CN107402759B - 基于aadl扩展附件的软件系统堆栈分析方法 - Google Patents

基于aadl扩展附件的软件系统堆栈分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于AADL扩展附件的软件系统堆栈分析方法，属于软件开发技术领域。本发明通过新增属性集，设计了一种基于AADL扩展附件的软件系统堆栈分析方法，其基于树结构实现任务栈空间计算和栈空间调整。利用系统AADL模型信息来构建树，自定义树结点数据结构，计算系统栈空间，并将其与内存大小对比，若设计的栈空间大小超出实际内存大小则进行调整，调整设计的堆栈数据以满足系统要求。该方法可以实现在模型设计阶段进行栈空间分析，提高软件开发效率。

Description

基于AADL扩展附件的软件系统堆栈分析方法
技术领域
本发明涉及软件开发技术领域，具体涉及一种基于AADL扩展附件的软件系统堆栈分析方法。
背景技术
堆栈分析是系统开发一个重要步骤。给每个任务分配合理的栈空间，一方面确保任务顺利完成，另一方面尽量避免空间资源浪费。在软件开发过程中，应对任务栈空间进行预测和合理分配。
利用模型驱动软件开发，在开发早期对模型的分析和测试，采用量化可行的方法提前验证软件体系结构，可以减少后期集成验证中发现设计错误的情况，提高开发效率。
传统的堆栈分析是在已有代码基础上进行分析，或在内存允许范围内尽量分配较大的栈空间以确保任务顺利完成。前者的分析集中到软件设计后期，此时若进行栈空间调整则需要修改代码，工作量大；后者分配的栈空间内存浪费严重且不确定性高，对于任务关键系统危险程度较高。
AADL模型对嵌入式系统有良好的支持，在安全关键嵌入式系统的分析和设计中广泛使用。对模型的分析可以将分析集中在软件设计早期，但目前对任务关键系统的AADL建模停留在对某个子模块的建模，缺乏对系统整体进行预测，无法实现利用模型在软件开发早期进行堆栈分析的功能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何实现在模型设计阶段进行栈空间分析，提高软件开发效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于AADL扩展附件的软件系统堆栈分析方法，包括以下步骤：
步骤一、进行AADL堆栈属性集的扩展和数据结构的定义
首先基于AADL模型增加属性集StackAnalysis_Property，设置堆栈分析所需的相关属性，每个属性的类型为bits、bytes或kbytes；
令：
LVTS＝Local_Varibales_of_Task_Size，
Local_Varibales_of_Task_Size为属性集中的属性，表示任务局部变量大小范围；
LVFS＝Local_Variables_of_Function_Size，
Local_Variables_of_Function_Size为属性集中的属性，表示被调用函数局部变量大小范围；
RAFS＝Return_Address_of_Function_Size，
Return_Address_of_Function_Size为属性集中的属性，表示被调用函数返回地址大小范围；
CSF＝Code_Size_of_Function，
Code_Size_of_Function为属性集中的属性，表示被调用函数代码空间大小范围；
CallNum表示AADL模型组件v被其他任务组件调用的次数；
High表示v在树中深度；
RS表示v的临近子结点栈空间总范围；
MD表示v的工作模式；
其次，在扩展属性集的基础上，对AADL模型组件中的子程序组件和非子程序组件定义数据结构：
v为非子程序组件，其数据结构：
Struct_V＝{LVTS,CallNum,High,RS,MD}
v为子程序组件，其数据结构：
Struct_V＝{RAFS,LVFS,CSF,CallNum,High,MD}
步骤二、进行树结构的构建和总栈空间范围的计算
以系统的AADL模型的组件为结点，组件具有的堆栈属性为结点数据，并根据结点间包含或调用关系确定各组件在树中的结构关系，从而构建树；树结构用T(E,V)表示，其中V是带有属性信息的树结点集合，对于
Figure GDA0002461832910000031
v为AADL模型组件，若v在多个模块中调用，则赋予不同的树结点名称；E为树枝集合，对于
Figure GDA0002461832910000032
uv∈E表示两种情况：一种是v为非子程序组件，则u包含v，u为v的父结点；第二种是v是子程序组件，则u调用v，u为v的父结点；
将子程序组件和非子程序组件作为树中的结点，按步骤一的定义给出这两种组件结点的数据结构；
设父结点为F，子结点集合FS＝{S1,S2,…,Sm,F1，F2，…，Fn}，FS中有m个子程序组件S1,S2,…,Sm，n个非子程序组件F1,F2,…,Fn，则F的总栈空间计算公式为：
TotalSize＝max{MDSizei},i＝1,2,...,N (1)
其中，N代表FS中的工作模式数目，MDSizei表示同一种工作模式下的栈空间大小，设第i种工作模式下有t个子程序组件，p个非子程序组件，则公式(1)中的：
Figure GDA0002461832910000041
其中，Sir表示第i种工作模式下的第r个子程序组件的栈空间大小，r＝1,2,…t；Fij表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的栈空间大小；公式(2)中的Sir和Fij的计算公式如下：
Fij＝LVTSij+RSij，其中
Figure GDA0002461832910000042
其中，nn表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的临近子结点个数，
Figure GDA0002461832910000043
分别表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的第q个临近子结点对应的LVTS、RS表示的数据信息；
Figure GDA0002461832910000044
其中，sn表示Sir的调用子程序组件个数，
Figure GDA0002461832910000045
分别表示Sir的第i种工作模式下的第r个子程序组件的第q个临近子结点对应的LVFS、RAFS、CSF表示数据信息；
