王 凱,畢海濱
(1.南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210016;2.江南計(jì)算技術(shù)研究所 第三處,江蘇 無錫 214083)
在針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)[1]的OSATE[2]建模過程中,數(shù)據(jù)和事件的傳輸通過數(shù)據(jù)流完成。一條完整的數(shù)據(jù)流通常由一個(gè)數(shù)據(jù)采集器開始,流經(jīng)中間組件(進(jìn)程組件),到控制器結(jié)束。數(shù)據(jù)傳輸過程具有一定的時(shí)效性,系統(tǒng)會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)流不能及時(shí)到達(dá)而失效。
AADL標(biāo)準(zhǔn)的制定者PETER提出影響數(shù)據(jù)流時(shí)延的因素主要有四點(diǎn)[3]:組件本身的計(jì)算時(shí)延;不同組件間的傳輸時(shí)延;數(shù)據(jù)采樣速率和設(shè)備端口上數(shù)據(jù)隊(duì)列的處理方式;傳輸協(xié)議對(duì)于數(shù)據(jù)等待隊(duì)列的處理方式。作者在理論層面上全面分析了時(shí)延的影響因素,但只是選取了AADL屬性集合中的Latency屬性作為分析的依據(jù),對(duì)端對(duì)端的數(shù)據(jù)流做了簡(jiǎn)單的模擬。LEE Su-Young[4]基于進(jìn)程組件中的周期和非周期線程給出了數(shù)據(jù)流的最優(yōu)時(shí)延與最差時(shí)延的計(jì)算公式,但對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)度并沒有給出分析依據(jù),例如多線程的優(yōu)先級(jí)。譙婷婷等[5]通過實(shí)例給出了數(shù)據(jù)流分析的結(jié)果,但沒有給出一個(gè)通用的解決方案。文獻(xiàn)[6-7]將AADL模型轉(zhuǎn)換成時(shí)間自動(dòng)機(jī)等模型來進(jìn)行性質(zhì)的等價(jià)驗(yàn)證,用CPS進(jìn)行描述,用PDA工具進(jìn)行流性質(zhì)驗(yàn)證,不過少有提及調(diào)度對(duì)端對(duì)端數(shù)據(jù)流的影響。
文中以數(shù)據(jù)流時(shí)延特性為研究目標(biāo),建立數(shù)據(jù)流到Prolog的轉(zhuǎn)換,對(duì)于流經(jīng)線程的數(shù)據(jù)流,結(jié)合調(diào)度模型對(duì)多線程優(yōu)先級(jí)的考慮,針對(duì)單一型數(shù)據(jù)流及混合型數(shù)據(jù)流驗(yàn)證了實(shí)時(shí)系統(tǒng)端對(duì)端數(shù)據(jù)流的一致性。
端對(duì)端的數(shù)據(jù)流[8](end to end flow)描述系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)和事件的傳遞路徑。AADL中完整的端對(duì)端數(shù)據(jù)流定義應(yīng)包含兩個(gè)部分:流聲明(flow specification)以及流實(shí)現(xiàn)(flow implementation)。
流聲明依附在組件的聲明中完成,定義從組件的輸入到輸出的邏輯路徑。流的基本要素為flow source(流源)、flow sink(流匯)和flow path(流路徑)。其中flow source和flow sink是組件features定義下的端口(ports)、端口組(ports group)或者共享參數(shù)(parameter),flow path是flow source和flow sink間的連接。
與流的聲明一樣,流的實(shí)現(xiàn)依附在組件的實(shí)現(xiàn)(implementation)中,通過組件與子組件、子組件與子組件的串聯(lián),形成了從輸入端口到達(dá)輸出端口的串行序列,確切描述了組件內(nèi)部數(shù)據(jù)的流向。AADL定義規(guī)定,可以建立數(shù)據(jù)端口(data port)到數(shù)據(jù)、事件端口(event port}或數(shù)據(jù)事件端口(event data port)的連接,而事件端口僅可以和事件端口單向連接,事件端口向數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)事件端口的連接是不允許的,例如流路徑能夠從任意類型的流入端口流向不同類型的端口(從數(shù)據(jù)端口流向事件端口)。
