DARTS實時軟件分析設計方法

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1、 DARTS實時軟件分析設計方法 主講：謝小云 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 1、 DARTS設計方法概述 2、 DARTS設計方法的設計步驟 3、基于 DARTS的洗衣機控制軟件設計 4、 機器人控制器系統的設計 目錄 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 1、 DARTS設計方法概述 通用軟件開發的設計： 系統劃分為各個功能子模塊，再進一步細分為函數， 采用自頂向下的設計方法 嵌入式應用軟件的設計 通過并發的任務來運作的，應用軟件開發的系統設 計將系統劃分為多個任務，各個任務允許并發執行， 通過相互間通信建立聯系。 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 1、 DARTS設計方法概述

2、 DARTS(Design Approach for Real-Time Systems) ， 它是 SAISD(System Analysis System Design結構化分 析和設計 )方法在實時系統開發中的應用，按照軟件 生命周期進行軟件開發。 DARTS通過將系統分解成任務和定義任務接口的方 法，來擴充結構化分析 /設計的方法，使得實時應用 系統具有并行處理的能力。該開發方法的關鍵是將 一個系統分解為并行的任務，并定義任務間的接口。 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 1 、 DARTS設計方法概述 2、 DARTS設計方法的設計步驟 3、基于 DARTS的洗衣機控制軟件設計 4

3、、 機器人控制器系統的設計 目錄 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.1 嵌入式實時軟件系統生命周期 需求分析 系統設計 DARTS設計方法 數據流分析 劃分任務 定義任務接口 任務設計 模塊構筑 任務與系統集成 系統測試 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.2 DARTS-數據流分析 在需求分析的基礎上，以數據流圖作為分析工 具分析系統的數據流，從系統的功能需求開始 分析系統的數據流，以確定主要的功能。 數據流圖（ Data Flow Diagram， DFD）也稱為 Bubble Chart或 Data Flow Graph，它用來描繪 系統的邏輯模型，從數據傳遞和加工的角度，

4、 以圖形的方式描繪數據在系統中流動和處理的 過程，反映系統必須完成的邏輯功能。 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.2 DARTS-數據流分析 數據流圖的基本圖形符號 加工。輸入數據在此進行變換產生輸出數據，其中要標明加工的名字。 數據輸入的源點或數據輸出的終點。其中要標明源點或終點的名字。 數據流。被加工的數據與流向，箭頭邊應給出數據流名字，可用 名詞或名詞性短語命名。 數據存儲。必須加以命名，用名詞或名詞性短語命名。 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.2 DARTS-數據流分析 數據流圖示例 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.2 DARTS-數據流分析 數據流與加工之

5、間的關系 在數據流圖中，如果有兩個以上數據流指向一個加 工，或者是從一個加工中引出兩個以上的數據流， 這些數據流之間往往存在一定關系。 T A B C * 由 數 據 A 和 B 共 同 變 換 成 C T B C A * 由 數 據 A 變 換 成 數 據 B 和 C DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.2 DARTS-數據流分析 T A B C + 由 數 據 A 或 B ， 或 A 和 B 共 同 變 換 成 C TA B C + 由 數 據 A 變 換 為 B 或 C ， 或 同 時 變 換 為 B 和 C T A B C + 由 數 據 A 或 B 其 中 之 一 變 換 成

6、C TA B C 由 數 據 A 變 換 成 B 或 C 其 中 之 一+ DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.2 DARTS-數據流分析 數據流圖的畫法 識別系統的輸入和輸出，畫出基本系統模型 把頂層圖細化為系統的功能級數據模型 對功能級數據流圖中描繪的主要功能進一步細化 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.3 DARTS-劃分任務 識別出系統的所有功能以及它們之間的數據流 關系，得到完整的數據流圖后，下一步是識別 出可并行的功能。系統設計人員把可并行、相 對獨立的功能單元抽象成一個系統任務。 DARTS設計方法提供了怎樣在數據流圖上確定 并發任務的方法。 實時軟件系統中并行任務

