將擴展UML與Petri網應用在嵌入式系統設計中2嵌入式系統,UML,Petri網的介紹3時間約束Petri網和擴展UML相結合1研究背景4應用實例1研究背景

隨著嵌入式系統的不斷發展，傳統的嵌入式開發已經遠遠不能適應新的要求，需要借助UML強大的系統設計能力來解決效率低下的問題，但是標準UML在多系統級任務并發，任務之間同步、系統仿真以及實時性方面沒有提供足夠的支持，很難直接應用到嵌入式系統的設計中。本文研究了一種將時間約束Petri網和擴展UML相結合的方法，通過利用Petri描述異步性和并發性的能力來擴展UML的構造型和流程圖，通過將UML轉化為Petri圖，進而可以利用Petri強大的理論體系來驗證UML的正確性。2.1嵌入式系統

嵌入式系統(embeddedsystem)是嵌入到目標應用系統中的計算機系統，是集計算機技術、通信技術、半導體技術、傳感器技術等先進技術為一體的后PC時代標志性的產物，存在于各種常見的電子設備、家用電器、通信設備以及醫療器械中，已成為國防、汽車、電力、制造業等各個行業不可缺少的科技力量。然而伴隨著嵌入式應用的不斷發展，嵌入式系統的復雜性、不確定性以及系統規模不斷地擴大，傳統的嵌入式開發和設計已經遠遠不能適應新的要求，各國的嵌入式系統設計專家也展開了各種各樣的研究并已達成一個共識：復雜實時嵌入式系統設計需要充分利用面向對象技術的強大系統設計能力。2嵌入式系統,UML,Petri網的介紹2.2UML

UML，即統一建模語言，是面向對象和基于構件的軟件系統建模工具語言，通過用例圖、類圖、對象圖、時序圖、協作圖、活動圖、狀態圖、組件圖和配置圖以不同的設計角度提供系統建模的完整細節。UML的產生是為了解決20世紀六七十年代軟件產業遇到的一次危機，危機原因就是軟件越來越龐大和復雜，而軟件的質量和生產率卻越來越低。UML標準的出現與發展，使得軟件開發的規范化和效率都得到了很大提高。雖然UML的功能如此強大，在軟件領域也取得了巨大的成就，但是標準UML卻很難直接應用到嵌入式系統的設計中。UML對多系統級任務并發，任務之間同步、系統仿真以及實時性方面的描述都沒有提供足夠的支持，而這些內容恰恰是嵌入式系統最主要的特點，所以直接導致在實際的嵌入式系統中UML模型很難被構建。即使構建出模型，其正確性也很難得到驗證和保證。

