AADL的四种经典设计模式

　　在之前一篇博文《基于AADL的嵌入式软件的开发方法》中，大体提到了AADL的应用背景，并在《体系结构分析与设计语言AADL基础》中对AADL基本知识进行了整理，本文在此基础上，为了增强建模工具和验证工具Cheddar之间的互操作性，引入了AADL的四种经典通信设计模式：同步数据流模式、互斥模式、黑板模式和排队缓冲模式。

一、同步数据流(Synchronous data-flows)模式

1.描述

　　在同步数据流模式中，线程在dispatch时读取输入端口的数据、在complete时向输出端口写数据。此模式不需要共享的data构件，processor构件需要指定固定优先级调度策略（如Rate Monotonic等）。

2.举例

　　例如，三个周期线程通过两个事件端口连接(data port connections)链接在一起，AADL图形模型如图1所示，AADL文本表示较简单，此处省略。

图1 同步数据流模式

 

3.分析

　　这种模式只能用静态调度策略，每个线程总是在固定的时间读数据、执行、写数据（即使在不需要的情况下），因此显得不灵活。但这种模式的分析却非常简单，可以进行处理器利用率(processor utilization factor)分析和最坏响应时间(WCRT)分析等。

二、互斥(Mutex)模式

1.描述

　　互斥模式考虑了异步通信的情形，在此模式中，线程通过优先级继承协议(priority inheritance protocols)异步访问共享的data构件。

2.举例

　　为了阐释异步线程间通信，本文以互斥信号量Mutex的P/V原语的实现作为案例。AADL模型的图形表示如图2。

图2 互斥通信模式

　　AADL模型的文本表示如下：

SUBPROGRAM IMPLEMENTATION P.others
ANNEX Behavior_Specification {**
    states
        s0: initial state;
        s1: return state;
    transitions:
        busy: s0 -[on me.The_Value=0]->s1{};
        free: s0-[on me.The_Value=1]-> s1{ me.The_Value := 0; };
**};
END P.others;

SUBPROGRAM IMPLEMENTATION V.others
ANNEX Behavior_Specification {**
    states
    s: initial return state;
    transitions:
    s -[]-> s { me.The_Value := 1; };
**};
END V.others;

THREAD IMPLEMENTATION Thread_A.others
PROPERTIES
    Dispatch_Protocol => Periodic;
    Period => 10 ms;
ANNEX Behavior_Specification {**
    states
        s0: initial state;
        s1, s2, s3, s4: state;
        s5: complete state;
    transitions
        acquire_M1: s0-[]->s1{P!(Mutex_1);};
        acquire_M2: s1-[]->s2{P!(Mutex_2);};
        critical_section: s2-[]->s3 {…};
        release_M1: s3-[]->s4{V!(Mutex_1);};
        release_M2: s4-[]->s5{V!(Mutex_2);};
**};
END Thread_A.others;
THREAD IMPLEMENTATION Thread_B.others
…
ANNEX Behavior_Specification {**
…
    transitions
        acquire_M2: s0-[]->s1{P!(Mutex_2);};
        acquire_M1: s1-[]->s2{P!(Mutex_1);};
…
**};
END Thread_B.others;

 

3.分析

　　这种模式可以进行死锁验证和WCRT等，但计算WCRT前需要先计算等待时间，这是很重要的。

三、黑板(Blackboard)模式

1.描述

　　典型操作系统有很多同步设计模式，如信号量、读者写者、生产者消费者等等。对于编程语言也有专用的同步设计模式，如黑板设计模式。黑板设计模式是读者写者模式的实现，同一时刻只能有一个writer更新数据，但可以有多个readers读取数据。

2.举例

　　用黑板模式实现读者写者的AADL图形模式如图3。

图3 黑板模式

　　AADL文本模型如下：

DATA T_BlackBoard
    FEATURES
        Request_Read: SUBPROGRAM Read0.o;
        Read: SUBPROGRAM Read1.o;
        Release_Read: SUBPROGRAM Read2.o;
        Request_Write: SUBPROGRAM Write0.o;
        Write: SUBPROGRAM Write1.o;
        Release_Write: SUBPROGRAM Write2.o;
END T_BlackBoard;

