工程管理。UML已成為復雜系統建模的工業標準，其狀態機模型與實時嵌入式系統極好地對應，且便于借助CASE工具實現代碼自動生成，能夠極大地提高實時嵌入式軟件的開發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標準的嵌入式系統軟件工具，它基于內置的OXF框架實現從系統的分析、設計到代碼自動生成的開發過程自動化。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中來，為嵌入式系統的開發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效率和可維護性。