7、的分解主要考慮系統 內功能的異步性。 一個任務可對應一個變換，也可對應多個變換。 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.3 DARTS-劃分任務 劃分任務的原則 : I/O依賴性 如果變換依賴于 I/O，速度受限 I/O，可獨立成任務 在系統中創建與 I/O設備數目相當 的 I/O任務 I/O任務只實現與設備相關的代碼 I/O任務的執行只受限于 I/O設備的速度 ， 而不是處理器 在任務中分離設備相關性 Device I/O Task App.Task DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.3 DARTS-劃分任務 功能的時間關鍵性 ： 具有時間關鍵性的功能應當分離處理出來，成為 一個

8、獨立的任務，并且賦予這些任務較高的優先 級，以滿足系統對時間的要求。 event 1 event 2 Task 1 Task 2 Task 3 Task 3 deadline 1 deadline 2 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.3 DARTS-劃分任務 計算需求 計算量大的功能在運行時勢必會占用 CPU很多時 間，應當讓它們單獨成為一個任務。 為了保證其他費時少的任務得到優先運行，應該 賦予計算量大的任務以較低優先級運行，這樣允 許它能被高優先級的任務搶占。 多個計算任務可安排成同優先級 ， 按時間片循環 輪轉 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.3 DARTS-劃分任務

9、 功能內聚 ： 系統中各緊密相關的功能，不適合劃分為獨立的 任務，應該把這些邏輯上或數據上緊密相關的功 能合成一個任務，使各個功能共享資源或相同事 件的驅動。 把每個變換都作為同一任務中一個個獨立的模塊， 不僅保證了模塊級的功能內聚，也保證了任務級 的功能內聚 event 1 F1(x) + F3(x) event 2 F2(x) DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.3 DARTS-劃分任務 時間內聚 ： 將 同一時間內完成的各功能 形成一個任務 ， 即使 這些功能是不相關的 功能組的各功能是由相同的外部事件驅動的 （ 如 時鐘等 ） ， 這樣每次任務接收到一個事件 ， 它們 都可以同時

10、執行 由于減少了任務調度及切換的次數 ， 減少了系統 的開銷 Clock Tick event F1(x) + F2(y)+F3(z) F4(x)+F5(y) DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.3 DARTS-劃分任務 功能的周期執行 將在相同周期內執行的各個功能組成一個任務， 使運行頻率越高的任務賦予越高的優先級。 頻率高的任務賦予高優先級 F1 F2 F1 10HZ 10HZ 15HZ 15HZ F2 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.4 DARTS-定義任務間的接口 在數據流圖中，接口以數據流和數據存儲區的 形式存在。 在 DARTS中有兩類任務接口模塊： 任務通信模塊

11、TCM（ Task Communication Module） 任務同步模塊 TSM（ Task Synchronization Module） DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.4 DARTS-定義任務間的接口 任務通信模塊 信息隱藏模塊 數據 存儲區 寫數據 讀數據 讀數據 任務 A 任務 B DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.4 DARTS-定義任務間的接口 消息通信模塊 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.4 DARTS-定義任務間的接口 任務同步模塊 源 S：發事件信號 (E) S 目標 D：等待事件 (E) D DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.4 D

12、ARTS-定義任務間的接口 表示任務之間的接口的符號 任 務 信 息 隱 藏 模 塊 松 散 耦 合 消 息 通 信 消 息 隊 列 無 回 復 緊 密 耦 合 消 息 通 信 緊 密 耦 合 消 息 通 信 消 息 / 回 復 事 件 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 2.5 DARTS-任務設計 有了劃分好的任務以及定義好的任務間的接口 后，接下來就可以開始任務的設計。 主要工作是確定每個任務的結構，畫出每個任 務的數據流圖，使用結構化設計方法，從數據 流圖導出任務的模塊結構圖，并定義各模塊的 接口，之后，便可以進行任務的詳細設計，給 出每個模塊的程序流程圖及數據結構。 DARTS實時

