CN101976196A

CN101976196A - 一种面向“服务质量”的代码自动生成方法

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Publication number: CN101976196A
Application number: CN2010105497648A
Authority: CN
Inventors: 尹云飞
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: CN101976196B

Abstract

本发明公开了一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，属于计算机软件技术领域。该方法改进了现有的代码自动生成方法，使生成的代码具有较高的“服务质量”特性。其中“服务质量”是指Quality of Service，简写为QoS。该方法提供了四种“服务质量”参数配置模型和四种“服务质量”代码生成机制。通过系统化的方法使模型的读取、分析、修改、仿真、定型和代码生成一体化。该方法主要应用于工业嵌入式领域，对于基于安全和实时特性的机载嵌入式系统的自动化设计具有重要的意义。

Description

一种面向“服务质量”的代码自动生成方法

技术领域

本发明属于计算机软件技术领域，来源于无人机控制系统的工程实践。具体涉及到“服务质量”技术、代码自动生成技术、机载嵌入式技术、MATLAB/SIMULINK通信技术。

其中，“服务质量”技术是指具有安全机制的、用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术，英文全称：Quality of Service，缩写：QoS。

“代码自动生成技术”是指根据具体的设备型号、运行环境、附属板卡类型或软件开发生命周期的需求在预设的“模型定义语言”框架内完成模型到实际运行环境编译的技术。

“机载嵌入式技术”是对用于飞机上的各种测量、显示、处理和控制技术的总称。它以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，是一种面向特定应用领域的专用技术。

“MATLAB/SIMULINK通信技术”是指把MATLAB/SIMULINK作为对等的“实体”而进行的任务委托处理技术。本发明在代码自动生成时利用了“MATLAB/SIMULINK通信技术”。

背景技术

本发明可以对多架无人机进行控制。

进入二十一世纪，机载嵌入式技术迅速发展，并向人工智能、信息安全、信息技术等领域渗透，这给机载嵌入式系统的设计带来了新的挑战。以无人驾驶飞行器(简称“无人机”)为例，经历了近百年的发展，已经从早期单一用途的靶机(例如“峰后”号)发展到现今多用途、多功能、高智能的综合型无人机(例如“全球鹰”号)。无人机的这种发展状况使得无人机的机载嵌入式设备及其控制系统也随着发生了革命性的变革。

然而，控制工程师设计无人机控制系统的复杂性和难度也在急剧增加。控制工程师的工作从早期单纯的自动控制系统设计已变为涉及人工智能、信息安全、信息技术等诸多领域的综合性设计。这对控制工程师提出了非常高的要求，从而使得一般的控制工程师难以胜任高智能、高复杂控制系统的设计工作。因此，无人机的这一发展现状，带来了无人机研发团队的扩大、研制成本的不断升高、研发周期的不断增长。

如何节约研发费用、并使一般的控制工程师也能胜任无人机复杂控制系统设计的需求呢？

通过提供给控制工程师一套包含人工智能、信息安全、信息技术等必备功能的自动化软件工具可以在一定程度上解决这一问题。因为，通过自动化软件工具，控制工程师就可以把其主要精力集中在控制系统的设计上，而不需要过多地关注其专业之外的技能和知识，例如人工智能技术、通信技术、信息技术等。

但是，现有的自动化软件工具在代码自动生成方面不能解决“服务质量”问题。具体表现在以下三个方面：(1)面对基于安全特性的机载嵌入式设备(例如，飞行员的救生保护系统)，现有的自动化软件工具不能提供基于安全特性的机载嵌入式代码；(2)面对基于实时特性的机载嵌入式设备(例如，自动驾驶仪)，现有的自动化软件工具不能产生高实时的机载嵌入式代码，往往需要手工编码；(3)现有的自动化软件工具在“服务质量”特性方面的自动化程度较低，往往需要单独进行手工编码，这样也降低了研发的效率。

