《資訊實體融合系統（CPS）設計、模組化與仿真——基于 Ptolemy II 平台》——1.8 域和訓示器概述

本節書摘來自華章出版社《資訊實體融合系統（cps）設計、模組化與仿真——基于 ptolemy ii 平台》一書中的第1章，第1.8節，作者：［美］愛德華·阿什福德·李（edward ashford lee），更多章節内容可以通路雲栖社群“華章計算機”公衆号檢視

在ptolemy ii中，計算模型的實作稱為域。本節将簡要描述ptolemy ii中實作的域，但沒有涵蓋所有的域。本節主要目的是展示計算模型的多樣性。這些域以及其他域将在接下來的章節中得到更詳細的介紹。圖1-6總結了這些域之間的關系。

這裡所描述的所有域都具有确定性，除非模型明确地說明具有非确定性行為。即如果需要不确定性，則要在模型中明确地加入不确定性；是以不确定性不會因為模型架構的弱語義而意外發生。如果符合以下條件，則可稱一個域是确定性的：即角色之間發送的信号，包括消息所傳遞的資料值、消息順序和時間戳，不受排程決策的影響（盡管模型有并發性）。保證确定性在并發計算模型中相當困難，并且提供合理的不确定機制也是相當具有挑戰性的。目标是保證當一個模型包含不确定性的行為時，它應被模型的建立者明确地描述；不确定性行為不會意外出現，并且出現也不會讓使用者感到意外。

資料流（dataflow）。ptolemy ii包含多個資料流域，将在第3章中描述。資料流域中角色的執行包含一系列點火（firing）行為，每一次點火行為都是對輸入資料有效性的反應。一次點火行為就是一次（很小的）計算，消耗輸入資料，産生輸出資料。

同步資料流域（synchronous dataflow，sdf）（lee and messerschmitt，1987b）是很簡單的，也幾乎是使用最多的域。在同步資料流域中，當一個角色執行時，它消耗固定數量的輸入資料，并對每一個輸出端口産生固定數量的輸出資料。同步資料流域的一個好處（如第3章中描述的那樣）就是可以靜态地檢查潛在的死鎖和有界性，并且可以靜态地進行排程的計算（包括并行排程）。這個域中的通信由固定容量的先進先出（first in first out，fifo）隊列實作，并且元件的執行順序被靜态地排程。盡管同步資料流可以是計時或不計時的，但通常它是不計時的，如圖1-6所示。

相反，動态資料流（dynamic dataflow，ddf）域比同步資料流域更為靈活，它進行線上的排程政策計算。在動态資料流中，fifo隊列的容量是無界限的。當角色之間的通信方式取決于兩者之間傳遞的資料時，動态資料流是十分有用的。

資料流模型對于表示流系統（streaming system）是十分理想的，因為流系統中元件間資料值順序的流動也是相對有規律的。比如說，應用到信号處理系統中是特别适合的（如音頻和視訊系統）。

程序網絡。在程序網絡（process network，pn）域中，如第4章描述的那樣，角色表示那些通過fifo隊列（概念上無限容量的）進行通信的并發程序（lee and parks，1995）。寫入隊列通常是立即成功的，但從空隊列裡讀取内容會導緻讀取阻塞。簡單的阻塞讀取和非阻塞寫入政策保證了模型的确定性（kahn and macqueen，1977）。然而，本文将模型進行了擴充以支援特定形式的不确定性。每個角色都在自己的java線程上執行，是以對于多核機器，它們可以并行執行。程序網絡域實作了資料流的一般化，該域是不計時的。角色表現為連續的執行過程以替代離散的點火（lee and matsikoudis，2009）。

程序網絡域很适合表示通過消息傳遞進行通信的并發過程。最終，消息将以發送的順序被傳遞。消息的傳遞被假定為可靠的，是以發送者不用期待或接收任何确認消息。這種域為“無回報通信”（sendand forget）。

程序網絡也提供相對簡單的方法來實作模型的并行執行。每個角色在自己的線程中執行，大多數現代的作業系統都能自動将線程映射到可用的核上。注意，如果角色的構造相對精細，也就是說它們對每次通信執行很少的計算，則多線程和内部線程通信的開銷可能會掩蓋并行執行的性能優勢。這樣，模組化者隻能在粗粒度模型中考慮并行性能優勢。

會話。會話域（rendezvous domain）在第4章詳述，它和程序網絡相似，因為角色都表示并發程序。但是，與程序網絡的“無回報通信”不同，在會話域中，角色通過原子瞬時值資料交換進行通信。當一個角色向另一個角色發送消息時，在接收者準備接收之前，發送者會阻塞發送。相似地，若一個角色試圖讀取輸入資料，當發送者準備發送之前，接收者會阻塞接收。這樣的結果就是，首先到達會話點的過程會暫停以等待另一個過程也到達會話點（hoare，1978）。在這個域中可以建立多路會話程序，在多個程序都到達會話點之前，任何程序都不能繼續執行。與程序網絡一樣，這個域也是不計時的，它支援明确的不确定性，并且可以透明地利用多核機器。

會話域在解決異步資源競争問題時十分有用，這種情況是指單一資源被多個異步過程共享的情況。

同步響應。同步響應（synchronous-reactive，sr）域在第5章詳述，它基于同步語言的語義（benveniste和berry，1991；halb-wachs et al.，1991；edwards and lee，2003a）。同步語言的準則很簡單，盡管結果意義重大。它的執行遵循全局時鐘的節拍（tick）。每個節拍上，每個變量（在ptolemy ii中圖示為連接配接塊與塊之間的線）可能會得到一個值，也可能不會。它的值（或缺失）是由一個其輸出端口連接配接線上上的角色賦給的。這個角色實作了這樣的功能：将它輸入端口的值映射到輸出端口（在每個節拍上，功能有所變化）。比如，在圖1-7中，在一個特定節拍上的變量x和y有如下關聯：

x = f (y)，且y = g (x)

