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在設計關(guān)鍵任務(wù)和實(shí)時(shí)性系統時(shí)，設計師必須滿(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)、保護、可靠性、時(shí)間緊迫性、安全和容錯等，這些系統級特性具體取決于系統架構。隨著(zhù)嵌入式軟件系統的硬件多樣性和復雜性的不斷提高，可以采用模型驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)方法來(lái)滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)早期階段出現的系統集成問(wèn)題�；谀Ｐ偷脑O計方法的要點(diǎn)之一是要選擇合適的設計語(yǔ)言來(lái)描述具體平臺架構。 為了調整系統架構，設計語(yǔ)言必須支持多種分析方法以便進(jìn)行跨領(lǐng)域的權衡，架構設計語(yǔ)言還必須支持開(kāi)發(fā)過(guò)程中的增量分析以及用于系統評估的多級逼真度。這種增量特性允許架構規范在整個(gè)生命周期內都有效。 架構分析與設計語(yǔ)言(AADL)是一種可以滿(mǎn)足這些要求的可擴展的標準架構描述語(yǔ)言。AADL適合具有挑戰性資源約束(如尺寸、重量和功率)、嚴格實(shí)時(shí)要求和/或高性能保證等級的嵌入式系統使用，應用場(chǎng)合包括監控、航天、飛行管理、引擎和傳動(dòng)系統控制、醫療設備、工業(yè)工藝控制設備和航空等。 AADL是在國際汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )(SAE)的指導下開(kāi)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(shí)序語(yǔ)義(semantics)；為了支持可靠性分析，它包含了一個(gè)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(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為標準的軟硬件組件分類(lèi)提供了強大的語(yǔ)義，這樣常用分析方法和良好定義的系統集成就可以根據這些規范實(shí)施。專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統設計的這種語(yǔ)言可以通過(guò)用戶(hù)可定義屬性(獲得AADL編譯器驗證的屬性子語(yǔ)言支持)和用戶(hù)定義附錄進(jìn)行擴展。附錄擴展經(jīng)過(guò)標準化可供業(yè)界廣泛使用。另外，在操作模式幫助下AADL還能支持系統動(dòng)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(yǔ)言屬性。AADL UML 2.0規范已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，并已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入投票階段。ARINC 653架構的附錄也已開(kāi)始制訂。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，可以進(jìn)行擴展。 1 監控系統設計 在本例中讓我們先看看用戶(hù)的要求：用戶(hù)想要安裝一套監控系統來(lái)監視遠離辦公室的三所房屋，在這些位置沒(méi)有現成的局域網(wǎng)，為了有效地阻止入侵者，檢測過(guò)程必須快速，最好在2秒鐘之內。這個(gè)延時(shí)標準是一種端到端的系統級性能要求。 一種解決方案是部署三個(gè)網(wǎng)絡(luò )攝像機對這些房子進(jìn)行監視。攝像機通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將信息發(fā)送到辦公室的計算機。然而，無(wú)線(xiàn)通信的有限帶寬無(wú)法適應全部視頻流數據，因此我們需要在每個(gè)攝像機內嵌入一個(gè)視頻處理器來(lái)對數據流進(jìn)行壓縮和預處理，但這樣做會(huì )影響到端到端的延時(shí)。我們必須評估不同的硬件選擇，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算法，AADL能讓我們集中精力滿(mǎn)足系統性能要求，從而簡(jiǎn)化這一過(guò)程。 下一步是定義架構。AADL圖形符號有助于實(shí)現這一過(guò)程，如圖1所示。值得注意的是，該模型不是任意設計的，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(wú)線(xiàn)視頻監控系統的一種AADL環(huán)境框圖 系統構造可以對整個(gè)系統和核心子系統(視頻檢測系統)建模。AADL設備構造可以描述物理組件，如視頻攝像機和顯示器，因為這些組件不需要捆綁應用軟件。