基于Petri網(wǎng)的嵌入式軟件組件的實(shí)時(shí)性研究

隨著科技的發(fā)展，大多數(shù)的電子系統(tǒng)和產(chǎn)品含有特定的硬件器件和功能模塊，顯然這些系統(tǒng)是多種類(lèi)、嵌入式的。嵌入式的軟/硬件設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜工作，為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)行效果、內(nèi)存受限等要求，嵌入式系統(tǒng)除了需要實(shí)現(xiàn)功能需求外，非功能性的約束(Non-functional constraints)也是非常重要的。非功能性約束包括實(shí)時(shí)性、程序性能、穩(wěn)定性、可靠性、安全性、內(nèi)存限制、存儲(chǔ)空間限制等[1-2]。對(duì)于非功能性約束的考慮方法可以分為兩大類(lèi)：面向過(guò)程(process-oriented)的方法和面向產(chǎn)品的方法(product-oriented)。面向過(guò)程的方法，指使用非功能性約束信息指導(dǎo)軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。面向產(chǎn)品的方法，指在組件內(nèi)部描述非功能性約束信息，并檢查組件構(gòu)成的產(chǎn)品的非功能性約束信息判斷軟件是否滿(mǎn)足要求的非功能性約束。本文中使用面向產(chǎn)品的方法對(duì)嵌入式組件模型SECOM(Simple Embedded Component Object Model)的非功能性約束進(jìn)行分析，在組件內(nèi)部采用Petri網(wǎng)方法描述非功能性約束信息。

1 時(shí)間Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)是一種可用圖形表示的組合模型,具有直觀、易懂和易用的優(yōu)點(diǎn),可用于模擬帶有并發(fā)性、異步性、分布式、非確定性、并行性等特性的系統(tǒng)。而用時(shí)間Petri網(wǎng)[3-4](簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)間網(wǎng)TPN)建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，可進(jìn)一步將系統(tǒng)中事件從發(fā)生到結(jié)束所需的時(shí)間描述出來(lái)。

時(shí)間網(wǎng)TPN中表示事件的持續(xù)時(shí)間的方法有兩種：一種是將各事件的持續(xù)時(shí)間標(biāo)在庫(kù)所的旁邊，表示庫(kù)所中產(chǎn)生的托肯要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能參與網(wǎng)中的運(yùn)行；另一種方法是將時(shí)間標(biāo)注在變遷的旁邊，表示當(dāng)該變遷具有發(fā)生條件時(shí)要延遲一段時(shí)間后才能發(fā)生，或該變遷發(fā)生后，立即從相應(yīng)的輸入庫(kù)所中移走相應(yīng)的托肯，但要延遲一段時(shí)間后才在相應(yīng)的輸出庫(kù)所中產(chǎn)生相應(yīng)的托肯[5-6]。在下面的時(shí)間P/T網(wǎng)定義中采用的是后一種方法。

定義1：當(dāng)某一變遷的發(fā)生條件滿(mǎn)足時(shí)，若該變遷要延遲一段時(shí)間后才從相應(yīng)的輸入庫(kù)所中移走相應(yīng)的托肯并得到發(fā)生后果，或該變遷發(fā)生后，立即從相應(yīng)的輸入庫(kù)所中移走相應(yīng)的托肯，但要延遲一段時(shí)間后才得到發(fā)生后果，則稱(chēng)這樣的變遷為時(shí)間變遷。

定義2：當(dāng)某一變遷的發(fā)生條件滿(mǎn)足時(shí)，若該變遷立即從相應(yīng)的輸入庫(kù)所中移走相應(yīng)的托肯，且立即得到發(fā)生后果，則稱(chēng)這樣的變遷為立即變遷。

在時(shí)間P/T網(wǎng)的圖形表示中約定，用矩形框表示時(shí)間變遷，用黑線(xiàn)表示立即變遷。下面是時(shí)間P/T網(wǎng)模型的形式化定義。

