CN105573763B - 一种支持rtos的嵌入式系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持嵌入式实时操作系统RTOS的嵌入式系统建模方法，采用基于对象的建模方法，通过XML语言实现对嵌入式系统的固件库、嵌入式实时操作系统RTOS、应用程序的建模，其中通过本发明方法建模完成的固件库模型文件和RTOS模型文件可重用。在对应用程序的建模中，将应用程序分割为资源、任务、事件、数据及过程等5种对象进行建模，本领域技术人员使用这种分割方法可规范的对应用进行分割，快速构建应用程序模型。在编译中，采用了多叉树的数据结构在内存中存储模型数据，采用广度优先搜索算法遍历整个应用程序树。使用本发明可更快构建可靠性和实时性都十分完善的复杂应用程序，并可缩短开发周期为原来的百分之五十以内。

Description

一种支持RTOS的嵌入式系统建模方法

技术领域

本发明属于嵌入式系统建模领域，具体涉及一种支持嵌入式实时操作系统RTOS的嵌入式系统软件建模方法。

背景技术

嵌入式系统作为一种完全嵌入受控设备内部，为特定应用而设计的专用计算机系统，广泛应用于社会生活、工业、军事、医疗等各个领域。软件开发是嵌入式系统开发的重要环节，软件开发的质量与硬件的质量一起决定了嵌入式系统的性能。目前在嵌入式系统的软件开发方面，是由程序员在PC机上的开发平台上采用高级程序设计语言及汇编语言，编写代码并进行组织，实现所有的功能模块，然后下载到目标系统进行调试和运行。在这种情况下，由于程序员的水平参差不齐，造成有些嵌入式系统的达不到实时性、可靠性要求，甚至存在较大的缺陷，另外开发效率较低。

嵌入式实时操作系统RTOS是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应，调度一切可利用的资源完成实时任务，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。提供实时响应和高可靠性是RTOS的主要特点。RTOS是经过测试的内核，与一般用户自行编写的主程序内核相比，更规范，效率和可靠性更高。当嵌入式系统进行的处理较复杂时，采用嵌入式操作系统还能帮助程序员提高开发效率，并保证软件性能。目前，一般的程序员缺乏对RTOS的了解，当进行开发的时候大都没有完整阅读RTOS的源代码，对RTOS的事件处理机制等掌握有限，根据一些函数说明资料开发的代码缺陷很大。尤其是大部分的程序员在进行端口的处理时还停留在使用全局变量实现中断服务程序和用户程序的交互，在用户程序中采用大量的查询方式，系统的实时性得不到保证，CPU占用量大，开发的产品的品质难以得到保证。

嵌入式系统固件库Firmware是由嵌入式系统微控制单元MCU硬件开发商提供的函数库，这些函数可以完成嵌入式系统的硬件操作。Firmware也是通过操作寄存器等硬件来实现对硬件的操作，但通过它可以更加快速规范的完成应用程序的开发，且使用固件库后程序的可读性更强。

因此，如果能够有一个规范和方便的建模平台，通过对RTOS、固件库的建模生成刻复用的建模文件，然后由用户对应用程序按一定的要求进行建模，最后生成完整的以RTOS为处理核心的应用程序，将极大提高软件开发的效率和软件性能。

目前在软件开发领域的建模语言主要是Unified Modeling Language(UML)又称统一建模语言或标准建模语言，它是一个支持模型化和软件系统开发的图形化语言，为软件开发的所有阶段提供模型化和可视化支持，包括由需求分析到规格，到构造和配置。但是目前在嵌入式开发领域使用该方法建模存在缺陷和不足，尤其是不利于实现嵌入式系统中重要的中断处理等环节，另外不能自动引用Firmware等，更不能够自动生成支持RTOS的程序架构。

可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language)用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言，可以用来标记数据、定义数据类型，是一种允许用户对自己的标记语言进行定义的源语言。XML是一种简单的数据存储语言，使用一系列的标记符来描述数据。XML目前不光应用于互联网，其灵活的扩展特性已被应用在各个方面，例如电力系统的配置描述语言SCL就是以XML1.0版本为基础，根据变电站的配置的特殊需求定义的一种电力行业专用标志语言，在语法上遵循XML规则。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种支持RTOS的嵌入式系统建模方法，通过采用XML语言进行建模；并且支持固件库，生成的程序代码精简，结构良好；采用RTOS进行任务管理、调度和通信，支持信号量、消息等机制，支持释放CPU资源的策略，同时保证了系统的实时性。

