一种时间特征模型及其建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机软件安全与可靠性保障领域，尤其涉及一种时间特征模型及其 建模方法，是一种时间特征的描述方法及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 实时性是否满足要求是嵌入式实时系统非常关注的问题。随着嵌入式实时操作系 统在各行业越来越多的应用，因实时性未能保证而导致人员生命财产损失的事故也时有发 生，使得嵌入式实时操作系统实时性保证的意义越发重要。
[0003] 嵌入式系统的实时性要求一般有三种：一是要求在外界输入产生后需要在确定的 时间内任务对其进行响应；二是要求一个任务在确定的时间前执行结束；二是要求任务的 执行时间超过或小于某一个要求的时间。而系统对实时性要求越高，表明系统对实时性要 求未能满足的容忍程度就越低。
[0004] 而分析任务的实时性是否满足要求，重点是分析任务的时间特征。然后通过对比 任务时间特征和任务实时性要求，确定任务是否符合任务的时间约束。现已有的时间特征 模型主要有三种：一为时间自动机模型以及基于时间自动机模型的各种改进模型，但对任 务本身的时间特征描述较少；二是时间Petri网以及基于时间Petri网的各种改进模型，着 重分析系统和任务的相互关系的时间特征，对任务内部的时间特征的分析较为模糊；三是 通过面向方面技术建立的时间特征模型，未凸显任务时间特征之间的联系，不利于对时间 特征的整体分析。
[0005] 并且，现有的模型未能对已有任务进行比较快速方便的建模，无法将任务本身具 有的时间特征与时间约束整合到一起。本发明公开的时间特征模型应用于对实时性有要求 的计算机系统中，它描述了任务或进程的时间特征。本发明提供的时间特征模型能够有效、 准确地描述任务的时间特征、时间约束与任务时间特征之间的联系，为任务的实时性验证 提供了理论依据。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种时间特征模型及其建模 方法，对任务的时间特征、时间约束与任务时间特征之间的联系进行有效、准确地描述，为 对实时性有要求的计算机系统的实时性验证提供理论依据，从而解决现有时间特征模型存 在的不足。
[0007] 本发明技术解决方案：一种时间特征模型，应用于对实时性有要求的计算机系统 中，所述时间模型的三要素为任务状态节点、分支段和时间约束；其中，分支段可划分为任 务实际运行耗时段和任务非运行耗时段两部分，它能够连接任意两个任务状态节点；通过 所述任务状态节点将任务中所有分支段连接起来构成模型的主要部分，所述时间约束是约 束一个或多个所述分支段的执行时间需要满足的时间范围。
[0008] 所述任务状态节点包括开始节点、结束节点、分支节点和汇聚节点。
[0009] 所述分支段包括任务实际运行耗时段和任务非运行耗时段。
[0010] 所述任务的时间约束是对任务的实时性要求反应到所述模型中的表述。
[0011] 时间特征模型的建模方法，实现步骤为：
[0012] (1)提取目标系统中所有的任务，并将各个任务的实时性要求映射成时间特征模 型中的时间约束；
[0013] (2)根据时间特征模型，将所述任务中与耗时操作相关的程序结构分别识别为时 间特征模型中的开始节点、分支节点、分支段、汇聚节点和结束节点；
[0014] (3)利用识别出的各个元素描述获取任务时间特征并生成所述时间特征模型。
[0015] 本发明与现有模型相比的优点在于：
[0016] (1)本发明较完整地抽取了任务的时间特征，不仅可以展现任务不同执行路径上 的时间特征，还可以展现任务的各时间特征之间的联系。
[0017] (2)本发明公开的时间特征模型将任务的实时性要求反应到模型中生成的时间约 束可以联系任务的实时性要求与任务的时间特征，可以更明显的判断任务的实时性是否得 到满足。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明模型的组成示意图；
[0019] 图2为本发明建模过程示意图；
[0020] 图3为本发明实施例的示意图；
[0021] 图4为本发明实施例火车任务时间特征模型图；
[0022] 图5为本发明实施例护栏控制任务时间特征模型图；
[0023] 图6为本发明实施例护栏任务时间特征模型图。
【具体实施方式】
[0024] 为了对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下基于本发明公开 的时间特征模型，结合火车通过铁路和公路交叉口的具体案例，并具体结合附图，对所述时 间特征模型的建模方法进行表述。显然所描述的实施例仅仅是本申请的一个实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前 提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] 如图1所示，本发明公开的时间特征模型，在所有相关元素的基础上，根据任务的 结构特征进行组合，构成了所述时间特征模型。所述时间特征模型描述了任务中任务状态 节点、分支段、任务实际运行耗时段、任务非运行耗时段的有机组合和其上的时间约束。
[0026] 本发明公开的时间特征模型用一个六元组表示：其中，N 为任务状态节点的集合；E为任务实际运行耗时段的集合；0为任务非运行耗时段的集合；L 为分支段的集合；fP为任务时间约束的集合；T为周期任务的周期。
[0027] 本发明公开的时间特征模型的任务中与时间特征相关内容描述如下：
[0028] 任务实际运行耗时段：在任务的执行中，任务占用CPU并使之处理任务代码时的 段，被定义为任务实际运行耗时段，标记为E。
[0029] 因任务实际运行耗时段引起的耗时，称为任务实际运行耗时。
[0030] 任务非运行耗时段：在任务的执行中，任务处于非执行状态的段，定义为任务非 运行耗时段，标记为0。可以是延时（Task Delay, TD)、接收消息（Message Receive, MR)、 发送消息（Message Send, MS)、发送信号（Signal Send, SS)、等待信号（Wait for Signal, WSI)、等待信号量（Wait for Semaphore, WSE)、被挂起（Suspend, S)、任务切换 (Task Switching, TS)〇
[0031] 因任务非运行耗时段引起的耗时，称为任务非运行耗时。
[0032] 本发明公开的时间特征模型中与任务执行路径相关内容描述如下：
[0033] 任务执行路径：任务执行过程中，从开始到结束的所有可能经过的路径，被称作任 务执行路径，标记为P。P为所有执行路径的集合。
[0034] 任务状态节点：所有的任务执行路径，因为任务本身的特性，可能任两条任务执行 路径之间会有重合段和不重合段。表征任意两条任务执行路径不重合段的起点和终点，以 及任务的起点和终点，共同构成任务状态节点。
[0035] 其中，表征两条任务执行路径不重合段的起点，是为分支节点，定义Nb为系统中 所有任务分支节点的集合，n b为其中一个分支节点；表征两条任务执行路径不重合段的终 点，是为汇聚节点，定义Nr为系统中所有任务汇聚节点的集合，y为其中一个汇聚节点；任 务起点，用Start表示；任务终点，用Finish表示。
[0036] 分支段：任务中，任意一条任务执行路径被此任务执行路径上任意两个相邻节点 分出的一节分支路径，被称作分支段，定义L为系统中所有任务的分支段的集合，1为其中 一个分支段。分支段由任务实际运行耗时段和任务非运行耗时段组成。
[0037] 本发明公开的时间特征模型对模型的对时间约束的描述如下：
[0038] 时间约束：假设用a表示任务中一段具有执行时间约束范围的段，那么定义φ<?) 为a上的时间约束。
[0039] 如图2所示，本发明公开的时间特征模型的建模方法为：
[0040] 1)提取目标系统中所有的任务，并将各个任务的实时性要求映射成本发明公开的 时间特征模型中的时间约束。
[0041] 2)根据本发明公开的时间特征模型，将所述任务中与耗时