Phân tích thiết kế hệ thống thời gian thực theo cách tiếp cận hướng đối tượng với UML

Lê Bá Huỳnh Công Khoa học máy tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

PHẦN MỞ ĐẦU

Cùng với xu hƣớng phát triển ngành công nghệ thông tin, công nghệ

phần mềm đã và đang trở thành lĩnh vực mũi nhọn của nhiều quốc gia trên

thế giới. Ngày nay, việc phát triển một phần mềm với qui mô và chất lƣợng

cao không còn là công việc đơn lẻ của những nhà lập trình, mà đó là sản

phẩm của một tập thể, một công ty phần mềm theo một qui trình công nghệ

chuẩn đƣợc quản lý chặt chẽ và đƣợc hỗ trợ tối đa bởi các công cụ và môi

trƣờng phát triển phần mềm. Do đó, việc lập trình ngày càng trở nên dễ

dàng hơn và nhƣờng lại vai trò mấu chốt cho việc phân tích và thiết kế phần

mềm, trong đó quan trọng nhất là đặc tả và mô hình thế giới thực, mọi ứng

dụng trong thế giới thực có thể “tin học hoá” đều đƣợc suy nghĩ đến để đặc

tả, xây dựng và phát triển. Nhiều công việc trƣớc đây phải do con ngƣời

trực tiếp thực hiện, thì nay ứng dụng hệ thống thời gian thực thiết kế các

sản phẩm phần mềm công nghiệp thay thế con ngƣời trong nhiều lĩnh vực,

với những công việc nặng nhọc và nguy hiểm, ứng dụng trong gia đình nhƣ

máy giặt, hệ thống lò sƣởi, ngoài ra còn ứng dụng trong các lĩnh vực khác

nhƣ điều khiển không lƣu, hệ thống thang máy, robotics (ngƣời máy học),

điều khiển thực hiện trong các dự án công nghiệp và các trạm năng lƣợng

hạt nhân.

Việc đặc tả và thiết kế hệ thống thời gian thực là một vấn đề phức tạp

vì hệ thống thời gian thực yêu cầu sự chính xác logic giống nhƣ sự chính

xác thời gian thực tế. Nhiều năm trƣớc đây, kỹ thuật đặc tả và thiết kế hệ

thống thời gian thực đã đƣợc chú ý, các công ty phần mềm lớn trên thế giới

đã nhanh chóng đƣa ra nhiều công cụ hỗ trợ phân tích thiết kế dựa trên

nhiều phƣơng pháp khác nhau, đƣa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và

đƣợc phát triển liên tục. Sự ra đời của UML dựa trên ba phƣơng pháp

hƣớng đối tƣợng Booch, OMT, OOSE là ký hiệu lập mô hình chuẩn công

nghiệp cho các hệ thống hƣớng đối tƣợng, và nó cũng dùng để xây dựng

Lê Bá Huỳnh Công Khoa học máy tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

các hệ thống thời gian thực một cách chi tiết, chính xác. Do đó, UML đã và

đang đƣợc các nhà phát triển hệ thống thời gian thực chọn làm tiêu chuẩn

để xây dựng mô hình thời gian thực cho các ứng dụng thực tế. Với nguyên

nhân đó, tôi chọn đề tài “Phân tích thiết kế hệ thống thời gian thực theo

cách tiếp cận hƣớng đối tƣợng với UML” để có thể hiểu sâu hơn về lĩnh

vực ứng dụng hệ thống thời gian thực, dùng công nghệ mới để phân tích và

thiết kế ứng dụng hệ thống thời gian thực.

Cấu trúc nội dung của luận văn gồm ba chƣơng và phần kết luận

Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về hệ thống thời gian thực bao gồm

các khái niệm cơ sở, các yêu cầu và ràng buộc về thời gian của hệ thống

thời gian thực.

Chƣơng 2: Giới thiệu các thành phần, kiến trúc hệ thống của UML và

những thuận lợi của UML đối với phân tích và thiết kế hệ thống thời gian

thực.

Chƣơng 3: Ứng dụng xây dựng từng bƣớc trên UML để mô phỏng bài

toán điều khiển nút đèn giao thông.

Kết luận Những nội dung đạt đƣợc trong luận văn và định hƣớng phát

triển.