13、軟 件 開發設計 方法 1 、 DARTS設計方法概述 2、 DARTS設計方法的設計步驟 3、基于 DARTS的洗衣機控制軟件設計 4、 機器人控制器系統的設計 目錄 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.1 洗衣機控制軟件需求分析與說明 功能需求定義和描述 默認狀態下洗衣機處于關閉狀態。 電源開關開啟后，洗衣機默認的程序功能是洗衣、 漂洗、脫水，默認水位時中等水位，運行狀態是等 待狀態； 洗衣機有運行狀態和等待狀態； 當洗衣機處于運行狀態時，用戶的程序控制，即洗 衣、漂洗、脫水按鍵和水位按鍵的輸入無效；只有 當洗衣機處于等待狀態時其輸入才有效； 程序控制的洗衣、漂洗、脫水這三個鍵可以按

14、下一 個、兩個或者三個，洗衣機總是按洗衣 -漂洗 -脫 水的順序執行程序并且只執行用戶選擇的程序； DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.1 洗衣機控制軟件需求分析與說明 水位按鍵每次只能選擇高、中、低三種水位的一個 值 ; 洗衣機顯示面板顯示洗衣機的電源狀態、暫停 啟動 狀態、當前執行的程序以及即將執行的程序和水位 狀態，并且能根據用戶輸入以后及時改變顯示信息。 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.1 洗衣機控制軟件需求分析與說明 非功能需求定義和描述 洗衣機開關機的響應時間控制在 500ms以內； 洗衣機在運行狀態和等待狀態之間的才換控制在 800ms以內； 洗衣機功能和水位的輸

15、入控制在 600ms以內； 洗衣機顯示面板的響應控制在 1200ms以內； 這里假設洗衣機洗衣用 600s的時間，漂洗用 300s的 時間，脫水用 100s的時間。 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.1 洗衣機控制軟件需求分析與說明 外部接口描述 電源 暫停 / 啟動 漂洗 甩干 高水位 中水位 低水位 洗滌 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.1 洗衣機控制軟件需求分析與說明 系統狀態變遷圖 斷電態 通電等 待態 通電執 行態 電源打開 電源關閉 程序 水位控制 啟動 暫停 電源關閉 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.2 洗衣機控制軟件系統設計以及數據流分析 說明 洗衣

16、機程序狀態信息是一組數據，包含四個項：電 源狀態、運行情況、程序狀態和水位信息，與輸入 面板的相對應； 時鐘中斷的時間間隔是 20ms，通過具有一定頻率的 時鐘中斷來查看當前洗衣機程序執行的執行情況、 按鍵輸入和面板輸出，以提高效率、降低復雜性。 洗衣機狀態、指令集是洗衣機在轉變為相應狀態的 時候所需要運行的指令等，這些存儲在快速讀寫存 儲器之中，讀取這些數據的時間非?？?，在 100ms的 量級。 讀取按 鍵 輸入 按下按鍵 按鍵有 效性檢 查 按鍵輸入 按鍵輸 入處理 按鍵有效 無效 處理 按鍵無效 洗衣機 狀態信息 查看程 序狀態 狀態信息 按鍵狀 態轉換 狀態信息 有效按鍵 輸入 定時

17、20 個 時鐘中 斷 觸發信息 狀態判 斷器 輸入信息 定時 10 個 時鐘中 斷 面板輸 出 觸發信息 狀態信息 改變顯示管 狀態信息 解釋程 序信息 狀態變化 信息 發動機機 械、電信號 信號響 應 動作輸出 定時 15 個 時鐘中 斷 觸發信息 洗衣機狀態、指令集 指令信息 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.3 洗衣機控制軟件任務劃分 洗衣機控制軟件任務劃分 (在數據流圖中被劃入相同的任務 的數據處理過程用相同顏色的虛線方框來表示 ) 按鍵輸入任務：功能內聚原則； 中斷定時任務：周期執行原則； 洗衣機狀態信息處理任務：計算需求和功能內聚原則； 信號輸出任務： I/O依賴性原則。

