基于UML MARTE處理AADL的端到端流延遲

楊夏

摘 要：AADL和MARTE都支持對實時嵌入式系統(tǒng)形式化建模的分析。利用MARTE的時間模型設備，研究MARTE是如何對實時嵌入式系統(tǒng)的建模和分析的，能夠比較準確的通過事件或者數(shù)據(jù)端口的端到端流延遲分析，表達AADL周期性或非周期性任務。

關鍵詞：AADL；MARTE；流延遲

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)必須支持在異構架構上部署異構應用。因此，根據(jù)所施加的實時限制，對配對早期性能進行估計，非常必要。這就要求設計一個即是應用程序也是系統(tǒng)結構的模型，該模型是定義應用性功能映射到體系結構的資源和服務的有效手段。

AADL和MARTE是具備這樣功能的兩個的模型框架。雖然他們有許多相似的功能，但MARTE在建模方面更為詳細。可不可用MARTE模型框架代替AADL模型框架進行嵌入式系統(tǒng)建模呢？前提是MARTE必須解決的一個問題是：如何表現(xiàn)AADL提供的任務之間的特定通信方案。AADL在原來的諧波或者獨立期情況下，任務可以是周期性的或非周期性的，任務之間的通信可以使用事件數(shù)據(jù)或純數(shù)據(jù)端口進行。

讓MARTE代表所有周期性與非周期性，事件觸發(fā)與采樣數(shù)據(jù)等類型的通信雖然是挑戰(zhàn)，但同時也有機會提供建模框架內的實時語義。使用MARTE時間模型構建語義[1]結構的目的是，以一種正式的方式為計算和通信定義一個新的計時領域。本文的主要目的是，AADL在終端到終端的流量延時分析中，MARTE具體如何實現(xiàn)，這種實現(xiàn)是否可納入正式的標準附件。

2 AADL的MoCC與 MARTE.（AADL MoCC with

MARTE）

MoCC（Model of Computation & Communication）即計算和通信模型。在MARTE中除了模型元素，時間語義元素也必須被定義。一方面是計算模型中的時間語義，即計算的開始、完成或中止時的時間語義。另一方面是通信模型中的時間語義，即什么樣的通信被使用。MARTE的時間語義子信息，從標簽系統(tǒng)的原理中得到啟發(fā)，提供了一組通用的機制來定義MoCC。可以使用原型時鐘約束作為MARTE的約束，它派生自UML的約束元類。使用在時鐘約束上的語言叫做時鐘約束規(guī)范語言CCSL，它被定義為MARTE規(guī)格的附件。

在AADL中兩種通信都是可能的：其一是數(shù)據(jù)驅動的通信，是指給定任務的執(zhí)行是通過前面的多個任務所產生的數(shù)據(jù)的可用性而觸發(fā)的。這里的前面是指在控制流定義的順序中處于前面。其二是采樣通信，其中的純數(shù)據(jù)僅被作為采樣和用來表示任務是否被激活時使用。數(shù)據(jù)驅動的通信存在于鏈中，這個鏈可以通過兩種方式存在：其一，通過事件或事件的數(shù)據(jù)端口連接的非周期的任務、設備或線程組成。其二，通過一個即時連接的數(shù)據(jù)端口將同步的周期性任務連接起來。在第二種情況下，耗時的任務變?yōu)榉侵芷谛裕瑫r，它的執(zhí)行是通過在完成生產任務時被觸發(fā)的。CCSL時鐘關系與數(shù)據(jù)驅動通信模型交替更迭。

step1.finishalternatesWithstep2.start （1）

式（1）說明了從第1步到第2步的數(shù)據(jù)驅動通信。注意，該約束是不對稱的，步驟1的完成可能導致步驟2的執(zhí)行，反之不一定成立。

采樣通信發(fā)生在不同的情況下。例如，當兩個異步的任務通信時，或者是當兩個同步周期性任務通過一個延遲連接的數(shù)據(jù)端口而被連接時都可能發(fā)生采樣通信。

step2.start = step1.finish sampledTo^step2 （2）

式（2）顯示了從第一步到第二步的采樣通信。^step2表示步驟2的激活條件。如果步驟2是一個周期性的線程，那么它的激活條件可以使用CCSL中的isPeriodicOn關系來定義，見式（3）和式（4）。

C100=idealClkdiscretizedBy 0.01 （3）

^step2 isPeriodicOn C100 period=10 （4）

idealClk在MARTE中被定義為時間庫，代表一個有密集計時功能的（有關物理時間）完美（沒有抖動或其他任何瑕疵）時鐘。式（3）由離散idealClk定義C100。idealClk的默認單位是秒，所以C100是一個100Hz的離散計時時鐘。第二步對C100定義周期為10，見式（4），這使得第二步是一個10Hz的離散計時時鐘。另外，第二步是一個非周期性線程，它的激活狀態(tài)不會一直綁定在邏輯時鐘上。

3 舉例（An example）

3.1 AADL的描述

選取了一個系統(tǒng)進行說明[2]。該系統(tǒng)由一個傳感器裝置的Ds，兩個進程P1和P2，以及執(zhí)行設備Da組成。進程P1包含一個單獨的線程T1，進程P2包含兩個線程T2和T3。端到端的流從Ds開始，流經(jīng)T1、T2和T3，最后再Da結束[3]。如圖1所示。

