一种基于复杂实时嵌入式系统的架构设计与架构转换方法

技术领域

本发明涉及嵌入式系统研发领域，特别涉及一种基于复杂实时嵌入式系统的架构设计与架构转换方法。

背景技术

复杂实时嵌入式系统广泛应用于航空电子、航天器、汽车控制等领域，这些系统具有资源受限、实时响应、容错和专用硬件等特点，对实时性、安全性等性能有较高的要求，由于计算精度、实时响应的要求，这类系统变得越来越复杂，如何设计与实现高质量的复杂装备嵌入式实时系统，并有效控制开发时间与成本，是学术界和工业界共同面临的难题。

传统的嵌入式系统开发模式，从需求分析、设计、实现到测试的顺序开发过程中，由于开发环节较多、中间文档较多，常导致各开发环节之间的衔接存在很大的不确定性和潜在的遗漏危机，一旦在最终实现和测试阶段出现了明显的错误或是需求不满足的情况，则无法进行跨越阶段的重复设计，只能从头开始设计和实现，这样使得嵌入式系统研发的各项成本大大增加，这是嵌入式系统设计研发的瓶颈。而模型驱动开发方法(Model DrivenDevelopment,MDD)能够在早期阶段对复杂实时嵌入式系统进行架构设计与分析，有助于保证系统的质量属性，并有效控制开发时间与成本。而质量属性是由系统架构决定的。因此，基于架构模型驱动(Model-based architecture-driven)的设计与研发方法成为复杂实时嵌入式系统领域的重要研究内容。虽然基于功能(F)、逻辑(L)、物理(P)的框架开展基于模型的系统架构设计与分析逐渐成为共识，然而在复杂实时嵌入式系统架构设计与分析领域，仍然存在如下的缺陷：对于功能架构、逻辑架构、物理架构的定义及特征尚未统一。同时在架构转换方面，基本都是人工转换，缺少完整的架构模型自动转换方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明梳理了复杂实时嵌入式系统功能架构设计建模、逻辑架构设计建模、物理架构设计建模和架构模型自动转换方法等，提出一种基于复杂实时嵌入式系统的架构设计与架构转换方法。

本发明的技术方案为：一种基于复杂实时嵌入式系统的架构设计与架构转换方法，包括如下步骤：

步骤1、基于复杂实时嵌入式系统低层需求和设计约束，对复杂实时嵌入式系统进行SysML(System Modeling Language，系统建模语言)功能架构设计建模，然后通过模型自动转换方法将SysML功能架构模型转换为AADL功能架构模型；

步骤2、基于功能架构进行逻辑架构设计，对复杂实时嵌入式系统进行SysML及FACE Profile逻辑架构设计建模，然后通过模型自动转换方法将SysML及FACE Profile逻辑架构模型转换为AADL逻辑架构模型；

步骤3、基于逻辑架构进行物理架构设计，对复杂实时嵌入式系统进行SysML及MARTE Profile物理架构设计建模，然后通过模型自动转换方法将SysML及MARTE Profile物理架构模型转换为AADL物理架构模型。

进一步的，所述步骤1根据复杂实时嵌入式系统低层需求和设计约束，进行SysML功能架构设计建模，然后完成到AADL功能架构模型的转换，具体包括：

基于复杂实时嵌入式系统低层需求和设计约束，对复杂实时嵌入式系统进行功能架构设计，首先建立系统的功能架构，包括系统功能元素的分配和建立功能层级；然后进行系统功能架构元素接口分析和定义，其次识别系统功能架构设计的衍生需求，最后将SysML功能架构模型转换为AADL功能架构模型。

进一步的，所述步骤2基于功能架构进行逻辑架构设计，进行SysML及FACEProfile的逻辑架构设计建模，然后完成到AADL逻辑架构模型的转换，具体包括：

基于功能架构进行逻辑架构设计，首先定义逻辑组成，包括建立逻辑集合、定义逻辑实体、确定逻辑实体到功能元素的映射关系、性能指标的分配；然后进行系统逻辑架构的接口分析和定义，其次识别系统逻辑架构设计的衍生需求，最后将SysML及FACE Profile逻辑架构模型转换为AADL逻辑架构模型。

进一步的，所述步骤3基于逻辑架构进行物理架构设计，对复杂实时嵌入式系统进行SysML及MARTE Profile物理架构设计建模，然后完成到AADL物理架构模型的转换，具体包括：

基于功能和逻辑架构进行物理架构设计，首先定义物理组成，包括建立物理集合、定义物理实体、确定物理实体到逻辑实体的映射关系、性能指标到物理指标的转化、物理指标的分配；然后进行系统物理架构的接口分析和定义，其次识别系统物理架构设计的衍生需求，最后将SysML及MARTE Profile物理架构模型转换为AADL物理架构模型。