“服务质量”特性具有重要的作用。首先，“服务质量”特性可以提高多架无人机之间的通信效率；其次，“服务质量”特性保证了多架无人机在有限网络容量情况下，可以进入“高优先服务模式”，从而保证关键任务的及时完成；(3)“服务质量”特性是基于安全和实时特性的机载嵌入式设备进行高品质运行的重要保障。

现有的自动化软件工具提供的代码自动生成方法(简记为“现有的代码自动生成方法”)，按照应用领域可分为面向嵌入式的代码自动生成方法和面向非嵌入式的代码自动生成方法两种。前者主要关注具体的设备型号、运行环境、附属板卡类型等，相关的产品有Statemate、SIMULINK、Rhapsody等；后者主要关注软件开发的生命周期和客户需求，提供一套软件工程的最佳经验、工具和服务，相关的产品有IBM Rational Software等。两种方法的实质都是完成从模型到实际运行环境的编译。这两种方法一般都采取一套模型定义语言或标准，因此保障了系统的稳定性和开发速度，在未来的软件发展中具有较大的应用价值。另外，按照代码的生成方式，代码自动生成方法还可以分为模板方式(生成的代码可以被编辑，但是不能反复生成)、往返方式(生成的代码可以被编辑、修改，也可以被再次生成)、编译方式(生成的代码是不可编辑的“源代码”或二进制代码)。按照代码生成的特点，代码生成方法可以分为被动代码生成(代码生成后不可以和用户交互来反复生成代码)、主动代码生成(代码生成后可以和用户交互来反复生成代码)。

现有的代码自动生成方法不能解决无人机机载嵌入式设备和系统的“服务质量”问题。举例说明，在对一个无人机群的控制系统进行设计、开发、测试和实施时，现有的代码自动生成方法生成的代码实时性较差、不具备功能扩展性，无法直接应用于机载板卡中。因此，为了使机载设备具有较高的实时性，往往需要控制工程师和软件工程重新进行手工编码，这样耗费了较大的人力和财力，也延长了开发的进度。另外，现有的代码自动生成方法生成的代码安全性也较差，往往不能满足实际工程对安全性的需要，往往也要控制工程师和软件工程师重新进行手工编码。

本发明改进了现有的代码自动生成方法，使生成的代码具有较高的“服务质量”特性，支持安全特性和实时特性。

其基本思路是，在现有的代码自动生成方法基础上进行修改使之支持“服务质量”特性。(1)首先，选用一种代码自动生成工具，在本方法中我们选用了MATLAB/SIMULINK工具；(2)其次，构建面向“服务质量”的代码自动生成一体化平台；(3)第三，选择机载控制系统模型；(4)第四，与MATLAB/SIMULINK进行通信，对控制系统模型进行编辑、修改、仿真和定型；(5)在生成代码时，将用户指定的“服务质量”参数传给“MATLAB/SIMULINK代码自动生成系统”使得生成的代码支持“服务质量”特性。

这样，用户得到的最终代码就带有支持“服务质量”的头文件和支撑类的声明。用户在使用时只需将“服务质量动态链接库(DLL)”文件和“服务质量静态链接库(LIB)”文件拷贝到和生成代码相关联的文件夹下便可以完成对“服务质量”特性的支持。此外，用还可以添加自己的“服务质量”功能集合。

发明内容

本发明公开了一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，来源于无人机控制领域的工程实践。该方法对于无人机机载嵌入式系统设计、基于“服务质量”的网络资源管理设计、基于“服务质量”的网络化控制设计、开放方式控制系统设计等都具有重要的参考价值。

在本方法中，我们采用了MATLAB控制台的通信功能和SIMULINK的不支持“服务质量”特性的代码自动生成功能。

本方法在MATLAB控制台模块和SIMULINK模块的基础上增加了“服务质量”模块。用集成化的软件方法完成了控制模型的读取、分析、修改、仿真、定型和代码输出等一体化功能。

