CN104598302B - 基于资源竞争模型的aadl模型可调度性验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于资源竞争模型的AADL模型可调度性验证方法，用于解决现有AADL模型的可调度性分析方法耗时长的技术问题。技术方案是通过分析AADL架构模型中构件间的交互关系得到线程执行顺序关系，并根据这些连接关系生成进程的并发体集合、线程的干扰集。从而建立系统的可调度性分析模型—资源竞争模型。将线程构件的执行时间属性以及利用资源竞争模型计算得到的响应时间相加，并与线程构件的截止时间属性相比较从而得到系统中各个构件的可调度性，进而分析整个系统的可调度性。避免了利用自动机模型时遇到复杂系统会造成状态过多难以计算的问题，对于结构复杂的AADL模型可以在短时间内计算出系统的可调度性分析结果。

Description

基于资源竞争模型的AADL模型可调度性验证方法

技术领域

本发明涉及一种AADL模型可调度性验证方法，特别涉及一种基于资源竞争模型的AADL模型可调度性验证方法。

背景技术

文献“基于UPPAAL的AADL模型可调度性验证.计算机应用,2009,(7)”公开了一种针对AADL模型的可调度性分析方法。该方法将AADL模型之中的各个构建的时间属性与状态转换利用时间自动机来描述。通过制定转换规则，将AADL模型转换为时间自动机模型，并使用时间自动机分析工具UPPAAL来进行计算，从而得到AADL模型的可调度性分析结果。文献方法通过计算转化的时间自动机的错误状态的可达性来判断AADL模型的可调度性，但是当AADL模型较为复杂时，转化为时间自动机的状态很庞大，可能造成无法计算或者计算起来十分耗时。因此该方法当需要分析的AADL模型较为复杂时会存在一定的缺陷，计算将十分耗时甚至无法得到结果。

发明内容

为了克服现有AADL模型的可调度性分析方法耗时长的不足，本发明提供一种基于资源竞争模型的AADL模型可调度性验证方法。该方法对AADL模型进行测试，验证模型的相关时间属性满足可调度性要求。通过分析AADL架构模型中构件间的交互关系得到线程执行顺序关系，即同步关系或并发关系，并根据这些连接关系生成进程的并发体集合、线程的干扰集。从而建立系统的可调度性分析模型—资源竞争模型。在此基础上，将线程构件的执行时间属性以及利用资源竞争模型计算得到的响应时间相加，并与线程构件的截止时间属性相比较从而得到系统中各个构件的可调度性，进而分析整个系统的可调度性。避免了利用自动机模型时遇到复杂系统会造成状态过多难以计算的问题，对于结构复杂的AADL模型可以在短时间内计算出系统的可调度性分析结果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于资源竞争模型的AADL模型可调度性验证方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、通过分析AADL模型的架构，提取构件与时间相关的属性以及构件连接关系，找到系统中各个进程的并发体的集合，系统的并发体集合用CS表示。

步骤二、通过分析AADL模型的架构，提取构件与时间相关的属性以及构件连接关系，找到系统的线程干扰集集合，用InterS表示。为每个进程建立完并发体集合后，针对进程P_i中的任意一个线程T_i ^j，建立其干扰集Inter_i ^j：

1)分析与线程T_i ^j在同一个进程中的线程：如果线程T_i ^v和线程T_i ^j是并发关系，即T_i ^vCT_i ^j，并且线程T_i ^v的优先级不低于线程T_i ^j，那么T_i ^v属于T_i ^j的并发集，即通过分析进程P_i中的每个线程，建立线程T_i ^j的并发集

2)分析与线程T_i ^j在不同进程中的线程：对于与线程T_i ^j不在同一个进程中的线程，即P_l中的线程，其中l≠i，选择进程P_l中线程执行时间之和最大的并发体，把这个并发体中的线程加入线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j中，作为进程P_l(l≠i)中的线程的代表。在计算各个并发体中线程执行时间之和之前，需要针对下面两种情况对并发体进行裁剪：

i.并发体中有线程通过进程连接而与线程T_i ^j形成连接关系；

ii.并发体中有线程的优先级低于线程T_i ^j。

完成从并发体中裁剪掉这些线程之后，计算各个并发体中剩余的线程的执行时间之和，然后找出与线程T_i ^j所在的进程不同的各个进程中的并发体，并选择线程的执行时间之和最大的并发体，将该并发体中裁剪完剩余的线程加入到线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j中；