一個(gè)端對(duì)端的數(shù)據(jù)流Fp的定義可以描述為一個(gè)六元組,F(xiàn)p={F,fs,fd,Po,Co,La}。其中,F(xiàn)為作用于組件內(nèi)部的數(shù)據(jù)流,其表達(dá)式為F={Po×Po,La},端對(duì)端的數(shù)據(jù)流也可表述為Fp={F×F,fs,fd};fs∈F,表示flow source,數(shù)據(jù)流的起點(diǎn);fd∈F,表示flow sink,是數(shù)據(jù)流的終點(diǎn);Po為端口組件的集合,Po={data port,event port,eventdata port},代表數(shù)據(jù)端口、事件端口和事件數(shù)據(jù)端口;Co={Po×Po,φ'},表示不同組件間的端口連接的集合,φ'為連接約束的條件,禁止event port指向data port或event port,而其他指向的連接都是合法的;La表示Latency屬性的集合,它作用于F和Co。
在不考慮組件本身是線程的情況下,計(jì)算整個(gè)端對(duì)端數(shù)據(jù)流時(shí)延時(shí),與其直接相關(guān)的因素是Latency屬性[9-10]。Latency屬性代表數(shù)據(jù)流在端口間最長(zhǎng)的時(shí)間消耗。在AADL的屬性集合中,定義了與數(shù)據(jù)流時(shí)延直接相關(guān)的屬性Latency,用于規(guī)定在流或連接上所允許的時(shí)間延遲,描述的對(duì)象包括數(shù)據(jù)流(flows)、連接(connections)等;屬性賦值為時(shí)間類型(整形加上時(shí)間單位)標(biāo)準(zhǔn)中給出的解釋。
定義1:端對(duì)端數(shù)據(jù)流的路徑一致性是指在一條完整的端對(duì)端數(shù)據(jù)流Fp中,針對(duì)數(shù)據(jù)流路徑(flow path)上的所有端口組件Po(普通端口組件Po滿足對(duì)應(yīng)的Compute_Execute_Time屬性)及端口間的數(shù)據(jù)流(數(shù)據(jù)流滿足對(duì)應(yīng)的Latency屬性),任意一組時(shí)刻均滿足該數(shù)據(jù)流路徑上的所有約束。
圖1為汽艇自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)的一部分。其中,speed_sensor是速度傳感器,數(shù)據(jù)從sensor_data端口經(jīng)過數(shù)據(jù)流到速度計(jì)算進(jìn)程speed_control的sensor_data端口,通過組件內(nèi)的數(shù)據(jù)流到達(dá)speed_control的command_data端口,最后經(jīng)數(shù)據(jù)流到達(dá)控制設(shè)備throttle的command_data端口,總共包含了四個(gè)數(shù)據(jù)端口,兩個(gè)組件間的數(shù)據(jù)流以及一個(gè)組件內(nèi)部的數(shù)據(jù)流。圖中,speed_sensor數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的數(shù)據(jù)端口sensor.data通過數(shù)據(jù)流進(jìn)入下一個(gè)數(shù)據(jù)端口speed_control進(jìn)程中的sensor_data數(shù)據(jù)端口,這兩個(gè)組件間的數(shù)據(jù)流規(guī)定其Latency屬性為[5 ms,5 ms],表示數(shù)據(jù)流時(shí)延在此時(shí)間范圍內(nèi)。而對(duì)于整個(gè)端口到端口的數(shù)據(jù)流,系統(tǒng)規(guī)定的時(shí)間時(shí)延(constraint)為35 ms,即對(duì)應(yīng)的從設(shè)備speed_sensor的sensor_data數(shù)據(jù)端口到設(shè)備throttle的command_data數(shù)據(jù)端口所消耗的時(shí)間應(yīng)在35 ms內(nèi)。如果存在一組時(shí)間取值滿足端對(duì)端的數(shù)據(jù)流在35 ms內(nèi)完成,則此一致性是滿足的,否則說明此端對(duì)端數(shù)據(jù)流路徑不一致(這里不考慮組件本身的Compute_Execute_Time,僅針對(duì)數(shù)據(jù)流時(shí)延討論)。
圖1 PBA子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算及轉(zhuǎn)發(fā)
作為一種描述型語(yǔ)言,Prolog[11]只需描述問題中的對(duì)象和對(duì)象關(guān)系等已知的事實(shí)與規(guī)則,確定對(duì)象間的邏輯關(guān)系。給出待驗(yàn)證的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的事實(shí)與規(guī)則,作為Prolog的數(shù)據(jù)(即程序,數(shù)據(jù)與程序是統(tǒng)一的)進(jìn)行性質(zhì)驗(yàn)證。為清楚地表述端對(duì)端數(shù)據(jù)流的Prolog事實(shí),先將端對(duì)端數(shù)據(jù)流映射成狀態(tài)圖[12],整條數(shù)據(jù)流映射為一個(gè)從初始化狀態(tài)到結(jié)束狀態(tài)的閉環(huán)。