本方法的特征在于：根据用户选择的“服务质量”类型，在生成代码时嵌入相应的QoS头文件和支撑类的声明。这样保证了生成代码的“服务质量”特性。

本方法包括三个大步骤，每个大步骤又包括若干小步骤。本方法涉及的三个大步骤分别是：“文档管理”、“服务质量参数配置”和“控制模型解析和显示”。如图1所示。

第一步骤：文档管理

文档管理是对涉及到的模型文档及其附属的文件进行管理的方法，它是面向“服务质量”的代码自动生成方法的组成部分。它以应用程序启动时所在的文件夹为“基”文件夹，记录应用程序运行过程中打开的所有文件夹和文件。文件夹按照打开的先后顺序进行排列，文件夹中的文件位于对应的文件夹下。如果文件夹下有子文件夹，则子文件夹位于该文件夹的下一层。也就是说，如果在应用程序运行过程中某个存放在较“深”路径下的文件被打开了，则打开该文件过程中所涉及到的所有文件夹和文件都被保存。如果应用程序被关闭，则丢弃所有保存的历史信息。应用程序被再次打开时重新建立新的历史信息记录。

另外，文档管理还要对在代码自动生成过程中生成的代码及其所在的文件夹进行保存。在应用程序运行的过程中，被保存的文件和文件夹都可以被再次打开或展开。文件或文件夹一旦被重新打开，都要再次被作为历史信息保存。因此，一个文件被重复打开多少次，它就会被重复保存多少次。没有存放历史信息的新文件的打开方法是通过新建一个空白文件来实现。

通过文档管理，记录了用户使用应用程序的行为。用户使用应用程序的行为是分析用户操作行为的依据。

文档管理方便了对相关文档的浏览、查看和研究。

文档管理是面向“服务质量”的代码自动生成方法的一个重要的组成部分。

第二步骤：“服务质量”参数配置

“服务质量”参数配置是设置服务质量参数引导代码自动生成的方法。

“服务质量”参数配置的类型有四种。(1)综合业务模型服务质量参数配置；(2)区分业务模型服务质量参数配置；(3)ATM业务模型服务质量参数配置；(4)无服务模型服务质量参数配置。每一种“服务质量”参数配置都由不同的函数、属性、常量和支撑文件组成。组成“服务质量”参数配置的函数、属性、常量和支撑文件以类、动态链接库、静态链接库和头文件的形式出现。如图2所示。

在图2中，显示了“服务质量”参数配置的四种类型。其中，

(1)综合业务模型包括Int-Serv_QoS头文件簇、Int-Serv_QoS类簇、Int-Serv_QoS动态链接库簇、Int-Serv_QoS静态链接库簇；

(2)区分业务模型包括Diff-Serv_QoS头文件簇、Diff-Serv_QoS类簇、Diff-Serv_QoS动态链接库簇、Diff-Serv_QoS静态链接库簇；

(3)ATM业务模型包括ATM_QoS头文件簇、ATM_QoS类簇、ATM_QoS动态链接库簇、ATM_QoS静态链接库簇；

(4)无服务模型不包括头文件、类和库。

配置某种“服务质量”参数类型，就是在生成的代码中配置相应的头文件和支撑类的声明。生成某种“服务质量”特性代码，就是在生成代码时将对应的动态链接库和静态链接库内容编译进程序。

代码自动生成参数配置的具体方法如图3所示。

在图3中，显示了代码自动生成参数配置的7项内容，即：采样率、解算标准、处理方式、模式、目标语言标准、编译器类型、处理器类型。其中，

(1)采样率是指解算微分方程时的采集数据的速度，单位是“次/秒”，默认值1/0.05；

(2)解算标准是指解算微分方程时采用的标准，包括ODE 5(Dormand Prince)、ODE 45、ODE 23、ODE 113和ODE 15S这5种标准，默认值ODE 5标准；