Thái Nguyên, tháng 09 năm 2011

Tác giả

Lê Bá Huỳnh Công

Lê Bá Huỳnh Công Khoa học máy tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

CHƢƠNG 1 ........................................................................................................ 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC ....................................... 1

1.1 Các khái niệm cơ sở của hệ thống thời gian thực ...............................................1

1.2 Yêu cầu của các hệ thống thời gian thực.............................................................4

1.2.1 Những yêu cầu thời gian trong việc trình bày hệ thống thời gian thực

1.2.1.1 Thời gian tuần tự .......................................................................... 5

1.2.1.2 Thời gian quan hệ......................................................................... 6

1.2.1.3 Thời gian chính xác ...................................................................... 6

1.2.2 Một số yêu cầu của hệ thống thời gian thực ..................................... 11

1.2.2.1 Hệ thống lớn và phức tạp ........................................................... 11

1.2.2.2 Xử lý trên số thực ....................................................................... 11

1.2.2.3 Thực sự an toàn và đáng tin cậy................................................. 11

1.2.2.4 Giao tiếp trực tiếp với thiết bị phần cứng................................... 12

1.2.2.5 Thực hiện trên môi trƣờng và ngôn ngữ lập trình hiệu quả ....... 12

1.2.2.6 Ngƣời sử dụng điều khiển .......................................................... 12

1.3 Phân tích các ràng buộc thời gian trong hệ thống thời gian thực....................12

1.3.1 Quan niệm thời gian trong hệ thống thời gian thực.......................... 12

1.3.1.1 Đồng hồ hệ thống ....................................................................... 12

1.3.1.2 Các loại đồng hồ hệ thống.......................................................... 13

1.3.1.3 Quan niệm về rời rạc thời gian................................................... 13

1.3.1.4 Ràng buộc về thời gian............................................................... 14

1.3.2 Các hệ thống thời gian thực .............................................................. 15

1.4 Tổng kết chƣơng 1...............................................................................................17

CHƢƠNG 2 ...................................................................................................... 18

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG............................................................. 18

THỜI GIAN THỰC VỚI UML........................................................................ 18

2.1 Giới thiệu UML ...................................................................................................18

2.1.1 Yêu cầu thực tế ................................................................................. 20

2.1.2 Mục đích của UML........................................................................... 21

2.1.3 Các thành phần của UML................................................................. 23

2.1.3.1 Mô hình cấu trúc trong UML ..................................................... 23

2.1.3.2 Mô hình hành vi ......................................................................... 27

Lê Bá Huỳnh Công Khoa học máy tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1.4 Kiến trúc của hệ thống ...................................................................... 32

2.1.4.1 Quan sát UC ............................................................................... 32

2.1.4.2 Quan sát Lôgic............................................................................ 32

2.1.4.3 Quan sát tiến trình ...................................................................... 33

2.1.4.4 Quan sát thực thi......................................................................... 33

2.1.4.5 Quan sát triển khai...................................................................... 33

2.2 Các giai đoạn phát triển phần mềm với UML ..................................................33

2.2.1 Phân tích yêu cầu (Dự kiến kế hoạch).............................................. 36

2.2.2 Giai đoạn phân tích ........................................................................... 36

2.2.3 Giai đoạn thiết kế.............................................................................. 36

2.2.4 Giai đoạn triển khai........................................................................... 37

2.3 Phân tích và thiết kế hệ thống thời gian thực ....................................................38

2.3.1 Mô hình đối tƣợng của UML............................................................ 38

2.3.2 Mô hình động của UML ................................................................... 39

2.3.3 Những thuận lợi của UML đối với hệ thống thời gian thực............. 45

2.4 Tổng kết chƣơng 2...............................................................................................47

CHƢƠNG 3 ...................................................................................................... 49

XÂY DỰNG ỨNG DỤNG .............................................................................. 49

3.1 Khảo sát ................................................................................................................49

3.1.1 Mô tả bài toán ................................................................................... 49

3.1.2 Xây dựng biểu đồ UC....................................................................... 51

3.2 Phân tích ...............................................................................................................52

3.2.1 Các UC.............................................................................................. 52

3.2.2 Biểu đồ UC ....................................................................................... 53

3.2.3 Kịch bản cho các uc .......................................................................... 54

3.2.3.1 UC điều khiển tự động ............................................................... 54

3.2.3.3 Nhận tín hiệu quá tải .................................................................. 56

3.2.3.4 Đặt lại thời gian đợi.................................................................... 57

3.2.4 Biểu đồ lớp phân tích........................................................................ 58

3.2.4.1 UC điều khiển tự động ............................................................... 58

3.2.4.2 UC chuyển đổi điều khiển.......................................................... 59

3.2.4.3 UC nhận tín hiệu quá tải............................................................. 59

3.2.4.4 UC đặt lại thời gian đợi .............................................................. 59

3.3 Thiết kế .................................................................................................................59

Lê Bá Huỳnh Công Khoa học máy tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.3.1 UC điều khiển tự động...................................................................... 59

3.3.2 UC chuyển đổi điều khiển ................................................................ 60

3.3.3 UC nhận tín hiệu quá tải ................................................................... 61

3.3.4 UC đặt lại thời gian đợi..................................................................... 62

3.4 Biểu đồ lớp ...........................................................................................................63

3.4.1Xác định các lớp đối tƣợng................................................................ 63

