在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模型的方法，有利于保證系統(tǒng)的正確性，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用。作為面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，統(tǒng)一建模語言UML可以將復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單化，并能從需求分析、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)等各階段為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員提供有力支持。但UML缺乏精確的語義描述，因此無法對用UML建立的嵌入式" title="的嵌入式">的嵌入式系統(tǒng)模型進(jìn)行形式化的分析和驗(yàn)證。Petri網(wǎng)建模方法基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論，使用形式化規(guī)范對系統(tǒng)建模，并且可以通過眾多的工具完成驗(yàn)證。但Petri網(wǎng)建模方法不直觀,在需求獲取、交流等方面存在無法克服的弱點(diǎn)。
　　UML與Petri網(wǎng)相結(jié)合的建模方法能實(shí)現(xiàn)二者互補(bǔ)，既能有效獲取需求、分析設(shè)計(jì)，又能進(jìn)行嚴(yán)格建模、形式化驗(yàn)證。UML與Petri網(wǎng)結(jié)合建模的主要研究和應(yīng)用都集中于工作流的建模。本文在上述背景下研究了基于UML和Petri網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的方法。
1 相關(guān)研究
　　目前，已經(jīng)有幾種影響比較大的、基于UML的、用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的語言和建模方法，如RTUML、COMET、ROPES。
　　在嵌入式系統(tǒng)的UML模型檢驗(yàn)方面，也出現(xiàn)了一些利用UML的狀態(tài)圖" title="狀態(tài)圖">狀態(tài)圖對模型進(jìn)行檢驗(yàn)的方法。這些方法都是把UML的狀態(tài)圖翻譯為現(xiàn)有模型檢驗(yàn)工具的輸入語言(如SPIN、SMV)后加以驗(yàn)證，但對模型而言，它們不是最自然、最有效的方法。首先它忽視了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)特征；其次，翻譯后會(huì)引入較多的冗余，而且由于意義不同需要額外處理。并且這種只能檢驗(yàn)部分性質(zhì)的方法涉及到許多形式化內(nèi)容，一般軟件開發(fā)人員難以掌握。因此，這種方法的使用范圍相當(dāng)有限。
　　隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了多種擴(kuò)充的Petri網(wǎng)模型。其中，最典型的有OPNets(Object Oriented High-Level Petri Nets)、ETPN(Extended Time Petri Nets)和PRES(Petri net based Representation for Embedded Systems)。
　　由于自身的原因，Petri網(wǎng)在捕獲用戶的需求、實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)與需求分開、交流等方面有難以克服的弱點(diǎn)。同時(shí)，Petri網(wǎng)只是一種用來描述和分析系統(tǒng)模型的工具,不是計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)工具,必須采用一定的方法通過軟件才能實(shí)現(xiàn)。
2 方法架構(gòu)
　　本文針對嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)、并發(fā)、事件驅(qū)動(dòng)等特性，借鑒COMET、ROPES、OPNets、ETPN和PRES等影響比較大的、基于UML或者Petri網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模方法，提出UML與Petri網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方案。其方法構(gòu)架如圖1所示。

　　具體說明如下：
　　(1)創(chuàng)建系統(tǒng)協(xié)作圖(環(huán)境圖，Context Diagram)以說明對象/數(shù)據(jù)的輸入輸出。創(chuàng)建需求可追蹤性表，列出需求名、需求號(hào)、引用、用例、UML元素、測試實(shí)例、描述、職責(zé)等。給出評(píng)審管理計(jì)劃、時(shí)間表、風(fēng)險(xiǎn)、命名/編碼標(biāo)準(zhǔn)、方法設(shè)計(jì)(過程/構(gòu)造型/特征/約束)。這部分是可選的，也可以通過相關(guān)的替代方式來描述。
　　(2)充分利用用例描述系統(tǒng)需求。嵌入式系統(tǒng)需要與外部環(huán)境交互。重要的外部對象及其對系統(tǒng)的交互構(gòu)成系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)。在需求描述階段不考慮設(shè)計(jì)因素，只定義系統(tǒng)各方面的行為。這個(gè)階段相當(dāng)于一般的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品定義階段。
　　(3)分析需求，確定硬件和軟件之間的分界(即軟硬件劃分)，創(chuàng)建一個(gè)高級(jí)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜控制算法精化和特征化。劃分完后進(jìn)入硬件設(shè)計(jì)階段，可按上所述設(shè)計(jì)過程開發(fā)硬件。相對簡單的系統(tǒng)可以跳過這一步驟。
　　(4)利用UML的靜態(tài)圖描述系統(tǒng)的靜態(tài)模型。定義系統(tǒng)中對象的類、類的屬性、類之間的關(guān)系及每個(gè)類的操作。
　　(5)對象分析，確定參與每一個(gè)用例的對象及相互間關(guān)系。對象可以是實(shí)體對象、接口對象(設(shè)備接口、用戶接口、系統(tǒng)接口)、控制對象和應(yīng)用邏輯對象。