根據(jù)延遲時(shí)間是一個(gè)固定值還是一個(gè)區(qū)間值，TPN還可分為固定延遲時(shí)間P/T網(wǎng)和不固定延遲時(shí)間P/T網(wǎng)。在固定延遲時(shí)間P/T網(wǎng)中，對(duì)于任意的變遷t∈T1，都有一個(gè)非負(fù)的實(shí)數(shù)r與之相對(duì)應(yīng)，使得變遷t的延遲時(shí)間為r。在不固定延遲時(shí)間P/T網(wǎng)中，對(duì)于任意的變遷t∈T1，都有一個(gè)對(duì)偶[Bcet，Wcet]與之相對(duì)應(yīng)(Bcet≥0，Wcet≥0)，使得若在a時(shí)，t的發(fā)生條件成立，則t可在時(shí)間區(qū)間[a+Bcet，a+Wcet]內(nèi)執(zhí)行，即t有效時(shí)，其相應(yīng)的輸入庫(kù)所中的托肯將至少保留Bcet s，直至(a+Wcet) s時(shí)才移出，或t有效時(shí)，其相應(yīng)的輸入庫(kù)所中的托肯立即移出，但將至少保持Bcet s，直至(a+Wcet) s時(shí)才產(chǎn)生后繼標(biāo)識(shí)，本文中將采用第一種方式。

2 SECOM組件模型

基于嵌入式系統(tǒng)高度可裁剪性、資源受限的特點(diǎn)和對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀的分析[6]，本文給出一種新的、基于源代碼復(fù)用的、精簡(jiǎn)的嵌入式組件模型SECOM。該組件模型包含以下元素：

(1)瘦組件：SECOM組件是設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、重用的單元，是程序的基本組成塊，是在完成基本功能前提下的極小化，所以稱(chēng)之為“瘦組件”。組件與接口相互獨(dú)立，是接口功能的具體實(shí)現(xiàn)者。組件之間通過(guò)接口通信，互相協(xié)作完成軟件功能。組件的定義是可遞歸的。

(2)簡(jiǎn)接口：接口用來(lái)定義功能函數(shù)，是一組相關(guān)函數(shù)的集合，分離了瘦組件的定義與實(shí)現(xiàn)，徹底消除了接口調(diào)用者和實(shí)現(xiàn)者之間的耦合關(guān)系，增強(qiáng)了信息封裝性。接口具有唯一性、不變性、繼承性和多態(tài)性。同一接口在不同組件內(nèi)有不同的實(shí)現(xiàn)方式。接口分為兩類(lèi)：①服務(wù)接口(Provide Interface)，接口所在組件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了此接口類(lèi)型的功能，可以向組件外部提供服務(wù)；②請(qǐng)求接口（Require Interface），接口所在組件內(nèi)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)此接口的功能，組件需要向外部請(qǐng)求此接口的實(shí)現(xiàn)。

(3)靈敏橋接器：橋接器完成接口之間的連接。根據(jù)現(xiàn)有條件的不同，采取不同的連接模式。連接模式有：直接連接(connecting)，選擇連接(selecting)和代碼塊粘連(gluing)。接口之間的消息交換是通過(guò)一個(gè)橋接器連接兩個(gè)或更多的接口實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)[7-9]。組件模型類(lèi)圖如圖1所示。

3 建模實(shí)時(shí)分析

嵌入式系統(tǒng)通常都是強(qiáng)實(shí)時(shí)性的，為了對(duì)實(shí)時(shí)性更有效地建模和分析，首先建立一個(gè)如圖2所示的TPN計(jì)時(shí)器timer，其中T1是一個(gè)時(shí)間變遷，延遲時(shí)間是一個(gè)固定值r，且r=Wcet。經(jīng)過(guò)時(shí)間r s后，P01中的托肯才會(huì)移出，P02中則會(huì)出現(xiàn)托肯；否則，當(dāng)小于時(shí)間r，并且有其他條件滿(mǎn)足時(shí)，finish變遷會(huì)發(fā)生。

