嵌入式系统导论课件：4-SpecAndModeling-2.pdf

嵌入式系统是一种集成在硬件设备中的专用计算机系统，它们执行特定的任务，通常与操作环境紧密结合。本课程的第四部分“规范与建模（2）”由Kai Huang教授讲解，主要关注计算模型和状态机设计，特别是对于复杂系统的表示方法——StateCharts。 计算模型（Model of Computation, MoC）是描述计算过程的形式化框架，它定义了系统如何处理输入数据并生成输出。在嵌入式系统中，MoC的选择对系统的效率和可理解性至关重要。课程中提到了两种基本的数据流模型和StateCharts。 数据流模型强调数据的流动和处理，它基于数据产生和消耗的顺序来组织计算。这种模型适合于并行处理和实时计算，常见于信号处理或图像分析等应用。 StateCharts是由David Harel在1987年提出的，用于解决传统有限状态机（Finite State Machines, FSMs）在表示复杂系统时的局限性。传统自动机如Moore机和Mealy机虽然能够表示简单的状态转换，但当面对复杂的图形结构时，人类难以理解和维护。StateCharts引入了层次结构，使得状态机可以被分解为更小、更易于管理的子状态。 在StateCharts中，当前活动的状态也被称为活跃状态。基本状态是不包含其他状态的简单状态，而包含其他状态的称为超状态。如果超状态S是活跃的，那么FSM将处于S的一个子状态。当只有一个子状态在S活跃时，这样的超状态被称为OR超状态。为了隐藏内部结构，通常有一个默认状态，表示当超状态被激活时，子状态自动进入的初始选择。默认状态通常用填充的圆圈表示，但它本身不是一个独立的状态。 默认状态机制确保了对于特定输入，系统会回到离开超状态前的状态，或者在首次进入超状态时应用该机制。历史机制则允许记录之前的状态，以便在返回时恢复之前的动态行为。例如，在有历史记录的状态机中，对于不同的输入，系统可能会返回到先前的不同状态，而不是总是回到默认状态。 同时，StateCharts还引入了AND超状态的概念，这意味着系统可以同时处于所有子状态，这在描述并发性和多任务处理时非常有用。这种并行性在嵌入式系统中特别重要，因为它们往往需要同时处理多个任务和事件。 总结来说，嵌入式系统中的规范与建模涉及到选择适当的计算模型以适应系统需求，并使用如StateCharts这样的高级建模工具来管理复杂性的挑战。通过理解这些概念，工程师可以更好地设计和实现高效、易维护的嵌入式系统。