(3)处理方式是指解微分方程时采取的处理方式，即采取的是离散化处理还是连续化处理，默认是离散化处理；

(4)模式是指解微分方程时采取的模式，即采取的是自动模式、单任务模式还是多任务模式，默认是自动模式；

(5)目标语言标准是指生成的代码标准，包括ISO C++、ANSI C 89、ANSI 98/99、K&RC四种标准，默认是ANSI C++标准；

(6)编译器是指编译所生成代码时所采取的编译系统，包括Microsoft C/C++、BorlandC/C++、MathWorks MCC、GreenHill C/C++、WindRiver C/C++五种，默认是Microsoft C/C++；

(7)处理器是指运行编译代码的目标处理器件，包括ARM 7、ARM 9、ARM 11、PowerPC40x、PowerPC 44x、PowerPC 60x、PowerPC 75x、PowerPC 82x、PowerPC 85x、Pentium系列、MIPS 5Kx、MIPS tx49xx、MIPS 125c、Non-MicroProcessor，默认是PowerPC 85x处理器。

因此，面向“服务质量”的代码自动生成方法是“服务质量”参数配置方法和代码自动生成参数配置方法的结合。即，

“服务质量”参数配置方法+代码自动生成参数配置方法＝面向“服务质量”的代码自动生成方法

通过设计独立菜单的方法来统一定制“服务质量”参数配置和代码自动生成参数配置。

“服务质量”参数配置方法具有3个优点。(1)以可视化的方式列出所有“服务质量”类型，便于查看；(2)以详尽的方式提供每种“服务质量”类型支持的基本函数、方法和属性，便于修改生成的代码；(3)根据用户选定的“服务质量”类型，自动将对应的头文件和支撑类的声明嵌入到生成的代码中。

第三步骤：控制模型解析和显示

控制模型解析和显示是对控制模型进行解析并用可视化的方式进行仿真的方法，它是面向“服务质量”的代码自动生成方法的组成部分。

控制模型解析和显示包括三个层面的含义：第一是显示模型文件的源码；第二是显示模型文件的方块图；第三是对控制模型进行在线仿真。

控制模型解析和显示通过调用ASC II码文件读取方法将控制模型的源码显示出来；通过调用SIMULINK的解析功能将模型的方块显示出来；通过调用SIMULINK的仿真功能将模型的物理含义模拟出来。

此外，控制模型解析和显示还提供了以下方法：(1)设置模型参数；(2)增加或减少模型的组成单元；(3)调整模型的结构；(4)设置仿真参数；(5)触发仿真；(6)迭代开发。

模型解析和显示的实质是读取模型文件并与MATLAB控制台进行通信，进而显示和模拟模型所代表的物理含义。

控制模型解析和显示的优点是：(1)便于用户对模型进行研究和测试；(2)提供了可视化的方式来观察模型的运行状况；(3)便于用户对模型进行修改和迭代开发。

面向“服务质量”的代码自动生成方法的详细步骤是：

第一步，指定模型文件的存放路径；

第二步，查看模型文件的源码；

第三步，加载模型文件；

第四步，与MATLAB/SIMULINK通信；

第五步，查看模型文件的物理含义、修改模型；

第六步，在线仿真；

第七步，“服务质量”参数配置

第八步，代码自动生成；

第九步，生成代码的查看、编辑和修改。

面向“服务质量”的代码自动生成方法的程序流程图参见图4。

附图说明

以下参考附图是对本发明的原理、组成结构、程序流程等进行说明，其中：

图1是本发明的原理图

图2是“服务质量”参数配置的组成图

图3是本发明的代码生成参数配置图

图4是本发明的程序流程图

具体实施方式

下面结合附图来对本发明所述的面向“服务质量”的代码自动生成方法作进一步的说明。

第一，实施本发明所述的方法建议使用Microsoft Visual C++(或其他同类工具)创建一个基于单文档结构的应用程序框架。其中，视图类需要从CFormView类进行继承；应用程序类需要从CWinApp类进行继承；文档类需要从CDocument类进行继承；主框架类需要从CFrameWnd类进行继承。窗口风格选择“分栏显示”。