圖1 一個AADL模型（從傳感器經(jīng)過三個線程到達執(zhí)行器）

的流示例圖

Fig.1 Flow extracted from an AADL model

將上述AADL模型部署在基于AADL的OSATE Eclipse插件的環(huán)境中，如圖2所示。流從一個傳感器開始，經(jīng)過三個進程，最后匯集在執(zhí)行器。傳感器和執(zhí)行器都是非周期性裝置，是執(zhí)行平臺的一部分。每個進程執(zhí)行一個線程。另外，通過總線（DB1）通信的有兩個處理器（CPU1和CPU2），該主機有三個進程，這些進程帶有一些約束。這三個進程可以由任何一個處理器處理，也可以是組合執(zhí)行。

圖2 系統(tǒng)實例在OSATE平臺上的部署圖

Fig.2 The system in OSATE

3.2 用MARTE表示同步采樣流

用UML的活動圖描述模型算法，如圖3的上半部分所示。所有的通信都通過無限隊列的事件數(shù)據(jù)端口進行。與圖1相比，把獲取和釋放兩個動作看作設備的行為。

在圖3的中間部分和下部，利用類組合結構圖，對AADL軟件和執(zhí)行平臺組件進行建模。從MARTE的stereotypes提取的信息，可以確定適當?shù)臅r鐘約束，如圖4所示。

圖3 用MARTE模型描述所有周期情況圖

Fig.3 All periodic case MARTE model

圖4 所有周期情況的CCSL約束圖

Fig.4 All periodic case of CCSL constraints

由于示例中的所有線程都有周期性和同步性，所以，前三次通信：從獲取到第一步，從步驟1至步驟2，從步驟2到步驟3，將被進行采樣通信。最后的通信，即從步驟3到釋放，是數(shù)據(jù)驅動的，這是因為設備是非周期性的。

式5聲明了所有周期性線程的共同時鐘。圖4用等效圖形表示CCSL約束。綠色箭頭表示通信。虛線箭頭表示即時關系。平原箭頭表示嚴格的優(yōu)先級，而空箭頭表示沒有嚴格的優(yōu)先級。用式（6）和式（7）可以解釋。

獲取（Ds）完成（Ds.finish）動作的瞬間被置于兩個任務的時鐘之間[4]，這個瞬間稱為clki（第6式）這意味著，操作步驟1必須緊跟在任務clki+1，如式（7）。

clk≡idealClkdiscretizedBy P （5）

（i∈N*）（Ds.finish∈[clki，clki+1]） （6）

step1.start [clki+1，clki+2]） （7）

這是一個異步采樣的定義。異步設備Ds發(fā)出的數(shù)據(jù)通過同步線程T1取樣，這個過程遵循它自己的時鐘clk。

AADL的綁定機制等價于MARTE的配置包。首先，行為和對象節(jié)點以軟件組件的形式被分配，如圖4的虛線箭頭。第二，軟件組件被分配給執(zhí)行平臺的模型元素。

所有這些注釋，都可以用模型驅動工程技術提取，并送入實時分析工具，包括AADL延時分析工具。圖5所示是UML和MARTE的時序圖，加粗的水平線表示執(zhí)行時間，它等于設備的延遲加上最小執(zhí)行時間和線程的截止時間之間的值域。兩條水平線之間的斜線代表通信和采樣延遲。對于采樣通信，相當于等待接收時鐘的下一個時鐘滴答的時間總和。最大采樣延遲出現(xiàn)在為了完整的采樣周期而進行的通信等待時，因為有可能前面滴答剛好錯過。從圖中的分析結果來看，MARTE比AADL有一些優(yōu)勢。

以下的這些公式可以作為AADL延遲分析工具。

End-to-End Flow Latency=Ds.latency+flow latency+Da.latency

Flow Latencyworst-case=t1.period+t2.period+t3.period +ts.deadline

Flow LatencyBest-case=t1.period+t2.period+t3.period+t3.MinExecTime

Latency jitter=t3.deadline-t3.MinExecTime

圖5 所有周期情況的時序圖

Fig.5 All periodic case of timing diagrams

4 結論（Conclusion）

本文中，我們展示了如何將MARTE用于模擬具有周期性和非周期性任務的混合系統(tǒng)中，這對嵌入式系統(tǒng)建模來說，是一個比較重要的問題。另外，還比較了MARTE與AADL，得出的結論是：MARTE可以用公式計算流延遲。更為重要的是，MARTE及其時間模型可以用于模擬計算和通信的各種定時模型。

參考文獻（References）

[1] André C，Mallet F，de Simone R（2007）：ModelingTime（s）.

Springer LNCS 4735：559-573.

[2] Faugère M，Bourbeau T，de Simone R，Gérard S（2007）：

MARTE：Also an UML Profile for Modeling AADLApplications.

ICECCS：359-364.

[3] Feiler P.H，Hansson J：Flow Latency Analysis with the

Architecture Analysis and Design Language（AADL）.Carnegie

Mellon University，Technical Note CMU/SEI-2007-TN-

010，June 2007.

[4] André C，Mallet F，de Simone R（2007）：Modeling ofImmediate

vs.Delayed Data Communications：from AADLto UML

MARTE". ECSI FDL 2007.

作者簡介：

楊 夏（1976-），女，碩士，副教授.研究領域：嵌入式系統(tǒng)與

編譯優(yōu)化.