进一步的，所述步骤1、2和3中复杂实时嵌入式系统架构模型到AADL模型的转换采用同一转换方法，具体内容为：

(1)由于SysML模型、FACE Profile模型、MARTE Profile模型和AADL模型是异构模型，为了实现SysML模型、FACE Profile模型、MARTE Profile模型到AADL模型的自动转换需将SysML模型、FACE Profile模型、MARTE Profile模型和AADL模型在同一个元元模型体系下进行同构化，进而进行语义映射和语法转换。异构模型的转换首先需要解决的问题是将两种模型在同一个元元模型体系下进行同构化，即通过相同的元元模型定义SysML模型、FACE Profile模型、MARTE Profile模型和AADL的元模型。SysML元模型、FACE Profile元模型、MARTE Profile元模型和AADL的元模型通过MOF进行构建，上述模型同时在MOF这一元元模型体系，使得两种语言可以在同一个环境下进行语义映射。然后在M2元模型层定义SysML子集元模型和AADL子集元模型的语义映射规则，为AADL子集元模型构造具体语法，可以由EMF框架自动实现。

(2)使用EMF技术，在Eclipse中开发一个Ecore元模型，用于描述复杂实时嵌入式系统功能架构的SysML模型结构XMI文件；Ecore模型生成一个解析器，该解析器将该XMI文件中的表示功能架构的SysML模型结构读取出来，从而在Eclipse中创建一个EMF模型；通过遍历功能架构SysML模型对应的EMF模型来创建EMF模型中的元素到AADL中的元素的映射，在制定的转换规则的基础上，先创建组件对应的AADL对象和EMF到AADL的映射关系，再用模型连接器来建立各个组件之间的联系，从而得到AADL功能架构模型；同样地，将SysML及FACE Profile的逻辑架构模型和SysML及MARTE Profile的物理架构模型分别转换为AADL逻辑架构模型和AADL物理架构模型。

有益效果：

SysML是系统工程的标准建模语言，但针对嵌入式系统架构设计与分析建模，从早期的需求捕获到最终的嵌入式系统的生成，工业界的一个实际复杂嵌入式系统如果只使用SysML建模，只能完成系统的高层设计，无法将与软硬件相关的复杂实时嵌入式系统需求描述清楚，所以提出MARTE和FACE对SysML语言进行嵌入式系统架构设计与分析的补充，本发明的方法实现了在开发的工具环境内加载应用基于OMG标准的MARTE和FACE Profile，这样基于UML/SysML原有元类和构造型，通过Profile方式扩展，给出了MARTE和FACE Profile的元模型和形式化定义，为嵌入式系统架构设计与分析全建模提供了支持。基于本发明提出的业务过程和转换方法，后续着手实现SysML模型、FACE Profile模型、MARTE Profile模型到AADL模型的转换工具，并集成到现有设计工具中，使用EMF框架技术和Eclipse插件技术实现了架构转换原型工具插件，实现SysML模型、FACE Profile模型、MARTE Profile模型到AADL模型的自动转换，切实提高了模型转换的效率和准确性。

附图说明

图1本发明总体流程图；

图2功能架构SysML建模示例图；

图3FACE Profile实现；

图4逻辑架构SysML及FACE Profile建模示例图；

图5MARTE Profile实现；

图6物理架构SysML及MARTE Profile建模示例图；

图7架构模型转换流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，提出一种基于复杂实时嵌入式系统的架构设计与架构转换方法，参见图1，包括如下步骤：

步骤1、基于复杂实时嵌入式系统低层需求和设计约束，对复杂实时嵌入式系统进行SysML功能架构设计建模，然后通过模型自动转换方法将SysML(System ModelingLanguage，系统建模语言)功能架构模型转换为AADL(ArchitectureAnalysis and DesignLanguage，架构分析与设计语言)功能架构模型；

步骤2、基于功能架构进行逻辑架构设计，对复杂实时嵌入式系统进行SysML及FACE(FutureAirborne Capability Environment，未来机载能力环境)Profile逻辑架构设计建模，然后通过模型自动转换方法将SysML及FACE Profile逻辑架构模型转换为AADL逻辑架构模型；

步骤3、基于逻辑架构进行物理架构设计，对复杂实时嵌入式系统进行SysML及MARTE(Modeling andAnalysis ofReal Time and Embedded systems，实时嵌入式系统建模与分析)Profile物理架构设计建模，然后通过模型自动转换方法将SysML及MARTEProfile物理架构模型转换为AADL物理架构模型，架构模型转换的流程图如图7所示。

