基于架構(gòu)分析與設(shè)計語言滿足嵌入式軟件系統(tǒng)的設(shè)計要求

在設(shè)計關(guān)鍵任務(wù)和實(shí)時性系統(tǒng)時，設(shè)計師必須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）、保護(hù)、可靠性、時間緊迫性、安全和容錯等，這些系統(tǒng)級特性具體取決于系統(tǒng)架構(gòu)。隨著嵌入式軟件系統(tǒng)的硬件多樣性和復(fù)雜性的不斷提高，可以采用模型驅(qū)動的開發(fā)方法來滿足開發(fā)早期階段出現(xiàn)的系統(tǒng)集成問題?；谀Ｐ偷脑O(shè)計方法的要點(diǎn)之一是要選擇合適的設(shè)計語言來描述具體平臺架構(gòu)。

為了調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計語言必須支持多種分析方法以便進(jìn)行跨領(lǐng)域的權(quán)衡，架構(gòu)設(shè)計語言還必須支持開發(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)范在整個生命周期內(nèi)都有效。

架構(gòu)分析與設(shè)計語言（AADL）是一種可以滿足這些要求的可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)描述語言。AADL適合具有挑戰(zhàn)性資源約束（如尺寸、重量和功率）、嚴(yán)格實(shí)時要求和/或高性能保證等級的嵌入式系統(tǒng)使用，應(yīng)用場合包括監(jiān)控、航天、飛行管理、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(zhǔn)為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AS5506。為了支持性能分析，AADL定義了時序語義（semantics）；為了支持可靠性分析，它包含了一個誤差建模附錄，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為標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件組件分類提供了強(qiáng)大的語義，這樣常用分析方法和良好定義的系統(tǒng)集成就可以根據(jù)這些規(guī)范實(shí)施。專門為嵌入式系統(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）和用戶定義附錄進(jìn)行擴(kuò)展。附錄擴(kuò)展經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化可供業(yè)界廣泛使用。另外，在操作模式幫助下AADL還能支持系統(tǒng)動態(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）、圖形定義和文本語言屬性。AADL UML 2.0規(guī)范已經(jīng)開發(fā)成功，并已經(jīng)開始進(jìn)入投票階段。ARINC 653架構(gòu)的附錄也已開始制訂。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，可以進(jìn)行擴(kuò)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(yuǎn)離辦公室的三所房屋，在這些位置沒有現(xiàn)成的局域網(wǎng)，為了有效地阻止入侵者，檢測過程必須快速，最好在2秒鐘之內(nèi)。這個延時標(biāo)準(zhǔn)是一種端到端的系統(tǒng)級性能要求。

一種解決方案是部署三個網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對這些房子進(jìn)行監(jiān)視。攝像機(jī)通過無線方式將信息發(fā)送到辦公室的計算機(jī)。然而，無線通信的有限帶寬無法適應(yīng)全部視頻流數(shù)據(jù)，因此我們需要在每個攝像機(jī)內(nèi)嵌入一個視頻處理器來對數(shù)據(jù)流進(jìn)行壓縮和預(yù)處理，但這樣做會影響到端到端的延時。我們必須評估不同的硬件選擇，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(shí)現(xiàn)這一過程，如圖1所示。值得注意的是，該模型不是任意設(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：用于無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一種AADL環(huán)境框圖

系統(tǒng)構(gòu)造可以對整個系統(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(jī)和顯示器，因為這些組件不需要捆綁應(yīng)用軟件。我們使用端口組和連接來模擬不同組件之間的通信。攝像機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)流需要穿過視頻檢測系統(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)可以用不同的詳細(xì)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，我們必須詳細(xì)地定義不同的組件。在介紹詳細(xì)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(jìn)程、線程、線程組、數(shù)據(jù)和子程序。它們分別定義為：

進(jìn)程：受保護(hù)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)用的連續(xù)可執(zhí)行代碼

在圖2中，我們使用軟件組件進(jìn)程、數(shù)據(jù)、線程和系統(tǒng)組件對視頻檢測系統(tǒng)的邏輯進(jìn)行建模。注意，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）包括了處理器、存儲器、總線和器件。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。組件交互使用端口（數(shù)據(jù)和事件輸入輸出端口）、端口組、子組件（subcomponent）訪問、子程序調(diào)用、數(shù)據(jù)交換和共享。它們定義了功能接口和組件之間的通信。在圖2中，我們使用數(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連接的順序數(shù)據(jù)或事件。在本例中，我們?yōu)槿_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動。

我們定義這些流是因為它們在位置上分開的。流規(guī)范的目標(biāo)是支持端到端分析，例如端到端時序和延時，誤碼傳播以及服務(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，特殊流屬性一般都會有最大的延時。我們需要檢查實(shí)際實(shí)現(xiàn)情況來確定是否達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。對于這個系統(tǒng)中的每個端到端的流來講，都有一個屬性被定義為“期望延時等于200ms”。

AADL的一個強(qiáng)大特征是能夠針對目標(biāo)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(jī)、無線收發(fā)器和處理器的選擇將直接影響端到端的延時。

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(jī)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，并一直反饋到分析工具?？梢远x像PCI或VME等不同的總線類型，包括這些標(biāo)準(zhǔn)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。

因為我們使用時序語義和流程規(guī)范描述了關(guān)鍵性能特點(diǎn)之一，因此我們可以評估系統(tǒng)級性能。還可以逐漸增加其他結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或?qū)傩?，以擴(kuò)充我們定義關(guān)鍵內(nèi)容時的分析形式。我們還能在所有開發(fā)階段實(shí)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)整，評估現(xiàn)有架構(gòu)變化帶來的影響，以及根據(jù)性能模型的自動集成。這樣我們就能使用基于組件的結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行評估，并對每個可能的變化進(jìn)行權(quán)衡。我們可以試驗硬件和軟件組件、通信模型、調(diào)度、誤差建模、模式動態(tài)特性等，并進(jìn)行結(jié)果整合。該語言還可擴(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)計和分析。開源AADL工具環(huán)境（OSATE）是在開源Eclipse平臺之上的一套插件，它提供了一個集成的開發(fā)環(huán)境用于AADL模型編輯、編譯和前端分析。另外，它還包括了使用TOPCASED插件的AADL符號圖形編輯器。目前已經(jīng)開發(fā)成功多個分析插件用于執(zhí)行各種架構(gòu)的一致性檢查、流程和可靠性分析、數(shù)據(jù)質(zhì)量和安全分析以及資源調(diào)度。

責(zé)任編輯：gt