本发明的技术方案为：一种支持RTOS的嵌入式系统建模方法，包括：

S1：采用XML语言对固件库、RTOS以及应用程序进行建模，得到固件库模型文件、RTOS模型文件及应用程序模型文件；

所述应用程序模型文件包含：资源节点、任务节点、事件节点、数据节点以及过程节点；

所述资源节点包含若干资源，所述资源的属性至少包括：资源ID、资源名称、资源类型、读写属性、资源共享属性、是否中断、中断服务程序名称；

所述任务节点包含若干任务，所述任务的属性至少包括：任务访问的数据、任务访问的资源、任务访问的过程；

所述事件节点包含若干事件，所述事件的属性至少包括：事件ID、事件名称、事件类型、消息指针、消息长度、信号量指针、互斥信号量指针；

所述数据节点包含若干数据，所述数据的属性至少包括：数据ID、数据名称、数据类型、数据长度、数据结构；

所述过程节点包含若干过程，所述过程的属性至少包括：过程ID、过程名称、返回类型、参数、读数据ID、写数据ID；

S2：将固件库模型文件、RTOS模型文件及应用程序模型文件以多叉树结构存储到内存中，得到固件库树、RTOS树及应用程序树；

S3：根据固件库树和RTOS树，生成一个支持固件库和RTOS的应用程序框架；

S4：在由步骤S3生成的应用程序框架下，根据应用程序树，采用广度优先搜索算法遍历各个任务节点下的每一个任务，根据任务的各属性，经循环构建得到嵌入式系统应用程序。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41：采用广度优先搜索算法遍历应用程序多叉树的任务节点，判断是否存在未处理任务，是则转至步骤S42，否则结束；

S42：遍历任务的所有属性，判断是否存在未处理属性，是则转至步骤S43，否则转至步骤S41；

S43：当任务的属性类型为普通时，根据任务的属性设置任务堆栈、构建任务创建函数、任务延时函数以及任务等待事件函数，并转至步骤S42；

当任务的属性类型为数据时，在应用程序模型文件的根节点下的数据节点下递归地搜索该数据，根据数据的属性创建数据，并转至步骤S42；

当任务的属性类型为过程时，在应用程序模型文件的根节点下的过程节点下递归地搜索该过程，根据该过程的属性创建过程，并转至步骤S42；

当任务的属性类型为资源时，在应用程序模型文件的根节点下的资源节点下递归地搜索该资源，根据该资源的属性创建资源，并转至步骤S44；

S44：递归地遍历资源节点下的所有事件，根据事件的属性创建生成事件创建代码及相应的事件处理代码以及中断服务程序，然后转至步骤S42。

本发明的有益效果：本发明的一种支持RTOS的嵌入式系统建模方法，具有以下优点：

1、采用基于对象的建模方法，通过XML语言实现对嵌入式系统的固件库、嵌入式实时操作系统RTOS、应用程序的建模，其中通过本发明方法建模完成的固件库模型文件和RTOS模型文件可重用；

2、在对应用程序的建模中，将应用程序分割为资源、任务、事件、数据及过程5种对象进行建模，本领域技术人员使用这种分割方法可规范的对应用进行分割，快速构建应用程序模型；

3、在编译中，采用了多叉树的数据结构在内存中存储模型数据，采用广度优先搜索算法遍历整个应用程序树。通过对模型文件的编译，获得结构合理、满足系统实时性要求的嵌入式系统工程及源代码。使用本发明可更快构建可靠性和实时性都完善的复杂应用程序，并可缩短开发周期为原来的百分之五十以内。

附图说明

图1是总体结构框图；

图2是固件库模型文件结构；

图3是RTOS模型的结构；

图4是应用程序模型结构；

图5是编译程序流程图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示为本发明的总体结构框图。在本发明中，通过XML语言建模固件库模型文件1，嵌入式实时操作系统模型文件2，应用程序模型文件3；编译程序4对模型文件1，2，3进行分析处理，生成嵌入式系统应用程序工程5。本发明的一种支持RTOS的嵌入式系统建模方法，包括以下步骤：