将计算得到的线程T_i ^j的并发集中的线程加入到干扰集Inter_i ^j中，完成线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j的建立。

步骤三、由步骤一、二的结果得到系统的资源竞争模型，所述资源竞争模型由一个四元组描述，即RCM＝(PS,TS,CS,InterS)，其中，PS是系统的进程集合，由系统中全部N个进程组成，而P_i表示系统中的任意一个进程，所以PS＝{P₁,…,P_i,…,P_N}；TS是系统中全部线程组成的集合，TS_i表示系统中某个进程P_i中所有线程组成的集合。如果系统由进程P₁,…,P_i,…,P_N这些进程构成，那么每个进程都对应一个线程集合，即TS₁,…,TS_i,…,TS_N，那么整个系统的线程集合TS＝TS₁∪…∪TS_i…∪TS_N。另外，如果进程P_i中有M_i个线程，那么TS_i是其对应的线程集合，则CS是系统的并发体集合，由所有进程中的并发体组成，而CS_i表示进程P_i中的所有并发体构成的集合，是CS的一个子集，所以CS＝CS₁∪…∪CS_i…∪CS_N。另外，如果进程P_i中有S_i个并发体，那么是其对应的并发体，则InterS是系统的线程干扰集集合，与线程集合TS一一对应，TS中的每个线程对应InterS中的一个干扰集，即Inter_i ^j是线程T_i ^j对应的干扰集,所以InterS是一个由集合组成的集合，是线程T_i ^j对应的并发集，而且是Inter_i ^j的真子集，也就是

步骤四、基于系统的资源竞争模型中各个线程的干扰集来计算该线程的响应时间；线程T_i ^j需要等待其干扰集中所有线程执行完成并释放处理器资源才能开始执行，所以其响应时间R(T_i ^j)就是其干扰集Inter_i ^j中所有线程的执行时间之和，如公式(1)所示。

其中T_x ^y是线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j中的一个线程，而E(T_x ^y)是线程T_x ^y的执行时间。

步骤五、将每个线程的响应时间和执行时间之和与其截止期限属性进行比较，获得每个线程的可调度性；计算出各个线程的响应时间后，从系统的AADL模型中的构件属性中直接获得各个线程的执行时间和截止期限属性，对各个线程构件的可调度性和整个系统的可调度性进行判断。整个系统的可调度性进行判断根据下面两条规则：

规则1：在一个给定处理器资源的系统中，T_i ^j是其中的一个线程，R(T_i ^j)是该线程的响应时间，E(T_i ^j)是该线程的执行时间，而是该线程的截止期限(Deadline)属性值，如果满足完成线程T_i ^j调度。

规则2：在一个给定处理器资源的系统中，如果任意一个线程T_i ^j都能够被成功调度，那么该系统就能够被成功调度。

根据上面介绍的可调度性分析方法和两条判断规则，根据系统的AADL模型静态计算分析出其可调度性。

本发明的有益效果是：该方法对AADL模型进行测试，验证模型的相关时间属性满足可调度性要求。通过分析AADL架构模型中构件间的交互关系得到线程执行顺序关系，即同步关系或并发关系，并根据这些连接关系生成进程的并发体集合、线程的干扰集。从而建立系统的可调度性分析模型—资源竞争模型。在此基础上，将线程构件的执行时间属性以及利用资源竞争模型计算得到的响应时间相加，并与线程构件的截止时间属性相比较从而得到系统中各个构件的可调度性，进而分析整个系统的可调度性。避免了利用自动机模型时遇到复杂系统会造成状态过多难以计算的问题，对于结构复杂的AADL模型可以在短时间内计算出系统的可调度性分析结果。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于资源竞争模型的AADL模型可调度性验证方法的流程图。

