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CODARTS建模方法在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中的應用
摘要：嵌入式系統的工作環(huán)境基礎上都是并發(fā)和實(shí)時(shí)的。隨著(zhù)應用需求的增長(cháng)，嵌入式系統軟件不得不變得越來(lái)越復雜，越來(lái)越龐大。CODARTS方法融入了COBRA方法和DARTS方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了針對并發(fā)和實(shí)時(shí)系統軟件的設計方法，為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工作提供了一條捷徑。本文結合實(shí)時(shí)檢測系統的具體應用，簡(jiǎn)要介紹CODARTS的實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程。隨著(zhù)半導體制造行業(yè)的迅速發(fā)展，微處理器的價(jià)格在實(shí)際性能大幅度提升的同時(shí)卻在大幅度降低，使得基于嵌入式處理器和微型計算機系統的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統成為解決諸多應用問(wèn)題的一種高效率、低成本的有效方案。目前，囊括工業(yè)、消費電子、醫療、軍事等許多方面的產(chǎn)品都是基于嵌入式系統的。隨著(zhù)應用需求的日益增長(cháng)，嵌入式系統的功能越來(lái)越強大，系統體系結構越來(lái)越復雜，對系統軟件的要求也很自然的“水漲船高”。由于多數嵌入式系統工作在并發(fā)性和實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，因此，并發(fā)和實(shí)時(shí)嵌入式系統軟件設計面臨著(zhù)巨大的挑戰。國內外許多專(zhuān)用人士結合嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗，針對嵌入式系統軟件開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)提出了許多有效的解決辦法，本文所介紹的CODARTS建模方法就是其中的一種。
1 CODARTS方法概述
CODARTS（Concurrent Design Approach for Real-Time System）方法源自20世紀80年代初，是在解決工業(yè)機器人控制系統問(wèn)題中產(chǎn)生的。其前身為DARTS（實(shí)時(shí)系統結構設計方法），后來(lái)為了解決分布式實(shí)時(shí)應用程序的需要，融入了采用狀態(tài)轉換圖對系統行為特征建模等方法，逐步演化成為CODARTS建模方法。
CODARTS方法是一種通用的設計方法。它借鑒了COBRA（Concurrent Object Based Real-time Analysis）方法對系統進(jìn)行分析建模的思想，強調將系統分解為多個(gè)子系統，并將子系統定義為一組由若干對象和功能支持的服務(wù)。在系統劃分完成后，CODARTS使用DARTS方法將任務(wù)結構化作為工作重點(diǎn)，提供了任務(wù)結構化標準幫助確定并發(fā)任務(wù)、任務(wù)間接口，使用事件序列圖對整個(gè)系統建模，并支持設計方案的性能分析和軟件的增量式開(kāi)發(fā)。
CODARTS方法建模的主要步驟如下：
①開(kāi)發(fā)系統的環(huán)境模型和行為模型，使用COBRA方法對問(wèn)題域進(jìn)行分析和建模。COBRA方法為依據系統環(huán)境圖開(kāi)發(fā)環(huán)境模型提供了系統分解策略。采用COBRA方法將系統分解成為若干子系統，并且確定子系統中對象和功能以及它們在外事件序列場(chǎng)景 下進(jìn)行交互的方式。