S1：采用XML语言对固件库、RTOS以及应用程序进行建模，得到固件库模型文件、RTOS模型文件及应用程序模型文件。

如图2所示为图1中固件库模型文件结构。固件库模型文件使用XML语言进行建模，在建模的过程中严格按照该模型文件结构进行建模，本发明采用通用的XML语言编辑工具，并可根据模板进行有效性检查。图2中的固件库模型文件结构是树状结构，树根即第一级为固件库，适用于所对应嵌入式系统硬件的固件库的某一版本。第二级是固件库的函数分组，例如在固件库中某一类型的函数都在某个C程序中实现，那么就将该类型函数分为一组。第三级及对应分组下的所有函数。对函数的描述包含函数的名称，功能等，第四级对函数的参数进行描述。

如图3所示为图1中RTOS模型文件结构。RTOS模型文件采用XML语言进行建模，在建模的过程中严格按照该模型文件结构进行建模，可以采用通用的XML语言编辑工具，可根据模板进行有效性检查。图3中的RTOS模型文件结构的第一级是嵌入式实时操作系统RTOS，是RTOS模型文件的树根，包含版本信息等对该RTOS进行描述，目录信息用于编译时找到该RTOS。第二级是RTOS的功能函数分组及公用的数据类型。其中功能函数分组按照RTOS的C文件进行分组。第三级及对应分组下的所有函数。对函数的描述包含函数的名称，功能等，第四级对函数的参数进行描述。

如图4为图1所示应用程序模型文件结构。该应用程序模型文件的也是以树型结构来组织，第一级为应用程序模型文件的树根，也可称为应用程序模型文件的根节点。第二级包括应用程序的5个主要的节点，即资源节点，任务节点，事件节点，数据节点和过程节点。

所述的资源节点包含若干资源，所述资源具体为：嵌入式系统的输入输出端口及缓冲区等。端口具备接口地址、中断号等属性，还具备端口服务函数等方法；缓冲区可以缓存大量数据，是一种先进先出(FIFO)的数据结构。资源的主要属性为：资源ID、资源名称、资源类型、读写属性、资源共享属性、是否中断、中断服务程序名称等。

在图4中的资源节点下，包括所有资源的属性和方法。典型的资源有：端口、定时器、DMA等，这些资源可以采用一定的方法进行读写，对应于图2的一些固件库函数、缓冲器等也可称为资源，缓冲区的读写函数也可以对应于一些固件库函数或过程。在对资源进行建模的时候，用户根据需求，总结需要采用哪些端口与外界进行通信，使用什么样的函数进行相关的处理，需要多大的存储空间进行数据的缓存，即可方便的对资源进行建模。如果对应的资源的实时性要求较高，则需要采用中断服务程序进行处理，这时需要填写资源对应的中断服务程序名称，当编译程序进行处理的时候，会自动生成中断服务程序及信号量或消息处理程序，保证中断服务程序的精简，将数据处理交给任务去完成。

所述的任务节点包含若干任务，所述任务具体为：根据用户对需求的分析，对功能进行划分，将一个相对独立的子功能划分为一个任务；通过任务可以对嵌入式系统要实现的功能进行描述。对应于嵌入式操作系统的任务，具有优先级等属性，包含一定的处理流程；所述任务的主要属性划分为：任务ID、任务名称、任务优先级、任务堆栈大小、任务执行周期、任务访问的数据、任务访问的资源、任务访问的过程。

在图4中的任务节点下，包括任务的描述，如任务的名称，描述，任务的优先级等。任务的堆栈一般可以设置为512字节，如任务的处理教复杂，可以采用更大的堆栈。然后对任务的处理过程按顺序列出，如任务调用的过程，任务等待的资源等。这对一般的程序员难度较小，很容易将需求分解为一个一个的任务。例如数据采集、数据处理、数据显示等都应分别分割为一个一个的任务。在编译程序进行处理时，会为每个任务分配堆栈空间，自动在主程序中实现任务的创建函数，自动实现任务的过程调用及信号量处理、消息处理等。则在很大程度上可以节约程序员的编码时间，降低RTOS的使用难度。

所述的事件节点包含若干事件，所述事件具体为：嵌入式系统要响应的一些事情，例如，接口收到数据或发送数据完成，定时器中断等。所述事件的主要属性为：事件ID、事件名称、事件类型、消息指针、消息长度、信号量指针、互斥信号量指针等。