第二，实施“文档管理”的方法是定义3个功能模块，即“树形文件夹显示模块”、“文件树展开叠起模块”、“文档解析模块”。其中，

(1)“树形文件夹显示模块”是以树形控件的方式显示当前文件夹下的所有内容(含子文件夹及其内容)。其特征在于：首先得到当前文件夹的地址并将之保存于指定的区域，随后再递归显示该文件夹下的所有子文件夹和文件。

“树形文件夹显示模块”通过文件夹数组(字符串类型)、当前文件夹字符串和树形控件以递归查询的方法来实现。

(2)“文件树展开叠起模块”是展开与叠起树形文件夹的功能模块。文件夹初始状态是叠起的，单击一次展开，再单击又重新叠起，如此反复。其特征在于：“文件树展开叠起模块”通过文件夹标识数组、文件夹状态数组和树形控件以循环读取的方法来实现。

(3)“文档解析模块”是解析并打开指定区域中文件的功能模块。当用户双击任何一个文件图标时，就将对应的文件打开并显示内容于指定的区域。

“文档解析模块”通过文件夹字符串、树形控件和显示控件以逻辑次序和循环读取的方法来实现。

第三，实施“服务质量”参数配置的方法是定义2个功能模块，即“服务质量设置模块”和“代码生成模块”。其中，

(1)“服务质量设置模块”是设置“服务质量”的功能模块。一共有四种类型的“服务质量”模型，即综合业务模型、区分业务模型、ATM模型、无参数模型。其实现方法是：首先让用户面对统一的参数设置对话框，然后提示用户对预设的选择框和文本框进行选择和回答，最后保存用户的选择和回答。“服务质量设置模块”的实现“工具”是参数设置对话框、选择框控件、文本框控件和参数设置功能函数。

(2)“代码生成模块”是一种功能模块，它生成的代码具有“服务质量”特性。其实现方法是：根据用户的选择和描述，按照“服务质量”参数设置模式与MATLAB/SIMULINK通信，使得生成的代码中插入支持“服务质量”特性的头文件和支撑类声明。“代码生成模块”的实现“工具”是命令行参数字符串、MATLAB/SIMULINK通信对象、文件存储对象、树形控件和文件夹数组。

第四，实施“控制模型解析和显示”的方法是定义2个功能模块，即“模型解析模块”和“模型加载模块”。其中，

(1)“模型解析模块”是解析模型并以ASCII码形式显示模型的功能模块。其实现方法是：首先确定待解析模型的名称和路径，然后逐行读取模型的内容，最后以ASCII码的形式将模型的内容显示出来。“模型解析模块”通过文件打开对话框对象、文件名字符串和文本显示控件来实现。

(2)“模型加载模块”是加载模型并与MATLAB/SIMULINK进行通信的功能模块。其实现方法是：首先与MATLAB/SIMULINK进行通信，将模型信息传送给MATLAB/SIMULINK，待MATLAB/SIMULINK处理完毕，再将处理的结果显示出来；“模型加载模块”可以完成模型的修改、显示、仿真、定型等。“模型加载模块”通过MATLAB/SIMULINK通信对象、命令行字符串、文件打开对话框对象和文件名字符串来实现。

需要说明的是，本发明支持“服务质量”特性；可以生成C++代码；可以用于分布式控制系统的设计。因此，本发明必将对基于安全特性和实时特性的机载嵌入式系统自动化设计产生积极的影响。

Claims

1.一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，改进了现有的代码自动生成方法，其特征在于：在现有的代码自动生成方法基础之上增加了面向“服务质量”的特性；

