使用AADL語(yǔ)言分析和設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)

1、使用aadl語(yǔ)言分析和設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)關(guān)鍵任務(wù)和實(shí)時(shí)性系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師必需滿(mǎn)足功能性要求和非功能性屬性，如性能(吞吐量和服務(wù)質(zhì)量)、庇護(hù)、牢靠性、時(shí)光緊迫性、平安和容錯(cuò)等，這些系統(tǒng)級(jí)特性詳細(xì)取決于系統(tǒng)架構(gòu)。隨著軟件系統(tǒng)的硬件多樣性和復(fù)雜性的不斷提高，可以采納模型驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)辦法來(lái)滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)早期階段浮現(xiàn)的系統(tǒng)集成問(wèn)題?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)辦法的要點(diǎn)之一是要挑選合適的設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)描述詳細(xì)平臺(tái)架構(gòu)。為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)語(yǔ)言必需支持多種分析辦法以便舉行跨領(lǐng)域的權(quán)衡，架構(gòu)設(shè)計(jì)語(yǔ)言還必需支持開(kāi)發(fā)過(guò)程中的增量分析以及用于系統(tǒng)評(píng)估的多級(jí)逼真度。這種增量特性允許架構(gòu)規(guī)范在囫圇生命周期內(nèi)都有效。架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)語(yǔ)言(aad

2、l)是一種可以滿(mǎn)足這些要求的可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)描述語(yǔ)言。aadl適合具有挑戰(zhàn)性資源約束(如尺寸、分量和功率)、嚴(yán)格實(shí)時(shí)要求和/或高性能保證等級(jí)的嵌入式系統(tǒng)用法，應(yīng)用場(chǎng)合包括監(jiān)控、航天、飛翔管理、引擎和傳動(dòng)系統(tǒng)控制、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)工藝控制設(shè)備和航空等。aadl是在國(guó)際汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(sae)的指導(dǎo)下開(kāi)發(fā)的，已經(jīng)于2004年11月被批準(zhǔn)為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)as5506。為了支持性能分析，aadl定義了時(shí)序語(yǔ)義(semantics)；為了支持牢靠性分析，它包含了一個(gè)誤差建模附錄，它是as5506/1標(biāo)準(zhǔn)中所含的更大附錄集的一部分，它能為每個(gè)組件提供誤差模型表述。與sysml和uml等其他建模語(yǔ)言相比，aadl為

3、標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件組件分類(lèi)提供了強(qiáng)大的語(yǔ)義，這樣常用分析辦法和良好定義的系統(tǒng)集成就可以按照這些規(guī)范實(shí)施。特地為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的這種語(yǔ)言可以通過(guò)用戶(hù)可定義屬性(獲得aadl編譯器驗(yàn)證的屬性子語(yǔ)言支持)和用戶(hù)定義附錄舉行擴(kuò)展。附錄擴(kuò)展經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化可供業(yè)界廣泛用法。另外，在操作模式協(xié)助下aadl還能支持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模。aadl支持基于標(biāo)準(zhǔn)xml/xmi定義的模型交換和工具鏈接。aadl具有標(biāo)準(zhǔn)元模型(meta-model)、圖形定義和文本語(yǔ)言屬性。aadl uml 2.0規(guī)范已經(jīng)開(kāi)發(fā)勝利，并已經(jīng)開(kāi)頭進(jìn)入投票階段。arinc 653架構(gòu)的附錄也已開(kāi)頭制訂。有許多工具支持這種語(yǔ)言，其中有許多是開(kāi)放源碼的工具。開(kāi)源