根據(jù)端對(duì)端數(shù)據(jù)流所在的層級(jí)、是否流經(jīng)進(jìn)程下面具體的線程和調(diào)度程序是否對(duì)線程進(jìn)行派發(fā),介紹基于Prolog的單一型端對(duì)端數(shù)據(jù)流及混合型端對(duì)端數(shù)據(jù)流[13](以下簡(jiǎn)稱單一型數(shù)據(jù)流和混合型數(shù)據(jù)流)的驗(yàn)證方法。
單一型數(shù)據(jù)流是指在端對(duì)端數(shù)據(jù)流中,數(shù)據(jù)流經(jīng)組件時(shí)不考慮流向其子組件且流經(jīng)進(jìn)程組件時(shí),不考慮線程任務(wù)本身的計(jì)算時(shí)延和調(diào)度器對(duì)線程調(diào)度的影響,設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)以及事件信號(hào)的發(fā)送和接收是即時(shí)的,數(shù)據(jù)流時(shí)延的產(chǎn)生僅考慮流屬性中定義的Latency。例如,圖1中的傳感器speed_sensor將采集的速度信息通過數(shù)據(jù)端口sensor_data發(fā)送給處理器speed_control,處理器通過sensor_data數(shù)據(jù)端口接收來自傳感器的速度信息,計(jì)算結(jié)束后通過數(shù)據(jù)端口command_data將速度信息傳遞給執(zhí)行器設(shè)備throttle的數(shù)據(jù)端口command_data,由速度執(zhí)行器對(duì)汽艇速度做出調(diào)整。在PBA子系統(tǒng)的端對(duì)端數(shù)據(jù)流中包含了四個(gè)數(shù)據(jù)端口,對(duì)應(yīng)這兩個(gè)組件間的數(shù)據(jù)流及一個(gè)組件內(nèi)部的數(shù)據(jù)流。對(duì)于此數(shù)據(jù)流,基于Prolog進(jìn)行驗(yàn)證的規(guī)則如下所述:
(1)Po數(shù)據(jù)端口映射為基本狀態(tài),按照實(shí)際系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流向串聯(lián)起來,在flow source前加入Start初始化狀態(tài)表述整條數(shù)據(jù)流的開始,且在flow sink后加入中止?fàn)顟B(tài)End作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)流路徑一致性的參考狀態(tài)。
(2)La表示數(shù)據(jù)流的Latency屬性,映射為數(shù)據(jù)端口間數(shù)據(jù)流時(shí)延信息,設(shè)置相應(yīng)的整形變量表示其時(shí)間約束。
(3)Co表示Po組件間的連接,映射到基本狀態(tài)信息中各狀態(tài)間的連接。
(4)F表示組件內(nèi)部的數(shù)據(jù)流,例如進(jìn)程中各個(gè)線程間的數(shù)據(jù)流交互。在單一型數(shù)據(jù)流不考慮調(diào)度策略的情況下,轉(zhuǎn)換為當(dāng)前組件的兩端口間的數(shù)據(jù)流,在基本狀態(tài)圖中表示為狀態(tài)間的連接。
PBA系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)的單一型數(shù)據(jù)流映射為基本狀態(tài)信息如圖2所示。其中,PBA_Sensor_Data、PBA_Control_Data、PBA_Control_cmdData及PBA_Throttle_cmdData分別表示PBA子系統(tǒng)中的四個(gè)數(shù)據(jù)端口。在flow source前加入PBA_SpeedControl_Start初始化狀態(tài)及在flow end后加入PBA_SpeedControl_End中止?fàn)顟B(tài)?;緺顟B(tài)間的數(shù)據(jù)流包含Latency時(shí)延信息。
圖2 單一型數(shù)據(jù)流的基本狀態(tài)圖
由數(shù)據(jù)采集器產(chǎn)生、流經(jīng)線程或者觸發(fā)非周期事件派發(fā)的數(shù)據(jù)流為混合型數(shù)據(jù)流。文中討論流經(jīng)線程的數(shù)據(jù)流的時(shí)延情況,接著介紹在基于線程優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略下混合型數(shù)據(jù)流的驗(yàn)證方法。
對(duì)PBA控制子系統(tǒng)在圖2中做了部分?jǐn)U充,如圖3所示。
圖3 包含計(jì)算線程的PBA子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)流經(jīng)過進(jìn)程speed_control中的計(jì)算線程scale_speed_data,線程計(jì)算后將結(jié)果返回給進(jìn)程command_data接口,數(shù)據(jù)流時(shí)延的計(jì)算必須考慮計(jì)算線程的影響,而線程從調(diào)度系統(tǒng)派發(fā)到執(zhí)行結(jié)束受調(diào)度狀態(tài)的影響。