18、為了提高效率，將數據流圖中的洗衣機狀態信息和洗衣 機狀態指令集整合在一起作為洗衣機程序的信息存儲， 以便各個任務的訪問能夠有一個統一的入口。 讀取按 鍵 輸入 按下按鍵 按鍵有 效性檢 查 按鍵輸入 按鍵輸 入處理 按鍵有效 無效 處理 按鍵無效 洗衣機 狀態信息 查看程 序狀態 狀態信息 按鍵狀 態轉換 狀態信息 有效按鍵 輸入 定時 20 個時鐘 中斷 觸發信息 狀態判 斷器 輸入信息 定時 10 個時鐘 中斷 面板輸 出 觸發信息 狀態信息 改變顯示管 狀態信息 解釋程 序信息 狀態變化 信息 發動機機 械、電信號 信號響 應 動作輸出 定時 15 個時鐘 中斷 觸發信息 洗衣機狀態、指

19、令集 指令信息 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.3 洗衣機控制軟件任務劃分 洗衣機控制軟件任務接口 洗衣機信息存儲 按鍵輸入任 務 信號輸出任 務 狀態信息處 理任務 中斷定時任 務 觸發信息 觸發信息 按鍵輸入消息隊列 存儲信息消息隊列 存儲信息消息隊列 修改存儲信號 面板、動作輸出 按鍵輸入 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.4 任務模塊設計 按鍵輸入任務 數據流圖 讀取按 鍵 按鍵輸入 提取按 鍵信息 錯誤信 息處理 按鍵信 息轉換 按鍵信 息傳遞 不同類型按鍵 傳遞給狀態信息任務 處理 忽略按鍵信息 按鍵類型判 斷 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.4 任務模

20、塊設計 模塊結構圖 讀取按鍵 按鍵信息提取、判斷 錯誤信息處理 正確信息傳遞 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.4 任務模塊設計 狀態信息處理任務 數據流圖 定時信號 得到按鍵 信息 是 得到運行 狀態信息 按鍵信息 洗衣機信息存儲 運行信息 按鍵信息 與運行信息 判斷是否 有按鍵 是 按鍵是否 與運行信 息矛盾 否 寫入運行 信息 運行信息 發送狀態 變化信息 狀態變化信息 定時信號 得到運行 狀態信息 否 運行信息 判斷信息 是否應該 改變 否 是 不予相應， 空操作 更改的運行信息 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.4 任務模塊設計 模塊結構 獲取按鍵信息 狀態判斷 運行

21、信息更改 動作信號傳遞 查看運行信息 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.4 任務模塊設計 中斷定時任務 數據流圖 判斷 20 個定 時時間是否 到 是 重設 20 個 定時時間， 發送處罰 信息 否 定時器重置信號 設置定時 器 定時器是 指減 1 定時器設置信號 觸發信息 判斷 15 個定 時時間是否 到 時鐘中斷 是 重設 15 個 定時時間， 發送處罰 信息 否 定時器重置信號 設置定時 器 定時器是 指減 1 定時器設置信號 觸發信息 判斷 10 個定 時時間是否 到 是 重設 10 個 定時時間， 發送處罰 信息 否 定時器重置信號 設置定時 器 定時器是 指減 1 定時器設

22、置信號 觸發信息 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.4 任務模塊設計 模塊結構 設置定時信息 發送觸發信號 獲取定時信息 判斷 10 個定 時時間 判斷 15 個定 時時間 判斷 20 個定 時時間 重置定時信息 是 是 是 否 否 否 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.4 任務模塊設計 信號輸出任務 數據流圖 程序執行狀 態讀取 執行信息存儲 顯示面板輸 出 狀態、指令 讀取 狀態和指令 比對，選擇 正確指令 指令轉化為 電信號，出 書信號 狀態改變信息 狀態改變信息，指令信息 指令信息 電信號 運行信息 指令 信息 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 3.4 任務模塊設計