图2是本发明方法实施例的系统结构图。

具体实施方式

参照图1-2。本发明基于资源竞争模型的AADL模型可调度性验证方法具体步骤如下：

步骤一：通过分析AADL模型的架构，提取构件与时间相关的属性以及构件连接关系，找到系统中各个进程的并发体的集合，系统的并发体集合用CS表示。

步骤二：通过分析AADL模型的架构，提取构件与时间相关的属性以及构件连接关系，找到系统的线程干扰集集合，用InterS表示。为每个进程建立完并发体集合后，在此基础上下面将介绍为线程建立其干扰集的过程。不失一般性地，下面针对进程P_i中的任意一个线程T_i ^j，介绍建立其干扰集Inter_i ^j的步骤：

1)分析与线程T_i ^j在同一个进程中的线程：如果线程T_i ^v和线程T_i ^j是并发关系，即T_i ^vCT_i ^j，并且线程T_i ^v的优先级不低于线程T_i ^j，那么T_i ^v属于T_i ^j的并发集，即通过分析进程P_i中的每个线程，建立线程T_i ^j的并发集

2)分析与线程T_i ^j在不同进程中的线程：对于与线程T_i ^j不在同一个进程中的线程，例如进程P_l(l≠i)中的线程，由于无法直接分析哪些线程与线程T_i ^j并发运行去竞争处理器资源，所以考虑了一个折中情况。也就是选择进程P_l中线程执行时间之和最大的并发体，把这个并发体中的线程加入线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j中，作为进程P_l(l≠i)中的线程的代表。在计算各个并发体中线程执行时间之和之前，需要针对下面两种情况对并发体进行裁剪：

ⅰ.该并发体中有线程通过进程连接而与线程T_i ^j形成连接关系；

ⅱ.该并发体中有线程的优先级低于线程T_i ^j。

对于这两种情况，我们都需要将这些线程裁剪掉。完成从并发体中裁减掉这些线程之后，计算各个并发体中剩余的线程的执行时间之和，然后找出与线程T_i ^j所在的进程不同的各个进程中的并发体，并选择线程的执行时间之和最大的并发体，将该并发体中裁剪完剩余的线程加入到线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j中；

将步骤二中的第1)步计算得到的线程T_i ^j的并发集中的线程加入到干扰集Inter_i ^j中，完成线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j的建立过程。

步骤三：根据前两步得到的结果得到系统的资源竞争模型(RCM)，资源竞争模型(RCM)就是一个描述各个线程对同一个处理器的竞争关系的模型。资源竞争模型可以描述为一个四元组，即RCM＝(PS,TS,CS,InterS)，其中：

PS是系统的进程集合，由系统中全部N个进程组成，而P_i表示系统中的任意一个进程，所以PS＝{P₁,…,P_i,…,P_N}；

TS是系统中全部线程组成的集合，TS_i表示系统中某个进程P_i中所有线程组成的集合。如果系统由进程P₁,…,P_i,…,P_N这些进程构成，那么每个进程都对应一个线程集合，即TS₁,…,TS_i,…,TS_N，那么整个系统的线程集合TS＝TS₁∪…∪TS_i…∪TS_N。另外，如果进程P_i中有M_i个线程，那么TS_i是其对应的线程集合，则

CS是系统的并发体集合，由所有进程中的并发体组成，而CS_i表示进程P_i中的所有并发体构成的集合，是CS的一个子集，所以CS＝CS₁∪…∪CS_i…∪CS_N。另外，如果进程P_i中有S_i个并发体，那么是其对应的并发体，则

InterS是系统的线程干扰集集合，与线程集合TS一一对应，TS中的每个线程对应InterS中的一个干扰集，即是线程T_i ^j对应的干扰集,所以InterS是一个由集合组成的集合，是线程T_i ^j对应的并发集，而且是Inter_i ^j的真子集，也就是