在图4中的事件节点下，对应于用户需要处理的事件，这些事件包含信号量、互斥信号量、消息队列等。如果是消息，就要有用来传递消息的指针。当任务要访问互斥资源的时候，可以采用信号量机制来进行；当任务间存在同步或通信关系的时候，需要采用消息来实现。对于互斥资源，可以使用事件节点下的某个事件来实现互斥访问。

所述的过程节点包含若干过程，所述过程具体为：嵌入式系统在处理中使用的一些基本功能，如实现数据处理或数学计算，实现液晶显示等等。所述过程的主要属性为：过程ID、过程名称、返回类型、参数、读数据ID、写数据ID等。

在图4中的过程节点下，列出应用程序将使用的所有过程。这些过程可以实现一定的功能，例如实现一个数组的排序或数值的运算，或实现液晶的显示等。

所述的数据节点包含若干数据，所述数据具体为：系统要使用的一些重要数据对象，支持C语言的所有数据类型及用户定义的数据类型，也支持链表、队列等。所述数据主要属性为：数据ID、数据名称、数据类型、数据长度、数据结构、是否共享、生存区间等。

S2：将固件库模型文件、RTOS模型文件及应用程序模型文件以多叉树结构存储到内存中，得到固件库树、RTOS树及应用程序树。

S3：根据固件库树和RTOS树，生成一个支持固件库和RTOS的应用程序框架。

S4：在由步骤S3生成的应用程序框架下，根据应用程序树，采用广度优先搜索算法遍历各个任务节点下的每一个任务，根据任务的各属性，经循环构建得到嵌入式系统应用程序。

在图1的固件库模型文件1，嵌入式实时操作系统模型文件2，应用程序模型文件3，这三个模块建模完成后，即可使用图1的编译程序4进行编译，生成嵌入式系统应用程序工程5。具体的编译如图5所示，首先，将三个模型读入内存，以多叉树的数据结果存储在内存中，即生成固件库树、RTOS树及应用程序树。并根据固件库树和RTOS树，生成一个支持固件库和RTOS的应用程序框架。然后在此框架下，根据应用程序树的内容，采用广度优先搜索算法遍历每个任务，根据任务的各个属性，开始循环构建整个系统。

所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41：采用广度优先搜索算法遍历应用程序多叉树的任务节点，判断是否存在未处理任务，是则转至步骤S42，否则结束。

S42：遍历任务的所有属性，判断是否存在未处理属性，是则转至步骤S43，否则转至步骤S41。

将任务的属性：任务ID、任务名称、任务优先级、任务堆栈大小、任务执行周期、任务访问的数据、任务访问的资源、任务访问的过程，分为四种类型，具体为：任务ID、任务名称、任务优先级、任务堆栈大小、任务执行周期等归为普通类型；任务访问的数据归为数据类型；任务访问的资源归为资源类型；任务访问的过程归为过程类型。

S43：当任务的属性类型为普通时，根据任务的属性设置任务堆栈、构建任务创建函数、任务延时函数以及任务等待事件函数，并转至步骤S42。

当任务的属性类型为数据时，在应用程序模型文件的根节点下的数据节点下递归地搜索该数据，根据数据的属性创建数据，并转至步骤S42。

当任务的属性类型为过程时，在应用程序模型文件的根节点下的过程节点下递归地搜索该过程，根据该过程的属性创建过程，并转至步骤S42。

当任务的属性类型为资源时，在应用程序模型文件的根节点的资源节点下递归地搜索该资源，根据该资源的属性创建资源，并转至步骤S44。

S44：递归地遍历资源节点下的所有事件，根据事件的属性创建生成事件创建代码及相应的事件处理代码以及中断服务程序，然后转至步骤S42。

本发明中所述的固件库(Firmware)是嵌入式系统MCU开发商提供的库函数，包含头文件和源代码文件或头文件及静态函数库Lib文件。

根据本发明的方法建模完成的固件库的建模具有可重用性，即在开发其他工程的时候无需再对固件库进行重复建模。但当固件库进行升级等情况下，需对已有建模进行相应修改。

所述的RTOS是嵌入式实时操作系统，使用嵌入式操作系统可更方便的实现模块化的程序开发，提高系统的中断响应时间，加快开发的效率，完成更复杂的软件系统功能。

依据本发明的方法完成的RTOS的建模具有可重用性，即在开发其他工程的时候无需再对RTOS进行重复建模。但当RTOS进行升级等情况下，需对已有建模进行相应修改。

所述采用XML语言建模是在XML1.0标准的基础上，定义了一种嵌入式系统建模语言ESML(Embedded System Modeling Langurage)。使用ESML对以上各种对象及对象之间的关系，以及Firmware及RTOS进行描述。