域中訓示器的任務是在每個時鐘節拍上尋找滿足上式的x和y的值。這種解法稱為定點求解（fixed point）。盡管同步響應模型是預設為不計時的，但是當節拍之間有固定時間間隔時，它可以是計時的。

同步響應域和資料流域、程序網絡域是相似的，因為角色彼此之間發送資料流。但不同的是，同步響應域中的流是同步的；在時鐘的一個節拍上，每一個通信鍊路要麼有一個消息，要麼消息明确是缺失的。相比之下，資料流模型更具異步性；一個消息是“缺失的”，僅僅是因為發生排程意外而導緻其未到達。為了阻止不确定性，程序網絡和資料流都沒有“缺失的”輸入這一語義概念。輸入總是有消息的（或者将有消息的，這種情況下角色被要求等待消息到來）。

同步響應很适合更複雜的控制流，即一個角色可以依據一個消息是否出現而采取不同動作。通過同步動作，域可以掌控那些不含非确定性的場景。同步響應相比資料流和程序網絡較少出現，因為每個時鐘節拍必須緊密連貫。是以，它較難并行執行。

有限狀态機。有限狀态機（finite-state machine，fsm）域在第6章詳述，它是本書讨論的各種域中唯一一個非并發性的域。這個域中的元件不是角色，而是狀态，并且元件之間的聯系不表示通信鍊路，而是狀态之間的轉移。轉移通過檢測器（guard）來确定狀态轉移在何時發生。

有限狀态機可以用來定義其他域中使用的角色的行為。角色有很多輸入和輸出。當角色執行時，有限狀态機讀入輸入，評估檢測器得到結果以決定執行哪種轉移（transition），然後按照選擇的轉移指定的值進行輸出。有限狀态機也可以有局部變量，它們的值可以被轉移修改（提供了一種稱為擴充狀态機的計算模型）。

有限狀态機也可以用來建立一大類稱為模态模型（modal model）的層次模型，這在第8章中讨論。在模态模型中，有限狀态機的模型包含子模型，這些子模型處理輸入且産生輸出。有限狀态機的每一個狀态表示一種執行模式，且模式細化（mode refinement）定義了該模式下的行為。模式細化是一個子模型，有自己的訓示器，且僅當有限狀态機在相應狀态時它才是活動的。當一個子模型不在活動狀态時，它的本地時間不再推進，如1.7.1節解釋的那樣。

離散事件。在離散事件（discrete event，de）域中，如第7章所述，角色通過位于同一時間軸的事件進行通信。每個事件都有一個值和時間戳，并且角色對事件的處理是按照時間序的。由角色産生的輸出事件在時間上不得早于被消耗的輸入事件。也就是說，離散事件域中角色之間是因果聯系的。

該模型按照一個全局事件隊列進行執行。當一個角色産生一個輸出事件時，該事件根據其時間戳被插入隊列。在離散事件域模型的每次疊代中，最小時間戳的事件從全局事件隊列中被删除，且它們的目标角色被點火。離散事件域支援同時性（simultaneous）事件。當一個角色被點火時，訓示器就計算一個定點，該過程與同步響應類似（lee and zheng，2007）。離散事件域和衆所周知的離散事件系統規範（discrete event system speci?cation，edvs）的形式體系緊密相關（zeigler et al.，2000），edvs廣泛應用于大型複雜系統的仿真。ptolemy ii多樣的de（discrete event）語義由lee（1999）給出。

de很适合對時間相關的複雜系統進行模組化，例如網絡系統、數字硬體電路、金融系統、行政管理系統等。另外，第10章還将介紹de如何被擴充應用到多樣時間（mutiform time）系統中。

連續時間。連續時間（continuous time）域（lee and zheng，2005）（在第9章詳述）對常微分方程（ordinary differential equation，ode）進行模組化，同時它也支援離散事件。表示積分器（integrator）的特殊角色被連接配接在回報回路中，用以進行常微分方程的表示。域的每個連接配接（connection）代表一個連續時間函數，元件表示函數之間的關系。

連續模型使用數值方法計算常微分方程的解。與同步響應和離散事件一樣，在每一個瞬間，訓示器為所有信号值計算一個固定點（lee and zheng，2007）。在每次疊代中，時間以一定增量向前推進，這個增量取決于ode求解器。為了推進時間，訓示器在求解器的幫助下進行時間戳的選擇，然後通過該時間步長進行角色的推測執行。如果時間步長足夠小（比如一些關鍵事件：層間交叉，模式改變，等行足夠點火次數和疊代次數計算等），那麼訓示器送出時間增量。

連續訓示器與ptolemy ii中所有的計時域都可互動。它與有限狀态機結合産生了一種特定的模态模型，叫作混合系統（hybrid system）（lee and zheng，2005；lee，2009）。将它與同步響應域或離散事件域結合同樣比較有用。

ptera。ptera域在第11章詳述，實作了事件圖（event graph）的一個變體。在ptera中，元件不是角色。這裡的元件是事件，元件之間的關系決定事件之間的關系。一個ptera模型展示系統中的一個事件是怎麼觸發另一些事件的。ptera是一個計時模型，與有限狀态機一樣，它可用于定義另一個域的角色行為。另外，事件是可以組合的，因為它們有一些與它們相關的動作，這些動作本身就是被一個子模型定義的，而這個子模型使用了另一個域描述。ptera在描述計時行為時很有用，這些行為中，輸入時間有可能觸發一系列反應。