具体的，所述步骤1根据复杂实时嵌入式系统低层需求和设计约束，进行SysML功能架构设计建模，然后完成到AADL功能架构模型的转换，具体包括：

基于复杂实时嵌入式系统低层需求和设计约束，使用Modsim工具对复杂实时嵌入式系统进行功能架构设计建模，其中Modsim是金航数码基于SysML自主开发的系统设计建模与仿真系统。该建模与仿真系统是基于Eclipse RCP平台架构搭建，采用标准客户端模式，提供UML2.5和SysML1.6标准规范的建模。在功能架构设计建模过程中，为了区分代表功能组和功能的Block与表示系统的Block，将其单独使用包进行组织。通过创建块定义图(BDD)描述功能组和功能的分解结构，功能组中的功能之间的数据流交互使用内部块图(IBD)进行描述，功能流使用活动图进行描述，功能交互使用顺序图进行描述，功能元素的动态行为模型使用状态图进行描述。表示功能Block的Port表示功能的信息流端口(主要是数据流或者事件流)，连接Connection用于表示功能(在IBD图使用Property进行表示)之间的信息流连接关系，建模示例图如图2所示，FunctionGroupID表示功能组，FunID表示具体的功能，FunID上的端口“功能ID”表示信息流端口。通过创建需求图表示识别系统功能架构设计的衍生需求，最后将表示功能架构模型的SysML IBD图根据转换规则转换为对应的AADL功能架构模型，该转换的模型可以直接通过OSATE工具打开，本发明方法提出的转换规则如下表1所示：

表1 SysML模型与AADL模型转换规则

进一步的，所述步骤2基于功能架构进行逻辑架构设计，进行SysML及FACEProfile的逻辑架构设计建模，然后完成到AADL逻辑架构模型的转换，具体包括：

基于系统功能架构设计，使用Modsim工具对复杂实时嵌入式系统进行逻辑架构设计建模，使用逻辑组件的方式对系统组成进行表示，并将功能架构中的功能分配到逻辑组件中。使用BDD图描述系统的分解组成关系，最顶层的Block表示系统，其他的Block表示逻辑组件(或子系统)，Block上的Port用于表示逻辑组件的数据交换端口，使用组成连接关系描述系统组成结构。逻辑组件可能会嵌套包含子逻辑组件。在逻辑架构中对应的包中新建一个描述数据交换端口的Interface包，数据交换端口具体数据建模在BDD图中采用FACEProfile进行。通过将逻辑组件的Port的类型选择为FACE数据模型元素建立的数据，实现FACE数据模型和端口的关联。使用IBD图对系统的顶层逻辑组件之间的交互关系以及每个顶层逻辑组件内部的子组件之间和数据交互关系进行描述。连接Connector用于表示逻辑组件(用Property表示)之间的数据连接。使用IBD图进行功能架构中功能和逻辑架构中逻辑组件之间的分配关系描述。在BDD图中将表示功能的Block以Property的形式拖入图中，逻辑组件的Block同样的方式拖入，使用allocate将功能分配到逻辑组件。当模型比较复杂allocate关系较多时，可以使用追溯矩阵的形式描述功能到逻辑组件的分配关系。通过基于逻辑实体的状态图模型描述逻辑实体的动态行为，进行逻辑架构的动态行为验证，其中FACE Profile的实现如图3所示，建模示例图如图4所示，LogicComponentID表示逻辑组件，逻辑组件上的端口“逻辑ID”表示对应信息流端口。通过创建需求图表示识别系统逻辑架构设计的衍生需求，最后将表示逻辑架构模型的SysML IBD图根据转换规则转换为对应的AADL逻辑架构模型，该转换的模型可以直接通过OSATE工具打开，本发明方法提出的转换规则如下表2和表3所示：

表2 SysML模型与AADL模型转换规则

表3 FACE Profile模型与AADL模型转换规则

具体的，步骤3、根据基于逻辑架构进行物理架构设计，对复杂实时嵌入式系统进行SysML及MARTE Profile物理架构设计建模，然后通过模型自动转换方法将SysML及MARTEProfile物理架构模型转换为AADL物理架构模型，具体如下：

基于逻辑架构，使用Modsim进行复杂实时嵌入式系统物理架构设计建模，加载应用MARTE Profile，采用MARTE中的元素具体的定义嵌入式系统的软硬件组成和分配关系。使用BDD图描述系统的分解组成关系，最顶层的Block表示系统，其他的Block表示物理组件(或子系统)，Block上的Port用于表示物理组件的数据交换端口，使用组成连接关系描述系统组成结构。使用SysMLBlock表示系统和子系统，使用MARTE元素定义子系统的软硬件组成。在Block的内部块图(IBD)中表示其内部组成关系，其中，Property若表示具体的软硬件，则其类型应为定义好的MARTE元素；若Property表示子系统，则其类型为Block定义的子系统类型。使用allocate描述MARTE元素间的软硬件分配关系，使用追溯矩阵描述逻辑架构(逻辑组件)到物理架构(使用MARTE元素表示的软硬件)之间的分配关系，其中MARTEProfile的实现如图5所示，建模示例图如图6所示。通过创建需求图表示识别系统物理架构设计的衍生需求，最后将表示物理架构模型的SysML IBD图根据转换规则转换为对应的AADL物理架构模型，该转换的模型可以直接通过OSATE工具打开，本发明方法提出的转换规则如下表4和表5所示：

表4 SysML模型与AADL模型转换规则

表5 MARTE Profile模型与AADL模型转换规则

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。