步骤四：基于系统的资源竞争模型中各个线程的干扰集来计算该线程的响应时间；根据资源竞争模型，我们就可以计算各个线程的响应时间。我们仍以进程P_i中的任意一个线程T_i ^j为例，线程T_i ^j需要等待其干扰集中所有线程执行完成并释放处理器资源才能开始执行，所以其响应时间R(T_i ^j)就是其干扰集Inter_i ^j中所有线程的执行时间之和，如公式(1)所示：

其中T_x ^y是线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j中的一个线程，而E(T_x ^y)是线程T_x ^y的执行时间。

步骤五：将每个线程的响应时间和执行时间之和与其截止期限属性进行比较，获得每个线程的可调度性；计算出各个线程的响应时间后，从系统的AADL模型中的构件属性中直接获得各个线程的执行时间和截止期限属性，对各个线程构件的可调度性和整个系统的可调度性进行判断。整个系统的可调度性进行判断根据下面两条规则：

规则1：在一个给定处理器资源的系统中，T_i ^j是其中的一个线程，R(T_i ^j)是该线程的响应时间，E(T_i ^j)是该线程的执行时间，而是该线程的截止期限(Deadline)属性值，如果满足那么线程T_i ^j可以调度。

规则2：在一个给定处理器资源的系统中，如果任意一个线程T_i ^j都可以被成功调度，那么该系统就可以被成功调度。

根据上面介绍的可调度性分析方法和两条判断规则，我们就可以根据系统的AADL模型静态计算分析出其可调度性。

下面给出相关概念的定义：

定义1、同步(Synchronization)：如果线程T₁和线程T₂间有严格的执行顺序，用。若线程T₂只有在线程T₁执行完成并且释放了处理器资源后才能够有机会获得处理器资源从而开始执行，则线程T₁和线程T₂是同步关系，表示为T₁ST₂

定义2、并发(Concurrency)：如果线程T₁和线程T₂间没有同步关系，则他们是并发关系，表示为T₁CT₂。

定义3、同步体(Synchronization body)：如果在进程P_i中的构件x和y满足关系xSy，那么构件x和y构成一个同步体，表示为其中，构件x和y可以是一个线程，一个线程组或者一个同步体。

定义4、并发体(Concurrency body)：如果在进程P_i中的构件w和z满足关系wCz，那么构件w和z属于一个并发体，表示为其中，构件w和z可以是一个线程，一个线程组，一个同步体或者一个并发体。

定义5、并发集(Concurrency set)：线程T₁的并发集可以表示为Con₁，它是一个线程组成的集合，集合中的任意一个线程T_x满足下面两个条件：

1)线程T_x和线程T₁在同一个进程中，并且二者之间满足T₁CT_x；

2)线程T_x的优先级不低于线程T₁的优先级。

定义6、干扰集(Interference set)：线程T₁的干扰集可以表示为Inter₁，它是一个由一个或多个线程组成的集合，集合中的任意一个线程T_x需要满足下面两个条件：

1)线程T_x和线程T₁在同一个系统中，并且二者之间满足T₁CT_x；

2)线程T_x的优先级不低于线程T₁的优先级。

进一步的说，并发集是同一个进程中的线程组成的集合，而干扰集是同一个系统中的线程组成的集合，所以线程T₁的并发集是其干扰集的一个真子集，即

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

参照图2，一个航空控制系统Navigation_Control_System的AADL模型包括处理器PowerPc，还有高度(Height)传感器和姿态角(Attitude_angle)传感器，以及作动器上下舵机(Up_Down)控制器、左右舵机(Right_Left)控制器，它们通过总线Dev_Bus和处理器PowerPc相连，而Position_Compute、Up_Down_Control和Right_Left_Control三个进程则绑定在处理器PowerPC上。导航部分的进程Position_Compute主要是根据当前飞机系统位置坐标和预定任务航线进行对比，进行导航解算。控制部分的两个进程Up_Down_Control和Right_Left_Control主要是对导航系统数据进行一些比例控制和滤波控制，最后将控制输出到作动器。这三个进程又各自包含若干线程，各个线程的名称以及执行时间、截止期限和优先级等属性表格所示。表1的第一列描述系统中进程构件的名字，第二列描述每个进程构件中的线程构件的名字。第三列与第四列分别描述了对应线程构件的执行时间与截止时间属性。最后一列描述了线程构件的优先级属性。