3.4.2 Các mối quan hệ của các lớp ............................................................ 64

3.4.3 Biểu đồ lớp........................................................................................ 64

3.4.4 Thiết kế chi tiết ................................................................................. 65

3.4.5 Biểu đồ thành phần ........................................................................... 69

3.5 Xây dựng chƣơng trình mô phỏng.....................................................................69

3.5.1 Cài đặt chƣơng trình ......................................................................... 69

3.5.1.1 Cấu hình hệ thống....................................................................... 69

3.5.1.2 Lựa chọn công nghệ ................................................................... 70

3.5.2 Một số form chính............................................................................. 70

3.6 Kết luận chƣơng 3................................................................................ 72

KẾT LUẬN....................................................................................................... 73

1.Kết quả đạt đƣợc trong luận văn............................................................................73

2.Hƣớng nghiên cứu tiếp theo...................................................................................73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 75

Lê Bá Huỳnh Công Khoa học máy tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS. TS Đoàn Văn Ban đã tận tình

hƣớng dẫn, giúp đỡ và đóng góp cho tôi nhiều ý kiến quí báu để hoàn thành

luận văn.

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy giáo, Cô giáo Viện Công nghệ thông tin

Việt Nam và Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã giảng

dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian học tập tại Trƣờng.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn, các anh chị học viên Cao học khóa

K8 - chuyên ngành Khoa học máy tính - Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin

và truyền thông, các cán bộ, giảng viên trƣờng Đại học Khoa học Thái Nguyên

đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn.

Cuối cùng cho phép tôi đƣợc gửi những tình cảm quý báu đến gia đình -

những ngƣời luôn tin tƣởng, động viên để tôi nổ lực phấn đấu trong công tác

và học tập.

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2011

Học viên

Lê Bá Huỳnh Công

Lê Bá Huỳnh Công Khoa học máy tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành luận văn đúng thời gian quy định và đáp ứng đƣợc yêu

cầu đề ra, bản thân em luôn cố gắng nghiên cứu, học tập. Em đã tham khảo

một số tài liệu đã nêu trong phần “Tài liệu tham khảo” và không hề sao chép

nội dung từ bất kỳ luận văn nào khác. Toàn bộ luận văn do ý tƣởng bản thân

em đƣợc sự chỉ bảo tận tình của thầy hƣớng dẫn, em tự nghiên cứu và xây

dựng nên. Toàn bộ mã nguồn do em nghiên cứu, tham khảo và cài đặt.

Cho đến nay nội dung luận văn của em chƣa từng đƣợc công bố hay

xuất bản dƣới bất kỳ hình thức nào và cũng không sao chép từ bất kỳ luận văn

của học viên nào hay một công trình nghiên cứu nào.

Em xin cam đoan những lời khai trên là đúng, mọi thông tin sai lệch em

xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng.

Thái nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2011

Ngƣời cam đoan

Học viên Lê Bá Huỳnh Công

Lê Bá Huỳnh Công Khoa học máy tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 1 http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC

Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển theo thời gian thực là

một trong những lĩnh vực thu hút nhiều sự chú ý trong giới khoa học nghiên

cứu về khoa học máy tính. Trong đó, vấn đề điều hành thời gian thực và vấn đề

lập lịch là đặc biệt quan trọng. Một số ứng dụng quan trọng của hệ thống thời

gian thực (RTS) đã và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi, phổ biến nhiều nơi hiện

nay là những hệ thống thời gian thực ứng dụng điều khiển trong gia đình nhƣ:

máy giặt, lò sƣởi; các dây chuyền sản xuất tự động, rô bốt, điều khiển không

lƣu, điều khiển các thí nghiệm tự động, truyền thông, điều khiển trong quân sự,

điều khiển các qui trình thiết bị công nghiệp và các trạm năng lƣợng hạt nhân,

.v.v. Thế hệ ứng dụng tiếp theo của hệ thống này sẽ là điều khiển rô bốt có

hoạt động giống con ngƣời, hệ thống kiểm soát thông minh trong các nhà máy

công nghiệp, điều khiển các trạm không gian, thăm dò đại dƣơng, v.v. [11].

Nội dung trong Chƣơng 1 bao gồm các vấn đề sau:

 Các khái niệm cơ sở của hệ thống thời gian thực

 Các yêu cầu của hệ thống thời gian thực

 Phân tích các ràng buộc thời gian trong hệ thống thời gian thực

1.1 Các khái niệm cơ sở của hệ thống thời gian thực

Định nghĩa cho RTS có nhiều quan niệm của các nhóm khác nhau nhƣ

nhóm các nhà phát triển phần mềm, nhóm kỹ thuật, nhóm các đại lý cung cấp

máy tính, trƣờng phái lý thuyết và các nhà nghiên cứu, v.v. [16].

Một hệ thống thời gian thực (RTS) có thể được hiểu như là một mô hình

xử lý mà tính đúng đắn của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào kết quả tính

toán lôgic mà còn phụ thuộc vào thời gian mà kết quả phát sinh ra [7].