23、 模塊結構 執行信息讀取 顯示面板輸出 指令轉換、電信號輸出 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 1 、 DARTS設計方法概述 2、 DARTS設計方法的設計步驟 3、基于 DARTS的洗衣機控制軟件設計 4、 機器人控制器系統的設計 目錄 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 上電 手動 停止 結束 斷電 運行 程序選擇 控制面板 控制設備由內部控 制器和外部控制面 板組成 控制器控制六個轉 軸，并與數字 I/O 傳感器交互作用。 轉軸和 I/O由程序 控制 該程序由控制面板 操作啟動執行 4.1 需求分析與說明 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 控制執行過程 按下“上電”按鈕，系統

24、進入了上電狀態。 上電成功后，系統進入了手動狀態。此時，操作者 可以通過程序選擇開關選擇程序 按下“運行”按鈕，則選定的程序開始運行，系統 轉為運行態。 程序運行中如果按下“停止”鍵，程序被掛起。之 后，操作者可以按下“運行”鍵，使程序恢復執行， 也可按下“結束”鍵，結束程序。 按下“結束”鍵后，系統進入終止態。當程序最終 終止執行時，系統返回手動狀態。 4.1 需求分析與說明 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 斷電態 通電態 手動態 運行態 終止態 掛起態 上電 上電 成功 斷電 啟動 程序 選擇 程序 終止 結束 啟動 停止 狀態變遷圖 4.1 需求分析與說明 DARTS實時軟 件 開

25、發設計 方法 4.2 數據流分析 程序 面板輸入有 效 性檢查 解釋程序 各語句 讀傳 感器 處理面板 輸入 處理 I/O命令 處理動 作命令 向傳感 器輸出 輸出動作 軸數據 接收 確認 輸出到 面板 軸控制 器 讀面板 輸入 按下 按鈕 面板輸入 有效的 面板輸入 運行 開始 結束 動作 命令 動作 確認 I/O 命令 傳感器值 輸入 傳感器輸入 傳感器 輸出 輸出 面板 輸出 運行 停止 重啟動 軸塊 軸確認 軸輸入 軸輸出 動作塊 4.2 數據流分析 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 4.3 任務劃分 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 4.3 任務劃分 DARTS實時軟 件 開

26、發設計 方法 4.4 任務模塊設計 詳細說明系統中各任務的設計考慮和執行流程， 以利于程序員編制程序。 任務體系結構：詳細定義任務包含的子模塊和 模塊間的關系 任務執行流程：盡可能詳細地描述任務的處理 過程 任務內數據結構 任務內模塊間接口 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 4.4 任務模塊設計 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 4.4 任務模塊設計 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 系統和任務設計完成后 ， 進行每個模塊的詳細 設計 ， 直到每個具體的函數 在單元測試前不必編完模塊全部程序 ， 可以分 階段編碼和測試 模塊的詳細設計應一氣呵成 ， 避免系統以非結 構化方式形成 4

27、.5 任務構筑 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 4.5 任務構筑 函數描述 給出對該函數的簡要描述，說明設 計目的、意義以及特點 功能 說明該函數應具有的功能，可采用 IPO 圖（輸入一處理一輸出圖）形式 性能 說明對該函數的性能要求，包括精度、 靈活性和時間特性等 輸入 定義每個輸入項的特性，包括名稱、標 識、數據類型和格式、取值范圍、輸入方式、 數據來源、保密方式等 輸出 定義每個輸入項的特性，特征同輸入 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 4.5 任務構筑 算法 詳細說明本函數所選用的算法，具體的 計算公式和計算步驟 流程 用流程圖輔以必要的說明來表示本函數 的邏輯流程 接口 說明本函數與其他函數的調用關系，包 括說明參數賦值和調用方式以及相關數據結構 （如數據庫、文件）。 存儲分配 說明本函數的存儲分配 限制條件 說明本函數運行所受限制 測試計劃 說明對本函數的測試計劃，包括技 術要求、輸入數據、預期結果、人員安排等 DARTS實時軟 件 開發設計 方法 模塊逐個連接 、 測試以構成任務 任務被逐個連接和測試形成最終系統 可分兩步集成 在宿主機上模擬集成 （ 軟集成 ） 在目標機上集成 4.6 任務與系統集成