下面對(duì)SECOM組件模型進(jìn)行實(shí)時(shí)建模分析。圖3中圓圈表示組件狀態(tài)，timer是前面利用TPN建立的計(jì)時(shí)器。其中M0={1，0，0，0，…}是初始標(biāo)識(shí)；P={P1，P2，…，P3，P4，P5}是一個(gè)有限庫(kù)所集；P1：接收其他組件訪(fǎng)問(wèn)該組件的一個(gè)請(qǐng)求require；P2：該組件處于連接和開(kāi)始工作狀態(tài)；P3：該組件處于工作結(jié)束狀態(tài)；P4：請(qǐng)求得到響應(yīng)后返回成功信息；P5：請(qǐng)求得不到響應(yīng)，返回錯(cuò)誤信息。

T={t1，t2，t3，t4}是一個(gè)有限變遷集，t1：請(qǐng)求P1經(jīng)過(guò)變遷t1連接要訪(fǎng)問(wèn)的組件，同時(shí)激發(fā)計(jì)時(shí)器timer開(kāi)始計(jì)時(shí)；t2：這是一個(gè)時(shí)間變遷，延遲時(shí)間是一個(gè)區(qū)間值[Bcet，Wcet]，至少經(jīng)過(guò)時(shí)間Bcet s，P2中的托肯才會(huì)移出，則P3中經(jīng)過(guò)至少Bcet s時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)托肯；t3：當(dāng)t2的變遷時(shí)間小于等于Wcet時(shí)間時(shí)，庫(kù)所P3和計(jì)時(shí)器中的庫(kù)所P01都擁有托肯，則變遷t3的發(fā)生條件滿(mǎn)足，即t3變遷發(fā)生，返回結(jié)果；t4：當(dāng)t2的變遷時(shí)間大于Wcet時(shí)間時(shí)，計(jì)時(shí)器中的P02中擁有托肯，則變遷t4會(huì)發(fā)生，返回失敗消息。

以上是對(duì)一個(gè)基本組件的實(shí)時(shí)建模。從P1狀態(tài)經(jīng)過(guò)P2和P3到達(dá)P4狀態(tài)，表明了該組件從收到請(qǐng)求、建立連接開(kāi)始工作到結(jié)束工作，返回成功信息。而從P1狀態(tài)不經(jīng)過(guò)P2和P3到達(dá)P5狀態(tài)，則說(shuō)明請(qǐng)求未能得到滿(mǎn)足，返回錯(cuò)誤信息。在SECOM模型中，t2變遷發(fā)生的時(shí)間處于[Bcet，Wcet]區(qū)間，從而說(shuō)明該組件模型滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。

當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)不太復(fù)雜的復(fù)合組件時(shí)，有些訪(fǎng)問(wèn)子組件步驟之間會(huì)出現(xiàn)順序問(wèn)題，即會(huì)出現(xiàn)同步問(wèn)題，因而需采取措施防止沖突發(fā)生。所采取的措施為：在兩個(gè)請(qǐng)求之間加入一個(gè)控制庫(kù)所P00，由它來(lái)控制訪(fǎng)問(wèn)的次序。從P11到t21的虛邊體現(xiàn)了require1比require2有優(yōu)先權(quán)：非空的P11阻止了t21的點(diǎn)火，其Petri網(wǎng)模型如圖4所示。

對(duì)復(fù)合組件的分析，比較簡(jiǎn)單的方法就是將每一個(gè)子組件作為一個(gè)子網(wǎng)連接起來(lái)，循環(huán)執(zhí)行。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)非常復(fù)雜的復(fù)合組件、甚至整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，調(diào)度任務(wù)繁瑣，可以考慮引進(jìn)一個(gè)單獨(dú)的調(diào)度決策，由它完成對(duì)所有子組件的調(diào)度。

本文根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種新的、簡(jiǎn)單的嵌入式組件模型SECOM，給出了模型的基本組成元素。同時(shí)，引入了時(shí)間Petri網(wǎng)，并使用時(shí)間Petri網(wǎng)TPN，建立了一個(gè)TPN計(jì)時(shí)器timer，利用其對(duì)該組件模型SECOM非功能性約束中的實(shí)時(shí)性進(jìn)行建模與分析，從而形式化地驗(yàn)證了該組件具有很好的實(shí)時(shí)性。