　　(6)利用UML的動(dòng)態(tài)圖描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。開發(fā)對象的交互圖，顯示參與用例的對象之間交互的次序，分析對象間交互的次序及傳送的信息。同時(shí)，為每個(gè)狀態(tài)依賴協(xié)作圖中的對象開發(fā)一個(gè)狀態(tài)圖，識(shí)別這些關(guān)鍵抽象如何響應(yīng)外部和內(nèi)部激勵(lì)，以及它們?nèi)绾蝿?dòng)態(tài)協(xié)作以獲得系統(tǒng)級(jí)的功能。
　　(7)進(jìn)入設(shè)計(jì)建模階段，綜合分析模型，采用迭代的方式得到整個(gè)軟件的體系結(jié)構(gòu)。
　　(8)將類圖和狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)Petri網(wǎng)模型并分析驗(yàn)證。如模型不正確，則需重新審視其設(shè)計(jì)。如果正確，則進(jìn)行構(gòu)件映射，以節(jié)約此后相關(guān)開發(fā)的時(shí)間。對于構(gòu)件，應(yīng)按照可重用的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、打包和編寫文檔。
　　由于嵌入式系統(tǒng)通常為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而且許多嵌入式系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)程序的實(shí)時(shí)特性，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)時(shí)需要考慮此系統(tǒng)是否有時(shí)間的限制。這些時(shí)間限制可能是局部的或者是全局的，區(qū)別在于這個(gè)時(shí)間限制相對于整個(gè)系統(tǒng)的位置。在編寫程序時(shí)，必須滿足這些限制，避免實(shí)際執(zhí)行時(shí)超出時(shí)間限制所造成的影響。在這方面，可以將序列圖轉(zhuǎn)換為時(shí)間Petri網(wǎng)來進(jìn)行程序排程驗(yàn)證。此外，對于內(nèi)部交互比較復(fù)雜的子系統(tǒng)，為達(dá)到良好的建模效果，可直接運(yùn)用OPNets進(jìn)行設(shè)計(jì)，使子系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)形式化與可視化，同時(shí)使建模、模擬與運(yùn)行一體化。
3 應(yīng)用實(shí)例
　　本文所舉應(yīng)用示例為：商家擁有三臺(tái)客戶稅控機(jī)" title="稅控機(jī)">稅控機(jī)，一臺(tái)服務(wù)器稅控機(jī)，服務(wù)器稅控機(jī)直接控制兩臺(tái)發(fā)票打印機(jī)，為有需要的顧客打印發(fā)票。即顧客向客戶機(jī)操作員提出申請，操作員向服務(wù)器稅控機(jī)申請執(zhí)行相關(guān)操作，服務(wù)器稅控機(jī)將要打印的發(fā)票信息輸送到兩臺(tái)打印機(jī)中的一臺(tái)，顧客到發(fā)票打印機(jī)處取發(fā)票。為節(jié)約成本，客戶端采用8位單片機(jī)，服務(wù)器采用32位單片機(jī)。
　　按照前面所述方法，建立了系統(tǒng)相關(guān)的類圖和狀態(tài)圖，如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

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　　在描述狀態(tài)圖和類圖方面，本文遵循的原則為：事件(events)和動(dòng)作(actions)必須表示為有效的方法(methods)。一個(gè)狀態(tài)圖中的類能夠監(jiān)聽請求其方法(request(＜method＞) )的事件，也能夠發(fā)出所請求的方法已完成(commit(＜method＞))的信號(hào)。對于狀態(tài)圖中的動(dòng)作，既可以是請求一個(gè)外部服務(wù)(request(＜method＞))，也可以是執(zhí)行一個(gè)方法(ser(＜method＞))。
　　通過將UML圖映射到Petri網(wǎng)，便可以對UML定義采取嚴(yán)格正式的分析了。Petri網(wǎng)支持多種不同開銷和精度的分析方法，如模擬、可達(dá)樹、關(guān)聯(lián)矩陣、狀態(tài)方程。這里主要討論動(dòng)態(tài)方面的主要技術(shù):模擬、可達(dá)樹。
　　模擬包括建立一個(gè)使燃順序并將其表示為UML狀態(tài)。模擬要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)挠?jì)算資源并且是自動(dòng)化的。它能夠揭示缺陷，并為最終用戶提供重要的信息反饋，因此它支持對定義的驗(yàn)證。例如，通過圖6所示的Petri網(wǎng)進(jìn)行模擬可以使用戶理解系統(tǒng)的最終行為，因此能夠在早期驗(yàn)證定義發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。通過分析圖6的模擬執(zhí)行序列，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)模型明顯不正確，因?yàn)樗梢栽试S顧客打印與他們所購買商品不同的發(fā)票清單。在本例中，問題可以追溯到設(shè)計(jì)時(shí)的錯(cuò)誤:軟件工程師沒有指定顧客應(yīng)該到哪一個(gè)打印機(jī)取發(fā)票，因此Customer1可以到Printer2打印發(fā)票，而實(shí)際上Printer2是為Customer2開的。通過模擬可以發(fā)現(xiàn)問題，但不能保證不會(huì)出現(xiàn)與預(yù)期不相符的行為。
　　可達(dá)樹用以描述Petri網(wǎng)的可達(dá)(標(biāo)識(shí))集，它既與Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與Petri網(wǎng)的初始標(biāo)識(shí)有關(guān)。通過分析Petri網(wǎng)的可達(dá)樹，可了解Petri網(wǎng)的許多重要性質(zhì)，如有界性、安全性、守恒性、可達(dá)性、覆蓋性甚至死鎖和活性等。對從UML模型轉(zhuǎn)換過來的Petri網(wǎng)模型，可達(dá)樹法還可以保證類定義性，被證明是一種有效的分析方法。但它窮舉所有有限的可能狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，因此只適合驗(yàn)證比較小的Petri網(wǎng)系統(tǒng)。對于一般的嵌入式系統(tǒng)而言，利用模擬分析的方法已足夠。
　　同時(shí)，對于內(nèi)部交互比較復(fù)雜的子系統(tǒng)，可以直接運(yùn)用OPNets進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。