表1

首先按照步骤一，根据模型中线程构件的连接关系找到系统中各个进程的并发体集合CS，根据定义4中关于并发体的定义与模型中线程构件的连接关系找到各个进程的并发体集合，结果参照表2。表中第一列表示系统中的进程名字，第二列时每个进程中的并发体的名字。第三列时每个并发体中包含的线程构件的名字。

表2

其次按照步骤二,找到对于每个线程的干扰集集合InterS，下面以线程T₃ ³为例介绍干扰集Inter₃ ³生成的过程。首先对于与线程T₃ ³同在一个进程中的其他线程，可以得到线程T₃ ²，T₃ ¹可以与T₃ ³并发且优先级都大于等于T₃ ³，所以T₃ ³的并发集并且把并发集加入到干扰集Inter₃ ³中。其次对于进程Position_Compute中的线程，选取执行时间最大的一个并发体中的线程加入到干扰集Inter₃ ³中，但是由于线程T₁ ¹与T₃ ³有直接连接关系，所以在计算时并发体的执行时间时需要去除T₁ ¹的执行时间。所以得到因此选择执行时间较大的加入到干扰集Inter₃ ³中。对于进程Up_Down_Control根据同样的规则将并发体加入到干扰集Inter₃ ³中。最终得到了线程T₃ ³完整的干扰集，其他线程的干扰集也可以利用此方法得到。表3显示了系统的所有干扰集。第一列时干扰集的名字，干扰集的名字的数字与它所对应的线程构件的序号一致。第二列表示干扰集中所包含的线程构建的名字。

表3

在完成步骤一与步骤二后，按照步骤三得到系统的并发体集合(CS)以及干扰集集合(InterS)，可以得到系统的资源竞争模型。即RCM＝(PS,TS,CS,InterS)，。

在得到系统的资源竞争模型后，按照步骤四中所给的公式(1)计算出干扰集中所有的线程的执行时间之和，再根据线程自身的执行时间可以得到每个线程的响应时间。其中T_x ^y是线程T_i ^j的干扰集Inter_i ^j中的一个线程，而E(T_x ^y)是线程T_x ^y的执行时间。

最后根据执行时间，按照步骤五所给的两条规则：

规则1在一个给定处理器资源的系统中，T_i ^j是其中的一个线程，R(T_i ^j)是该线程的响应时间，E(T_i ^j)是该线程的执行时间，而是该线程的截止期限(Deadline)属性值，如果满足那么线程T_i ^j可以调度。

规则2在一个给定处理器资源的系统中，如果任意一个线程T_x ^y都可以被成功调度，那么该系统就可以被成功调度。

根据规则可以得到系统的可调度性分析结果。

表4说明了航空控制系统的可调度性分析结果。表格的第一列是系统中的各个线程名，第二列是通过资源竞争模型得到的各个线程构建的响应时间。第三列与第四列分别描述了对应线程构件的执行时间与截止时间属性。第五列时根据步骤五得到的各个线程构建的可调度性计算结果。

表4

线程	响应时间(ms)	执行时间(ms)	截止时间(ms)	可调度性(Y/N)
					T1 1	39	8	90	Y
T1 2	44	5	90	Y
					T1 3	44	5	90	Y
T1 4	13	6	90	Y
					T2 1	45	9	100	Y
T2 2	46	8	100	Y
					T2 3	37	5	100	Y
T3 1	42	6	100	Y
					T3 2	42	6	100	Y
T3 3	39	7	100	Y
					T3 4	35	8	100	Y

这样就完成了对AADL模型进行可调度性分析。

Claims (1)

1.一种基于资源竞争模型的AADL模型可调度性验证方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、通过分析AADL模型的架构，提取构件与时间相关的属性以及构件连接关系，找到系统中各个进程的并发体的集合，系统的并发体集合用CS表示；