根据本发明的建模方法，在对系统进行需求分析的基础上，根据嵌入式系统的类别，应首先对固件库及RTOS进行建模，然后分别对上述5种节点进行建模。

根据本发明完成的建模文件，通过编写编译程序，生成的程序构建使用固件库Firmware实现硬件操作，使用RTOS完成系统调度，使用RTOS的事件及消息处理机制完成中断服务程序和任务的交互，能够满足实时性的要求。所有等待事件的任务在等待期间采用信号量或消息等机制释放CPU资源，不等待资源的任务在空闲时采用延时阻塞的策略释放CPU资源。

由于本发明的采用XML语言进行建模，具备门槛低，容易实现等优点。由于支持固件库，生成的程序代码精简，结构良好。由于采用RTOS进行任务管理、调度和通信，支持信号量、消息等机制，支持释放CPU资源的策略，同时系统的实时性能够得到保证。由于对固件库和RTOS的建模都可重用，因此可进一步提高嵌入式系统的开发效率。

本发明根据现代嵌入式系统开发及RTOS的特点，构建的应用程序完全可以满足嵌入式系统的规范性要求，并具备支持实时处理的特点。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种支持RTOS的嵌入式系统建模方法，其特征在于，包括：

S1：采用XML语言对固件库、RTOS以及应用程序进行建模，得到固件库模型文件、RTOS模型文件及应用程序模型文件；

所述应用程序模型文件包含：资源节点、任务节点、事件节点、数据节点以及过程节点；

所述资源节点包含若干资源，所述资源的属性至少包括：资源ID、资源名称、资源类型、读写属性、资源共享属性、是否中断、中断服务程序名称；

所述任务节点包含若干任务，所述任务的属性至少包括：任务访问的数据、任务访问的资源、任务访问的过程；

所述事件节点包含若干事件，所述事件的属性至少包括：事件ID、事件名称、事件类型、消息指针、消息长度、信号量指针、互斥信号量指针；

所述数据节点包含若干数据，所述数据的属性至少包括：数据ID、数据名称、数据类型、数据长度、数据结构；

所述过程节点包含若干过程，所述过程的属性至少包括：过程ID、过程名称、返回类型、参数、读数据ID、写数据ID；

S2：将固件库模型文件、RTOS模型文件及应用程序模型文件以多叉树结构存储到内存中，得到固件库树、RTOS树及应用程序树；

S3：根据固件库树和RTOS树，生成一个支持固件库和RTOS的应用程序框架；

S4：在由步骤S3生成的应用程序框架下，根据应用程序树，采用广度优先搜索算法遍历各个任务节点下的每一个任务，根据任务的各属性，经循环构建得到嵌入式系统应用程序。

2.根据权利要求1所述的一种支持RTOS的嵌入式系统建模方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41：采用广度优先搜索算法遍历应用程序多叉树的任务节点，判断是否存在未处理任务，是则转至步骤S42，否则结束；

S42：遍历任务的所有属性，判断是否存在未处理属性，是则转至步骤S43，否则转至步骤S41；

S43：当任务的属性类型为普通时，根据任务的属性设置任务堆栈、构建任务创建函数、任务延时函数以及任务等待事件函数，并转至步骤S42；

当任务的属性类型为数据时，在应用程序模型文件的根节点下的数据节点下递归地搜索该数据，根据数据的属性创建数据，并转至步骤S42；

当任务的属性类型为过程时，在应用程序模型文件的根节点下的过程节点下递归地搜索该过程，根据该过程的属性创建过程,并转至步骤S42；

当任务的属性类型为资源时，在应用程序模型文件的根节点下的资源节点下递归地搜索该资源，根据该资源的属性创建资源，并转至步骤S44；

S44：递归地遍历资源节点下的所有事件，根据事件的属性创建生成事件创建代码及相应的事件处理代码以及中断服务程序，然后转至步骤S42。