傳感器speed_sensor任務(wù)派發(fā)執(zhí)行后產(chǎn)生數(shù)據(jù),經(jīng)過speed_sensor數(shù)據(jù)端口到達(dá)計(jì)算進(jìn)程的speed_control的數(shù)據(jù)端口sensor_data,并從sensor_data數(shù)據(jù)端口傳送到計(jì)算線程scale_speed_data中的sensor_data數(shù)據(jù)端口,對(duì)應(yīng)的兩條數(shù)據(jù)流的Latency屬性分別記為L(zhǎng)1和L2。在到達(dá)計(jì)算線程scale_speed_data時(shí),觸發(fā)了線程的派發(fā),由于該線程的優(yōu)先級(jí)不高,得不到計(jì)算。圖4表示PBA控制子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流時(shí)延情況。虛線部分代表計(jì)算線程因優(yōu)先級(jí)不高而得不到計(jì)算的等待時(shí)間。隨后數(shù)據(jù)經(jīng)過Thread_Execution_time的計(jì)算時(shí)間后經(jīng)過數(shù)據(jù)流L3、L4到達(dá)執(zhí)行器throttle。
基于狀態(tài)圖的混合型數(shù)據(jù)流映射規(guī)則如下:
(1)Po數(shù)據(jù)端口映射為基本狀態(tài),按照實(shí)際系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流向串聯(lián)起來,并在flow source前加入Start初始化狀態(tài)表述整條數(shù)據(jù)流的開始,并在flow sink后加入中止?fàn)顟B(tài)End作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)流路徑一致性的參考狀態(tài)。
(2)La表示數(shù)據(jù)流的Latency屬性,映射為數(shù)據(jù)端口間的數(shù)據(jù)流時(shí)延信息,設(shè)置相應(yīng)的整形變量表示其時(shí)間約束。
(3)Co表示Po組件間的連接,映射到基本狀態(tài)信息中各狀態(tài)間的連接。
圖4 PBA子系統(tǒng)時(shí)延分析示意圖
(4)F表示組件內(nèi)部的數(shù)據(jù)流,帶線程優(yōu)先級(jí)的混合型數(shù)據(jù)流中,按照線程優(yōu)先級(jí)的先后順序?qū)?yōu)先級(jí)高的線程(包含待計(jì)算的線程)映射為基本狀態(tài)加入組件內(nèi)部數(shù)據(jù)流中,由線程映射的基本狀態(tài)本身帶有線程計(jì)算所產(chǎn)生的時(shí)延Thread_Execution_time。
圖5為PBA子系統(tǒng)混合型數(shù)據(jù)流的基本狀態(tài)圖,其中PBA_ScaleThread線程為最高優(yōu)先級(jí)線程,映射為基本狀態(tài)且線程的執(zhí)行時(shí)間為8 μs。
圖5 混合型數(shù)據(jù)流的基本狀態(tài)圖
針對(duì)端對(duì)端數(shù)據(jù)流Prolog驗(yàn)證規(guī)則,利用minbordercons函數(shù)及maxbordercons函數(shù)描述1.4節(jié)中路徑一致性問題,下面給出函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證表達(dá)。
使用minbordercons(A,B,T)函數(shù)來計(jì)算在給定的相鄰的基本狀態(tài)(即Po端口)A,B通信時(shí)所要花費(fèi)的最短時(shí)間,并將計(jì)算后的結(jié)果賦值給T;minroutecons(A,B,T)函數(shù)則通過遞歸的思想計(jì)算端對(duì)端數(shù)據(jù)流路徑中組件之間的最短時(shí)延;fact(A,B,S,E)表示基本狀態(tài)圖中狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的Prolog事實(shí)表達(dá),A,B表示基本狀態(tài),S,E表示基本狀態(tài)A,B間數(shù)據(jù)流時(shí)延的最小值及最大值;contraint(A,B,S)表示基本狀態(tài)A,B間的時(shí)間約束。
Prolog程序如下:
minbordercons(A,B,T):-not(A=B),
fact(A,B,S1,_),
fact(B,_,S2,_),
TisS1+S2.
minroutecons(A,B,T):-
not(A=B), fact(A,B,S1,_),
fact(B,_,S2,_),
TisS1+S2.
minroutecons(A,B,T):-
fact(A,Z,S1,_),
minroutecons(Z,B,T1),
TisS1+T1.