2.3Petri

Petri網是是對離散并行系統的數學表示，適合于描述異步的、并發的計算機系統模型。Petri網有嚴格的定義、數學表述式及一整套嚴謹的理論體系，為計算機科學提供堅實的概念基礎，也為利用Petri網的特性來擴展UML提供了可能。3時間約束Petri網和擴展UML相結合3.1利用Petri網擴展UML構造型將時間約束Petri網和擴展UML相結合并應用到嵌入式系統設計的方法。它主要包括兩個方面，一是利用Petri描述異步和并發性的能力來擴展UML的構造型和流程圖，另一方面是將UML轉化為Petri圖，進而可以利用Petri強大的數學理論體系來驗證UML的正確性。利用Petri網庫所和變遷的性質，可以很好地擴展和描述UML的狀態和事件；利用多個變遷都有被允許的可能，但同一時刻只能有一個變遷發生，來對應和描述UML中的并發性；利用令牌的轉移來描述系統的動態特性。為了更準確地描述嵌入式系統的時間特性，在傳統Petri網的基礎上再引入時間因子，進而可以支持系統對實時性的要求。根據對Petri以上特性的研究，本文利用UML的擴展機制，擴展了UML的構造型元素：描述并發機制的消息隊列、控制共享資源和任務同步的信號量、描述任務之間關系的關聯標志、描述任務之間實時性的時間約束。如圖1所示。(1)消息隊列。用于任務和中斷服務程序發送和接受消息的建模。消息隊列可以實現帶數據的通信和同步，暫時保持來自一個發送者的消息，直到有意的接受者準備讀這些消息。消息隊列把發送任務和接收任務分隔開，同時釋放發送和接收消息的任務。(2)信號量。用于控制共享資源的使用權、兩個任務的行為同步以及事件的發生的建模。信號量可以控制多個任務行為同步。(3)關系標志。用于控制任務與多個事件同步的建模。關系標志有兩種類型：獨立型和關聯型。獨立型用于任務與任何事件之一發生同步的建模，在圖標中用“OR”標識，關聯型在圖標中用“AND”標識，用于任若干事件都發生了同步的建模。(4)時間約束。用于系統實時性的建模。規定對一個任務輸入消息的時間與輸出消息的時間的差值滿足預訂的要求，并且可以描述不同任務之間對同步的特殊要求。利用以上構造的模型元素，可以設計系統的UML狀態圖，準確地描述嵌入式實時系統任務間并發執行的動態關系，進而完成系統設計的各個細節3.2UML向Petri網的轉化通過以上擴展的構造型可以設計系統的UML狀態圖，但UML不能提供模型驗證，而Petri網已經有一套完整的體系包括公式、數學模型、分析模型來驗證所建造的模型，通過將UML模型轉化為Petri網模型，然后對Petri網模型的分析驗證，可以找出系統設計的缺陷，提高系統的正確性和安全性。因而可以將UML圖轉化成Petri網來進行模型驗證，進而進一步修改和完善UML圖。轉化的方法要從狀態圖和Petri網的構成元素著手。狀態圖包括狀態和遷移。狀態的主要要素為：在進入和退出狀態時所執行的操作；在不使狀態發生變更的情況下進行的轉移，稱為內部轉移；狀態的嵌套結構，稱為子狀態；延遲的事件，是指未在該狀態中處理但被延遲處理的一系列事件。轉移的要素為：源狀態，指轉移所影響的狀態；事件觸發器，即使轉移滿足觸發條件的事件；警戒條件，一種布爾表達式，在接收到事件觸發器而觸發轉移時，將對該表達式求值；操作，指可執行的、不可分割的計算過程，該計算可能直接作用于擁有狀態機的對象，也可能間接作用于該對象可見的其他對象；目標狀態，完成轉移后被激活的狀態。Petri網的基本構成元素是庫所、變遷、有向弧和令牌，一個流程有當前狀態、可達狀態、不可達狀態。將UML轉換為Petri網時，狀態圖的狀態對應Petri網的庫所，狀態圖的遷移對應Petri的變遷，遷移的警戒條件對應變遷的發生條件。設置發送消息的庫所INP、接受消息的庫所OUTP、控制處理事件的庫所CEP，入口操作、出口操作和操作都各自產生一個事件發送給控制處理事件的庫所。內部遷移和延遲事件不會導致狀態的遷移，所以忽略處理。4應用實例

現在以一個智能生化分析系統為例來說明利用這種擴展UML來設計系統，并將設計好的UML圖轉化成Petri網的過程。智能生化分析系統可以管理被分析對象的樣體和各種測定用標準樣體的所有配置，并可完成自動分析過程。其UML設計如圖2所示。

分析測定之前要進行標準樣體的配置，根據其配置進行標準樣體的校正處理，而接受被分析對象和測定設置的工作也可同步進行，但是校正分析和接受樣體的處理需要受到實時性制約，然后進行分析測定，最后輸出分析結果。本系統可以同時檢測多個樣體，所以可以使用消息隊列來進行信號的傳遞。整個處理過程中，每個處理的發生和停止需要控制信號的控制，該信號為為互斥性同步信號，用信號量來傳遞。