使用AADL語言分析和設(shè)計嵌入式系統(tǒng)

1、使用aadl語言分析和設(shè)計嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計關(guān)鍵任務(wù)和實時性系統(tǒng)時，設(shè)計師必需滿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、牢靠性、時光緊迫性、平安和容錯等，這些系統(tǒng)級特性詳細取決于系統(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)動的開發(fā)辦法來滿足開發(fā)早期階段浮現(xiàn)的系統(tǒng)集成問題?；谀Ｐ偷脑O(shè)計辦法的要點之一是要挑選合適的設(shè)計語言來描述詳細平臺架構(gòu)。為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計語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)計語言還必需支持開發(fā)過程中的增量分析以及用于系統(tǒng)評估的多級逼真度。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)計語言(aad

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

3、標準的軟硬件組件分類提供了強大的語義，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)范實施。特地為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的這種語言可以通過用戶可定義屬性(獲得aadl編譯器驗證的屬性子語言支持)和用戶定義附錄舉行擴展。附錄擴展經(jīng)過標準化可供業(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)動態(tài)建模。aadl支持基于標準xml/xmi定義的模型交換和工具鏈接。aadl具有標準元模型(meta-model)、圖形定義和文本語言屬性。aadl uml 2.0規(guī)范已經(jīng)開發(fā)勝利，并已經(jīng)開頭進入投票階段。arinc 653架構(gòu)的附錄也已開頭制訂。有許多工具支持這種語言，其中有許多是開放源碼的工具。開源

4、aadl工具集環(huán)境(osate)是很重要的一個工具，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。這些工具都是開源eclipse插件，可以舉行擴展。1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計在本例中讓我們先看看用戶的要求：用戶想要安裝一套監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)視遠離辦公室的三所房屋，在這些位置沒有現(xiàn)成的局域網(wǎng)，為了有效地阻擋入侵者，檢測過程必需迅速，最好在2秒鐘之內(nèi)。這個延時標準是一種端到端的系統(tǒng)級性能要求。一種解決計劃是部署三個網(wǎng)絡(luò)攝像機對這些房子舉行監(jiān)視。攝像機通過無線方式將信息發(fā)送到辦公室的計算機。然而，無線通信的有限帶寬無法適應(yīng)所有視頻流數(shù)據(jù)，因此我們需要在每個攝像機內(nèi)嵌入一個視頻處理器來對數(shù)據(jù)

5、流舉行壓縮和預(yù)處理，但這樣做會影響到端到端的延時。我們必需評估不同的硬件挑選，例如視頻處理器和無線芯片。我們也想嘗試多種壓縮和入侵檢測算法，aadl能讓我們集中精力滿足系統(tǒng)性能要求，從而簡化這一過程。下一步是定義架構(gòu)。aadl圖形符號有助于實現(xiàn)這一過程，1所示。值得注重的是，該模型不是隨意設(shè)計的，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：用于無線系統(tǒng)的一種aadl環(huán)境框圖系統(tǒng)構(gòu)造可以對囫圇系統(tǒng)和核心子系統(tǒng)(視頻檢測系統(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模擬不同組件之間的通信。攝像機發(fā)送的數(shù)據(jù)流需要穿過視

6、頻檢測系統(tǒng)。圖2：用于無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的初始aadl模型aadl通過利用層次化結(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)計之前，讓我們先了解一下aadl中的基本單元，軟件單元包括進程、線程、線程組、數(shù)據(jù)和子程序。它們分離定義為：進程：受庇護的地址空間線程：一個并行執(zhí)行單位線程組：用于組織線程的復(fù)合單元數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)類型和靜態(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程、數(shù)據(jù)、線程和系統(tǒng)組件對視頻檢測系統(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(也稱為平臺種類)

7、包括了處理器、存儲器、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標準圖形描述，它們描述了系統(tǒng)的物理特性。在監(jiān)控系統(tǒng)模型中，硬件平臺由cpu(處理器)、存儲器和總線確定。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、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)端口來描述系統(tǒng)與器件之間的交互。aadl的一個關(guān)鍵特性是能對數(shù)據(jù)建模和流控制。流定義了通過多個組件和銜接的挨次數(shù)據(jù)或大事。在本例中，我們?yōu)槿_視頻攝像機規(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到顯示器的端到端流淌。我們定義這些流是由于它們在位置上分開的。流規(guī)范的目標是支持端到端分析，例如端到端時序和延時，誤碼傳揚以及服務(wù)質(zhì)量資源管理等。流的屬性定義了性能特點，例如，在監(jiān)控系統(tǒng)中，特別流屬性普通都會有最大的延時。我們需要檢查實際實現(xiàn)狀況來確定是否達到設(shè)計目標。對于這個系統(tǒng)中的每個端到端的流來講，都有一個屬性被定

9、義為“期望延時等于200ms”。aadl的一個強大特征是能夠針對目標系統(tǒng)同時對硬件和軟件建模，這有助于工程師規(guī)定和評估完整系統(tǒng)的交互效應(yīng)。在本例中，視頻攝像機、無線和處理器的挑選將挺直影響端到端的延時。3 完整的系統(tǒng)模型圖3給出了無線監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件的aadl設(shè)計，系統(tǒng)利用無線設(shè)備提供的無線網(wǎng)絡(luò)與攝像機通信。處理器按調(diào)度屬性執(zhí)行軟件組件，并限定存儲的存儲器。協(xié)議反應(yīng)總線的屬性，并向來反饋到分析工具?？梢远x像pci或vme等不同的總線類型，包括這些標準的協(xié)議和性能特性。我們還可以定義定制無線鏈路，使它對csma/ca無線鏈路的特性建模。由于我們用法時序語義和流程規(guī)范描述了關(guān)鍵性能特點之一，因此我們可以評估系統(tǒng)級性能。還可以逐漸增強其他結(jié)構(gòu)詳情或?qū)傩?，以擴充我們定義關(guān)鍵內(nèi)容時的分析形式。我們還能在全部開發(fā)階段實施評估，包括早期結(jié)構(gòu)權(quán)衡分析，開發(fā)階段的系統(tǒng)修改和調(diào)節(jié)，評估現(xiàn)有架構(gòu)變幻帶來的影響，以及按照性能模型的自動集成。這樣我們就能用法基于組件的結(jié)構(gòu)規(guī)范舉行評估，并對每個可能的變幻舉行權(quán)衡。我們可以實驗硬件和軟件組件、通信模型、調(diào)度、誤差建模、模式動態(tài)特性等，并舉行結(jié)果整合。該語言還可擴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)計和分析。開源aadl工具環(huán)境(os