②應用任務(wù)結構化標準確定系統（或子系統）中的并發(fā)任務(wù)，主要內容包括并發(fā)任務(wù)的確定、任務(wù)間通信以及同步接口的確定。
③應用模塊結構化標準確定系統中的信息隱藏模塊。信息隱藏模塊的思想為盡可能地減少或消除全局變量，把有可能發(fā)生的變化信息封裝在一個(gè)模塊內容。
④根據任務(wù)劃分和信息隱藏模塊劃分構建軟件構架。
⑤定義組建接口規范、以增量方式開(kāi)發(fā)軟件。
2 CODARTS應用
下面結合實(shí)例介紹如何在具體應用中使用CODARTS進(jìn)行系統分析和建模。
（1）問(wèn)題域簡(jiǎn)要描述
某廠(chǎng)自動(dòng)化產(chǎn)品檢測生產(chǎn)線(xiàn)要求具備的功能是，通過(guò)對該產(chǎn)品在各種工作狀態(tài)中的電壓、電流、壓力、溫度等參數的檢測來(lái)判斷該產(chǎn)品的生產(chǎn)合格情況。其中的智能檢測模塊為主要設計內容。該檢測模塊具有可配置的多通路檢測；能夠和上位PC通過(guò)RS485進(jìn)行通信，根據PC的指令或者本地鍵盤(pán)輸入的指令進(jìn)行系統運行控制、配置參數設定、采樣結果上傳等；能夠支持本地LCD界面顯示；根據指令完成手動(dòng)或者實(shí)時(shí)自動(dòng)（按照系統設定時(shí)鐘間隔）參數采樣和結果顯示；能夠自動(dòng)進(jìn)行抗干擾軟件處理。
（2）處理環(huán)境圖
CODARTS方法使用COBRA方法開(kāi)發(fā)系統環(huán)境模型。系統環(huán)境模型描述了系統運行時(shí)所處的外部客觀(guān)環(huán)境，包括系統的輸入和輸出。其關(guān)鍵問(wèn)題是確定與系統之間存在接口的外部實(shí)體——終端。終端通常代表數據源或數字接收者或兩者的結合。判斷終端的標準通常是觀(guān)察外部實(shí)體是否直接與系統連接。根據問(wèn)題域的描述，系統外部環(huán)境由上位PC、系統時(shí)鐘、電源監控、各種工作參數傳器、本地鍵盤(pán)、本地LCD和工作區解發(fā)開(kāi)關(guān)組成。由圖1可見(jiàn)，系統環(huán)境外部實(shí)體均為真實(shí)環(huán)境中的外部I/O設備。
（3）子系統環(huán)境圖
通常所開(kāi)發(fā)的系統都是復雜的，所以COBRA要求將系統分解成為子系統，各個(gè)子系統之間應該是相對獨立的和松散耦合的。子系統內部要求具有較強的內聚性，并且要求合理定義子系統之間的接口，這樣子系統可以獨立進(jìn)行設計。子系統劃分原則：①子系統可以由一個(gè)或多個(gè)功能緊密聯(lián)系的對象構成；②外部實(shí)體僅與一個(gè)子系統存在接口；③數據存儲應該封裝在一個(gè)子系統中；④一個(gè)控制對象應該構成一個(gè)子系統。按照上面的標準，結合系統環(huán)境圖進(jìn)行分解可以得到子系統環(huán)境圖，如圖2所示。
系統分解為系統控制和檢測兩個(gè)子系統。這兩個(gè)子系統之間的接口有兩個(gè)，分別是啟動(dòng)檢測事件和檢測結果。
（4）建立系統行為模型
行為模型是指描述系統在外部環(huán)境輸入的作用下的響應。通常，系統的響應是基于系統狀態(tài)的，因此，要用狀態(tài)/數據轉換圖作為描述系統行為的方法是十分直觀(guān)和有效的。圖2中“系統控制”子系統通過(guò)控制轉化圖進(jìn)行行為建模，如圖3所示。
從圖3中可以看到，“系統控制”子系統的狀態(tài)轉化均是基于外部環(huán)境事件和系統內部事件觸發(fā)而產(chǎn)生的。因此在開(kāi)發(fā)了控制狀態(tài)轉換圖之后，設計人員需要考慮來(lái)自外部環(huán)境的輸入，即開(kāi)發(fā)場(chǎng)景。每個(gè)場(chǎng)景都是由若干外部事件的序列組成的。采用不同場(chǎng)景作為輸入，可以很好地驗證系統控制狀態(tài)轉換的正確性。
（5）劃分對象、確定相應功能
對象和功能是系統中最
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