本方法包括三个步骤，即，“文档管理”[1]、“服务质量参数配置”[2]和“控制模型解析和显示”[3]；

“文档管理”[1]通过“树形文件夹显示模块”[4]、“文件树展开叠起模块”[5]、“文档解析模块”[6]来实现；

“服务质量参数配置”[2]通过“服务质量设置模块”[7]和“代码生成模块”[8]来实现；

“控制模型解析和显示”[3]通过“模型解析模块”[9]和“模型加载模块”[10]来实现。

2.根据权利要求1所述的一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，其特征在于：利用了MATLAB的控制台通信功能和SIMULINK的无“服务质量”特性的代码自动生成功能。

3.根据权利要求1所述的一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，其特征在于：“文档管理”[1]技术是面向“服务质量”的代码自动生成方法的组成部分，是实现面向“服务质量”的代码自动生成方法不可缺少的步骤。

4.根据权利要求1所述的一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，其特征在于：“服务质量参数配置”[2]技术是面向“服务质量”的代码自动生成方法的组成部分，是实现面向“服务质量”的代码自动生成方法不可缺少的步骤。

5.根据权利要求1所述的一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，其特征在于：“控制模型解析和显示”[3]技术是面向“服务质量”的代码自动生成方法的组成部分，是实现面向“服务质量”的代码自动生成方法不可缺少的步骤。

6.根据权利要求1或3所述的一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，其特征在于：

“树形文件夹显示模块”[4]是一种功能模块，它能以树形控件的形式显示当前文件夹的内容；其实现方法是：首先得到当前文件夹的地址并将之保存于指定的区域，随后再递归显示该文件夹下的所有子文件夹和文件；其实现“工具”是文件夹数组(字符串类型)、当前文件夹字符串和树形控件；

“文件树展开叠起模块”[5]是展开与叠起树形文件夹的功能模块；其实现方法是：在初始状态时令文件夹叠起，单击后展开，再单击又重新叠起，如此反复；其实现“工具”是文件夹标识数组、文件夹状态数组和树形控件；

“文档解析模块”[6]是解析并打开指定区域中文件的功能模块；其实现方法是：检测用户双击文件图标的行为，然后读取对应的文件，接着将文件内容显示于指定的区域；其实现“工具”是文件夹字符串、树形控件和显示控件。

7.根据权利要求1或4所述的一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，其特征在于：

“服务质量设置模块”[7]是设置“服务质量”的功能模块；其实现方法是：首先让用户面对统一的参数设置对话框，然后提示用户对预设的选择框和文本框进行选择和回答，最后保存用户的选择和回答；其实现“工具”是参数设置对话框、选择框控件、文本框控件和参数设置功能函数；

“代码生成模块”[8]是一种功能模块，它生成的代码具有“服务质量”特性；其实现方法是：根据用户的选择和描述，按照“服务质量”参数设置模式与MATLAB/SIMULINK通信，使得生成的代码中插入支持“服务质量”特性的头文件和支撑类声明；其实现“工具”是命令行参数字符串、MATLAB/SIMULINK通信对象、文件存储对象、树形控件和文件夹数组。

8.根据权利要求1或5所述的一种面向“服务质量”的代码自动生成方法，其特征在于：

“模型解析模块”[9]是一种功能模块，它可以解析模型并以ASCII码的形式显示模型的内容；其实现方法是：首先确定待解析模型的名称和路径，然后逐行读取模型的内容，最后以ASCII码的形式将模型的内容显示出来；其实现“工具”是文件打开对话框对象、文件名字符串和文本显示控件；

“模型加载模块”[10]是加载模型并与MATLAB/SIMULINK进行通信的功能模块；其实现方法是：首先与MATLAB/SIMULINK进行通信，将模型信息传送给MATLAB/SIMULINK，待MATLAB/SIMULINK处理完毕，再将处理的结果显示出来；其实现“工具”是MATLAB/SIMULINK通信对象、命令行字符串、文件打开对话框和文件名字符串。