4、aadl工具集環(huán)境(osate)是很重要的一個(gè)工具，它基于eclipse框架，包含文本、xml和圖形編輯器以及眾多分析工具。這些工具都是開(kāi)源eclipse插件，可以舉行擴(kuò)展。1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在本例中讓我們先看看用戶(hù)的要求：用戶(hù)想要安裝一套監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)監(jiān)視遠(yuǎn)離辦公室的三所房屋，在這些位置沒(méi)有現(xiàn)成的局域網(wǎng)，為了有效地阻擋入侵者，檢測(cè)過(guò)程必需迅速，最好在2秒鐘之內(nèi)。這個(gè)延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)是一種端到端的系統(tǒng)級(jí)性能要求。一種解決計(jì)劃是部署三個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對(duì)這些房子舉行監(jiān)視。攝像機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將信息發(fā)送到辦公室的計(jì)算機(jī)。然而，無(wú)線(xiàn)通信的有限帶寬無(wú)法適應(yīng)所有視頻流數(shù)據(jù)，因此我們需要在每個(gè)攝像機(jī)內(nèi)嵌入一個(gè)視頻處理器來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)

5、流舉行壓縮和預(yù)處理，但這樣做會(huì)影響到端到端的延時(shí)。我們必需評(píng)估不同的硬件挑選，例如視頻處理器和無(wú)線(xiàn)芯片。我們也想嘗試多種壓縮和入侵檢測(cè)算法，aadl能讓我們集中精力滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求，從而簡(jiǎn)化這一過(guò)程。下一步是定義架構(gòu)。aadl圖形符號(hào)有助于實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，1所示。值得注重的是，該模型不是隨意設(shè)計(jì)的，而是具有明確定義的正式模型，即使是在較高抽象層次。圖1：用于無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的一種aadl環(huán)境框圖系統(tǒng)構(gòu)造可以對(duì)囫圇系統(tǒng)和核心子系統(tǒng)(視頻檢測(cè)系統(tǒng))建模。aadl設(shè)備構(gòu)造可以描述物理組件，如視頻攝像機(jī)和，由于這些組件不需要捆綁應(yīng)用軟件。我們用法端口組和銜接來(lái)模擬不同組件之間的通信。攝像機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)流需要穿過(guò)視

6、頻檢測(cè)系統(tǒng)。圖2：用于無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的初始aadl模型aadl通過(guò)利用層次化結(jié)構(gòu)可以用不同的具體程度描述系統(tǒng)。圖2顯示了高層次的監(jiān)控應(yīng)用內(nèi)容。在架構(gòu)建立完成后，我們必需具體地定義不同的組件。在介紹具體設(shè)計(jì)之前，讓我們先了解一下aadl中的基本單元，軟件單元包括進(jìn)程、線(xiàn)程、線(xiàn)程組、數(shù)據(jù)和子程序。它們分離定義為：進(jìn)程：受庇護(hù)的地址空間線(xiàn)程：一個(gè)并行執(zhí)行單位線(xiàn)程組：用于組織線(xiàn)程的復(fù)合單元數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)類(lèi)型和靜態(tài)數(shù)據(jù)子程序：可調(diào)用的延續(xù)可執(zhí)行代碼在圖2中，我們用法軟件組件進(jìn)程、數(shù)據(jù)、線(xiàn)程和系統(tǒng)組件對(duì)視頻檢測(cè)系統(tǒng)的規(guī)律舉行建模。注重，這種模型只是比圖1所示的內(nèi)容向前邁出了一小步。硬件組件(也稱(chēng)為平臺(tái)種類(lèi))

7、包括了處理器、存儲(chǔ)器、和器件。在圖3中(在aadl結(jié)構(gòu)下方)你可以看到硬件組件的aadl標(biāo)準(zhǔn)圖形描述，它們描述了系統(tǒng)的物理特性。在監(jiān)控系統(tǒng)模型中，硬件平臺(tái)由cpu(處理器)、存儲(chǔ)器和總線(xiàn)確定。圖3：帶有硬件和軟件的aadl系統(tǒng)組件抽象包括特性、屬性和模式：特性定義了接口或輸出組件功能；屬性描述了特征和組件行為；模式描述了動(dòng)態(tài)組件重配置。2 組件之間的交互作用在定義好組件后，我們需要確定它們之間的關(guān)系，aadl本身就支持這一過(guò)程。組件交互用法端口(數(shù)據(jù)和大事輸入輸出端口)、端口組、子組件(subcomponent)拜訪(fǎng)、子程序調(diào)用、數(shù)據(jù)交換和分享。它們定義了功能接口和組件之間的通信。在圖2中，我