我們使用端口組和連接來(lái)模擬不同組件之間的通信。攝像機發(fā)送的數據流需要穿過(guò)視頻檢測系統。 圖2：用于無(wú)線(xiàn)視頻監控系統的初始AADL模型 AADL通過(guò)利用層次化結構可以用不同的詳細程度描述系統。圖2顯示了高層次的監控應用內容。在架構建立完成后，我們必須詳細地定義不同的組件。在介紹詳細設計之前，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(xiàn)程、線(xiàn)程組、數據和子程序。它們分別定義為： 進(jìn)程：受保護的地址空間 線(xiàn)程：一個(gè)并行執行單位 線(xiàn)程組：用于組織線(xiàn)程的復合單元 數據：數據類(lèi)型和靜態(tài)數據 子程序：可調用的連續可執行代碼 在圖2中，我們使用軟件組件進(jìn)程、數據、線(xiàn)程和系統組件對視頻檢測系統的邏輯進(jìn)行建模。注意，這種模型只是比圖1所示的內容向前邁出了一小步。 硬件組件(也稱(chēng)為平臺種類(lèi))包括了處理器、存儲器、總線(xiàn)和器件。在圖3中(在A(yíng)ADL結構下方)你可以看到硬件組件的AADL標準圖形描述，它們描述了系統的物理特性。在監控系統模型中，硬件平臺由CPU(處理器)、存儲器和總線(xiàn)確定。 圖3：帶有硬件和軟件的AADL系統 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。組件交互使用端口(數據和事件輸入輸出端口)、端口組、子組件(subcomponent)訪(fǎng)問(wèn)、子程序調用、數據交換和共享。它們定義了功能接口和組件之間的通信。在圖2中，我們使用數據端口來(lái)描述系統與器件之間的交互。 AADL的一個(gè)關(guān)鍵特性是能對數據建模和流控制。流定義了通過(guò)多個(gè)組件和連接的順序數據或事件。在本例中，我們?yōu)槿_視頻攝像機規定了三種視頻流：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動(dòng)。 我們定義這些流是因為它們在位置上分開(kāi)的。流規范的目標是支持端到端分析，例如端到端時(shí)序和延時(shí)，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，在監控系統中，特殊流屬性一般都會(huì )有最大的延時(shí)。我們需要檢查實(shí)際實(shí)現情況來(lái)確定是否達到設計目標。對于這個(gè)系統中的每個(gè)端到端的流來(lái)講，都有一個(gè)屬性被定義為“期望延時(shí)等于200ms”。 AADL的一個(gè)強大特征是能夠針對目標系統同時(shí)對硬件和軟件建模，這有助于工程師規定和評估完整系統的交互效應。在本例中，視頻攝像機、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和處理器的選擇將直接影響端到端的延時(shí)。 3 完整的系統模型 圖3給出了無(wú)線(xiàn)監控系統軟硬件的AADL設計，系統利用無(wú)線(xiàn)設備提供的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與攝像機通信。處理器按調度屬性執行軟件組件，并限定存儲的存儲器。協(xié)議反應總線(xiàn)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(xiàn)類(lèi)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(wú)線(xiàn)鏈路，使它對CSMA/CA無(wú)線(xiàn)鏈路的特性建模。 因為我們使用時(shí)序語(yǔ)義和流程規范描述了關(guān)鍵性能特點(diǎn)之一，因此我們可以評估系統級性能。還可以逐漸增加其他結構細節或屬性，以擴充我們定義關(guān)鍵內容時(shí)的分析形式。我們還能在所有開(kāi)發(fā)階段實(shí)施評估，包括早期結構權衡分析，開(kāi)發(fā)階段的系統修改和調整，評估現有架構變化帶來(lái)的影響，以及根據性能模型的自動(dòng)集成。這樣我們就能使用基于組件的結構規范進(jìn)行評估，并對每個(gè)可能的變化進(jìn)行權衡。我們可以試驗硬件和軟件組件、通信模型、調度、誤差建模、模式動(dòng)態(tài)特性等，并進(jìn)行結果整合。該語(yǔ)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架構設計和分析。開(kāi)源AADL工具環(huán)境(OSATE)是在開(kāi)源Eclipse平臺之上的一套插件，它提供了一個(gè)集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境用于A(yíng)ADL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(kāi)發(fā)成功多個(gè)分析插件用于執行各種架構的一致性檢查、流程和可靠性分析、數據質(zhì)量和安全分析以及資源調度。 |