DATA IMPLEMENTATION T_BlackBoard.o
    SUBCOMPONENTS
        Contents: DATA T_Item;
        Readers: DATA Behavior::Integer;
        Is_Idle: DATA Behavior::Boolean;
        Is_Reading: DATA Behavior::Boolean;
        Is_Writing: DATA Behavior::Boolean;
END T_BlackBoard.o;

SUBPROGRAM IMPLEMENTATION Read0.o
ANNEX Behavior_Specification {**
    states
        s: initial return state;
    transitions
        s -[on me.Is_Idle and me.Readers=0 ]-> s {
            me.Readers := me.Readers + 1;
            me.Is_Reading := true;
            me.Is_Idle := false;
};
**};
END Read0.o;

3.分析

　　这种模式下，在任何时刻只有最后写入的消息可用。

四、排队缓冲(Queued buffer)模式

1.描述

　　排队缓冲模式使得在任何时刻，所有的写入数据都可用（即所有的写入数据都存储到内存），AADL通过事件数据端口(event data port)或共享data构件实现。假设buffer消息的处理协议是FIFO。

2.举例

　　以生产者-消费者为例阐释排队缓冲模式。生产者-消费者的AADL图形模型如图4所示。

图4 排队缓冲模式

　　AADL模型的文本表示如下：

DATA IMPLEMENTATION T_Buffer.others
    SUBCOMPONENTS
        Stack: DATA T_Item;
        Current: DATA Behavior::Integer;
        Max: DATA Behavior::Integer;
END T_Buffer.others;

SUBPROGRAM Push
    FEATURES
        me: IN OUT PARAMETER T_Buffer.others;
        Item: IN PARAMETER T_Item;
END Push;

SUBPROGRAM IMPLEMENTATION Push.others
ANNEX Behavior_Specification {**
    states
        s: initial return state;
    transitions
        s-[on me.Current < me.Max]->s {
            me.Stack(me.Current) := Item;
            me.Current := me.Current+1;};
**};
END Push.others;

SUBPROGRAM Pop
    FEATURES
        me: IN OUT PARAMETER T_Buffer.others;
        Item: OUT PARAMETER T_Item;
END Pop;

SUBPROGRAM IMPLEMENTATION Pop.others
ANNEX Behavior_Specification {**
    states
        s: initial return state;
    transitions
        s-[on me.Current > 1]->s {
            Item := me.Stack(me.Current);
            me.Current := me.Current-1;};
**};
END Pop.others;

THREAD IMPLEMENTATION Prod.others
    PROPERTIES
        Dispatch_Protocol => Sporadic;
        Period => 10 ms;
ANNEX Behavior_Specification {**
    state variables
        v: T_Item;
    states
        s: initial complete state;
    transitions
        s-[]->s {Push!(Buffer,v);};
**};
END Prod.others;

THREAD IMPLEMENTATION Cons.others
    PROPERTIES
        Dispatch_Protocol => Periodic;
        Period => 20 ms;
ANNEX Behavior_Specification {**
    state variables
        v: T_Item;
    states
        s: initial complete state;
    transitions
        s-[]->s {Pop!(Buffer,v);};
**};
END Cons.others;

3.分析

　　这种模式需要进行可调度性分析，此外，还需要分析内存使用情况，以确保当生产者速率大小消费者速率时不会丢失数据

四、参考文献

[1]. P, D., et al., AADL Design-Patterns and Tools for Modelling and Performance Analysis of Real-Time systems. 2010.

[2]. P, D. and S. F. Stood and Cheddar: AADL as a pivot language for analysing performances of real time architectures. in Proceedings of the European Real Time System conference. 2008. Toulouse, France.