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

　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、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］。對于非功能性約束的考慮方法可以分為兩大類：面向過程（process-oriented）的方法和面向產(chǎn)品的方法（product-oriented）。面向過程的方法，指使用非功能性約束信息指導(dǎo)軟件的開發(fā)過程。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足要求的非功能性約束。本文中使用面向產(chǎn)品的方法對嵌入式組件模型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］（簡稱時(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。
　　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)在庫所的旁邊，表示庫所中產(chǎn)生的托肯要經(jīng)過一定的時(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)生條件滿足時(shí)，若該變遷立即從相應(yīng)的輸入庫所中移走相應(yīng)的托肯，且立即得到發(fā)生后果，則稱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，對于任意的變遷t∈T1，都有一個(gè)對偶［Bcet，Wcet］與之相對應(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、精簡的嵌入式組件模型SECOM。該組件模型包含以下元素：
　?。?）瘦組件：SECOM組件是設(shè)計(jì)、開發(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。
　?。?）簡接口：接口用來定義功能函數(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：①服務(wù)接口（Provide Interface），接口所在組件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了此接口類型的功能，可以向組件外部提供服務(wù)；②請求接口（Require Interface），接口所在組件內(nèi)沒有實(shí)現(xiàn)此接口的功能，組件需要向外部請求此接口的實(shí)現(xiàn)。
　?。?）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一個(gè)橋接器連接兩個(gè)或更多的接口實(shí)例來實(shí)現(xiàn)［7-9］。組件模型類圖如圖1所示。