8、們用法數(shù)據(jù)端口來(lái)描述系統(tǒng)與器件之間的交互。aadl的一個(gè)關(guān)鍵特性是能對(duì)數(shù)據(jù)建模和流控制。流定義了通過(guò)多個(gè)組件和銜接的挨次數(shù)據(jù)或大事。在本例中，我們?yōu)槿_(tái)視頻攝像機(jī)規(guī)定了三種視頻流：video_flow1, video_flow2和video_flow3。這些視頻流代表了從攝像機(jī)到顯示器的端到端流淌。我們定義這些流是由于它們?cè)谖恢蒙戏珠_(kāi)的。流規(guī)范的目標(biāo)是支持端到端分析，例如端到端時(shí)序和延時(shí)，誤碼傳揚(yáng)以及服務(wù)質(zhì)量資源管理等。流的屬性定義了性能特點(diǎn)，例如，在監(jiān)控系統(tǒng)中，特別流屬性普通都會(huì)有最大的延時(shí)。我們需要檢查實(shí)際實(shí)現(xiàn)狀況來(lái)確定是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)中的每個(gè)端到端的流來(lái)講，都有一個(gè)屬性被定

9、義為“期望延時(shí)等于200ms”。aadl的一個(gè)強(qiáng)大特征是能夠針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)硬件和軟件建模，這有助于工程師規(guī)定和評(píng)估完整系統(tǒng)的交互效應(yīng)。在本例中，視頻攝像機(jī)、無(wú)線(xiàn)和處理器的挑選將挺直影響端到端的延時(shí)。3 完整的系統(tǒng)模型圖3給出了無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件的aadl設(shè)計(jì)，系統(tǒng)利用無(wú)線(xiàn)設(shè)備提供的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與攝像機(jī)通信。處理器按調(diào)度屬性執(zhí)行軟件組件，并限定存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器。協(xié)議反應(yīng)總線(xiàn)的屬性，并向來(lái)反饋到分析工具?？梢远x像pci或vme等不同的總線(xiàn)類(lèi)型，包括這些標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和性能特性。我們還可以定義定制無(wú)線(xiàn)鏈路，使它對(duì)csma/ca無(wú)線(xiàn)鏈路的特性建模。由于我們用法時(shí)序語(yǔ)義和流程規(guī)范描述了關(guān)鍵性能特點(diǎn)之一，因此我們可以評(píng)估系統(tǒng)級(jí)性能。還可以逐漸增強(qiáng)其他結(jié)構(gòu)詳情或?qū)傩?，以擴(kuò)充我們定義關(guān)鍵內(nèi)容時(shí)的分析形式。我們還能在全部開(kāi)發(fā)階段實(shí)施評(píng)估，包括早期結(jié)構(gòu)權(quán)衡分析，開(kāi)發(fā)階段的系統(tǒng)修改和調(diào)節(jié)，評(píng)估現(xiàn)有架構(gòu)變幻帶來(lái)的影響，以及按照性能模型的自動(dòng)集成。這樣我們就能用法基于組件的結(jié)構(gòu)規(guī)范舉行評(píng)估，并對(duì)每個(gè)可能的變幻舉行權(quán)衡。我們可以實(shí)驗(yàn)硬件和軟件組件、通信模型、調(diào)度、誤差建模、模式動(dòng)態(tài)特性等，并舉行結(jié)果整合。該語(yǔ)言還可擴(kuò)展以集成其他建模和分析功能。4 工具支持許多工具支持aadl架構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。開(kāi)源aadl工具環(huán)境(os