使用maxbordercons(A,B,T)來計(jì)算在給定的相鄰的基本狀態(tài)A,B所需要花費(fèi)的最長(zhǎng)時(shí)間,并將計(jì)算后的結(jié)果賦值給T;maxroutecons(A,B,T)函數(shù)則通過遞歸的思想計(jì)算端對(duì)端數(shù)據(jù)流路徑中組件之間最長(zhǎng)時(shí)延,Prolog程序如下:
maxbordercons(A,B,T):-
not(A=B),fact(A,B,_,E1),
fact(B,_,_,E2),
TisE1+E2.
maxroutecons(A,B,T):-
not(A=B),fact(A,B,_,E1),
fact(B,_,_,E2),
TisE1+E2.
maxroutecons(A,B,T):-
fact(A,Z,_,E1),
maxroutecons(Z,B,_,T1),
TisE1+T1.
結(jié)合上述函數(shù),給出端到端數(shù)據(jù)流的路徑一致性驗(yàn)證的Prolog表達(dá)。
fact(pba_start,sensor_data,0,0)
本節(jié)將以汽艇自動(dòng)駕駛儀(PBA)系統(tǒng)中的速度控制模塊為例,基于Prolog對(duì)AADL端對(duì)端的數(shù)據(jù)流進(jìn)行一致性驗(yàn)證。
建立一個(gè)速度控制的AADL模型[14],其功能是通過傳感器采集數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)端口發(fā)送給進(jìn)程的控制端口用來計(jì)算當(dāng)前的最佳艇速,最后通過數(shù)據(jù)端口傳輸給執(zhí)行器,用來改變當(dāng)前艇速。
針對(duì)速度控制子系統(tǒng)的單一型數(shù)據(jù)流及混合型數(shù)據(jù)流根據(jù)2.1及2.2提出的轉(zhuǎn)換方法,轉(zhuǎn)換后的基本狀態(tài)圖見圖4及圖5。下面給出單一型數(shù)據(jù)流及混合型數(shù)據(jù)流基本狀態(tài)圖的Prolog事實(shí)表達(dá)。
fact(pba_start,sensor_data,0,0)
fact(sensor_data,control_data,5,5)
fact(control_data,control_cmddata,10,20)
fact(control_cmddata,throttle_cmddata,8,8)
fact(throttle_cmddata,pba_end,0,0)
constraint(pba_start,pba_end,35)
fact(pba_start,sensor_data,0,0)
fact(sensor_data,control_sendata,5,5)
fact(control_sendata,scaleThread_sendata,3,3)
fact(scaleThread_sendata,scaleThread,8,8)
fact(scaleThread,scaleThread_cmddata,0,0)
fact(scaleThread_cmddata,control_cmddata,3,3)
fact(control_cmddata,throttle_cmddata,8,8)
fact(throttle_cmddata,pba_end,0,0)
constraint(pba_start,pba_end,35)
將上述事實(shí)與第2節(jié)所提的路徑一致性驗(yàn)證規(guī)則作為Prolog程序的輸入,得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 數(shù)據(jù)流路徑一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
從表1中可以看到,PBA速度控制子系統(tǒng)中的單一型及混合型數(shù)據(jù)流完成數(shù)據(jù)傳輸需要消耗的時(shí)間分別為[23 ms,33 ms]和[27 ms,27 ms],相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)延約束35 ms,數(shù)據(jù)流傳輸滿足了系統(tǒng)的要求。
針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)間一致性驗(yàn)證的不足,提出了基于Prolog的AADL端對(duì)端數(shù)據(jù)流路徑一致性驗(yàn)證方法。對(duì)端對(duì)端數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類描述,給出端對(duì)端數(shù)據(jù)流路徑一致性Prolog驗(yàn)證表達(dá),最后通過SWI-Prolog進(jìn)行驗(yàn)證。該方法和其他類似建模驗(yàn)證方法在驗(yàn)證方面的比較如表2所示,其中yes表示支持該性質(zhì),no表示不支持。
表2 與現(xiàn)有方法的對(duì)比
從表2可以看出,針對(duì)現(xiàn)有的方法去驗(yàn)證實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)延特性時(shí),現(xiàn)有方法很少能將其統(tǒng)一表述在同種方法中進(jìn)行驗(yàn)證。
文中提出一種基于Prolog的端對(duì)端數(shù)據(jù)流分析方法。首先提出實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)延特性的路徑一致性問題,其次針對(duì)單一型數(shù)據(jù)流及混合型數(shù)據(jù)流特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于Prolog的驗(yàn)證方法,最后通過將模型轉(zhuǎn)換成Prolog事實(shí)及路徑一致性轉(zhuǎn)換成Prolog規(guī)則,實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)延性質(zhì)的驗(yàn)證。
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