步骤二、通过分析AADL模型的架构，提取构件与时间相关的属性以及构件连接关系，找到系统的线程干扰集集合，用InterS表示；为每个进程建立完并发体集合后，针对进程P_i中的任意一个线程建立其干扰集

1)分析与线程在同一个进程中的线程：如果线程和线程是并发关系，即并且线程的优先级不低于线程那么属于的并发集，即通过分析进程P_i中的每个线程，建立线程的并发集

2)分析与线程在不同进程中的线程：对于与线程不在同一个进程中的线程，即P_l中的线程，其中l≠i，选择进程P_l中线程执行时间之和最大的并发体，作为进程P_l(l≠i)中的线程的代表；在计算各个并发体中线程执行时间之和之前，需要针对下面两种情况对并发体进行裁剪：

i.并发体中有线程通过进程连接而与线程形成连接关系；

ii.并发体中有线程的优先级低于线程

完成从并发体中裁剪掉这些线程之后，计算各个并发体中剩余的线程的执行时间之和，然后找出与线程所在的进程不同的各个进程中的并发体，并选择线程的执行时间之和最大的并发体，将该并发体中裁剪完剩余的线程加入到线程的干扰集中；

将计算得到的线程的并发集中的线程加入到干扰集中，完成线程的干扰集的建立；

步骤三、由步骤一、二的结果得到系统的资源竞争模型RCM，所述资源竞争模型由一个四元组描述，即RCM＝(PS,TS,CS,InterS)，其中，PS是系统的进程集合，由系统中全部N个进程组成，而P_i表示系统中的任意一个进程，所以PS＝{P₁,…,P_i,…,P_N}；TS是系统中全部线程组成的集合，TS_i表示系统中某个进程P_i中所有线程组成的集合；如果系统由进程P₁,…,P_i,…,P_N这些进程构成，那么每个进程都对应一个线程集合，即TS₁,…,TS_i,…,TS_N，那么整个系统的线程集合TS＝TS₁∪…∪TS_i…∪TS_N；另外，如果进程P_i中有M_i个线程，那么TS_i是其对应的线程集合，则CS是系统的并发体集合，由所有进程中的并发体组成，而CS_i表示进程P_i中的所有并发体构成的集合，是CS的一个子集，所以CS＝CS₁∪…∪CS_i…∪CS_N；另外，如果进程P_i中有S_i个并发体，那么是其对应的并发体，则InterS是系统的线程干扰集集合，与线程集合TS一一对应，TS中的每个线程对应InterS中的一个干扰集，即是线程对应的干扰集,所以InterS是一个由集合组成的集合， 是线程对应的并发集，而且是的真子集，也就是

步骤四、基于系统的资源竞争模型中各个线程的干扰集来计算该线程的响应时间；线程需要等待其干扰集中所有线程执行完成并释放处理器资源才能开始执行，所以其响应时间就是其干扰集中所有线程的执行时间之和，如公式(1)所示；

<mrow> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </msubsup> <mo>&amp;Element;</mo> <msubsup> <mi>Inter</mi> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </msubsup> </mrow> </munder> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中是线程的干扰集中的一个线程，而E(T_x ^y)是线程T_x ^y的执行时间；

步骤五、将每个线程的响应时间和执行时间之和与其截止期限属性进行比较，获得每个线程的可调度性；计算出各个线程的响应时间后，从系统的AADL模型中的构件属性中直接获得各个线程的执行时间和截止期限属性，对各个线程构件的可调度性和整个系统的可调度性进行判断；整个系统的可调度性进行判断根据下面两条规则：

规则1：在一个给定处理器资源的系统中，是其中的一个线程，是该线程的响应时间，是该线程的执行时间，而是该线程的截止期限(Deadline)属性值，如果满足完成线程调度；

规则2：在一个给定处理器资源的系统中，如果任意一个线程都能够被成功调度，那么该系统就能够被成功调度；

根据上面介绍的可调度性分析方法和两条判断规则，根据系统的AADL模型静态计算分析出其可调度性。