StackAnalysis_Property中各属性值均有各自的上下限值，将Struct_V中各参数的最小值和最大值代入式(1)至式(4)中得到系统的总栈空间范围[MinSize，MaxSize]。
优选地，在步骤二之后还包括以下步骤：
步骤三、进行栈空间调整
31、选取根据步骤二所得到系统的关键路径上的所有结点，组成集合T，所述关键路径是产生所述总栈空间范围[MinSize，MaxSize]的系统路径；
32、从T中选取深度最大的结点组合集合J；
33、判断J中是否有且只有1个元素，若是，则对该元素代表的组件进行调整，然后跳到步骤35，否则执行步骤34；
34、从J中选取参数调整范围最大的组件作为调整结点；
35、对组件进行调整；
36、计算调整后总栈空间范围是否满足内存条件，若满足则结束，否则将已调整的结点从树中剔除后返回步骤31。
优选地，步骤二中将Struct_V中各参数的最小值和最大值代入式(1)-式(4)中得到系统的总栈空间范围[MinSize，MaxSize]具体为：将Struct_V中各参数的最小值代入式(1)至式(4)中得到系统总栈空间范围的下限值MinSize，将Struct_V中各参数的最大值代入式(1)至式(4)中得到系统总栈空间范围的上限值MaxSize。
优选地，所述系统为飞控系统。
(三)有益效果
本发明通过新增属性集，设计了一种基于AADL扩展附件的软件系统堆栈分析方法，其基于树结构实现任务栈空间计算和栈空间调整。利用系统AADL模型信息来构建树，自定义树结点数据结构，计算系统栈空间，并将其与内存大小对比，若设计的栈空间大小超出实际内存大小则进行调整，调整设计的堆栈数据以满足系统要求。该方法可以实现在模型设计阶段进行栈空间分析，提高软件开发效率。
附图说明
图1为本发明的方法中栈空间计算流程图；
图2为本发明的方法中栈空间调整流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
现有的AADL模型属性中缺乏计算任务栈空间的相关属性。本发明增加属性集StackAnalysis_Property，设置堆栈分析所需相关属性。
利用新增属性集，本发明利用系统AADL模型信息来构建树，自定义树结点数据结构，计算系统栈空间，并将其与内存大小对比，若设计的栈空间大小超出实际内存大小则使用调整算法，调整设计的堆栈数据以满足系统要求。
本发明的基于AADL扩展附件的软件系统堆栈分析方法包括以下步骤：
步骤一 进行AADL堆栈属性集的扩展和数据结构的定义基于AADL模型，本发明增加属性集StackAnalysis_Property，设置堆栈分析所需相关属性，每个属性的类型可以是bits、bytes、kbytes。属性集如表1所示。
Figure GDA0002461832910000061
Figure GDA0002461832910000071
表1堆栈属性集扩展
令：
·LVTS＝Local_Varibales_of_Task_Size；
·LVFS＝Local_Variables_of_Function_Size；
·RAFS＝Return_Address_of_Function_Size；
·CSF＝Code_Size_of_Function
·CallNum表示AADL模型组件v被其他任务组件调用的次数；
·High表示v在树中深度；
·RS表示v的临近子结点栈空间总范围；
·MD表示v的工作模式。
本发明在扩展属性集的基础上，对AADL模型组件中的子程序组件和非子程序组件定义数据结构。
(1)v为非子程序组件
Struct_V＝{LVTS,CallNum,High,RS,MD}
(2)v为子程序组件
Struct_V＝{RAFS,LVFS,CSF,CallNum,High,MD}
步骤二 进行树结构的构建和栈空间范围的计算
堆栈分析中，本发明以系统AADL模型的组件为结点(组件具有的堆栈属性为结点数据)，并根据结点间包含或调用关系确定各组件在树中的结构关系，从而构建树，也就是说AADL模型的中的特征、连接、工作模式不作为树结点。树结构用T(E,V)表示，其中V是带有属性信息的树结点集合，对于
Figure GDA0002461832910000081
v为AADL模型组件，若v在多个模块中调用，则赋予不同的树结点名称；E为树枝集合，对于
Figure GDA0002461832910000082
uv∈E表示两种情况：一种是v为非子程序组件，u包含v，u包含v；第二种是v是子程序组件，u调用v。
AADL模型中只有子程序可存在于任何其他组件中，故子程序是最小的组件。本发明将子程序组件和非子程序组件作为树结点，树结点的数据结构如步骤一中所述。
设父结点为F，子结点集合FS＝{S1,S2,…,Sm,F1，F2，…，Fn}，FS中有m个子程序组件S1,S2,…,Sm，n个非子程序组件F1,F2,…,Fn，F的总栈空间：
TotalSize＝max{MDSizei},i＝1,2,...,N (1)
其中，N代表FS中的工作模式数目，MDSizei表示同一种工作模式下的栈空间大小，设第i种工作模式下有t个子程序组件，p个非子程序组件，则公式(1)中的：
Figure GDA0002461832910000083
其中，Sir表示第i种工作模式下的第r个子程序组件的栈空间大小，r＝1,2,…t；Fij表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的栈空间大小。公式(2)中的Sir和Fij的计算如下：
Fij＝LVTSij+RSij，其中
Figure GDA0002461832910000091
其中，nn表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的临近子结点个数，
Figure GDA0002461832910000092
分别表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的第q个临近子结点对应的LVTS、RS表示的数据信息；
Figure GDA0002461832910000093
其中，sn表示Sir的调用子程序组件个数，
Figure GDA0002461832910000094
分别表示Sir的第i种工作模式下的第r个子程序组件的第q个临近子结点对应的LVFS、RAFS、CSF表示数据信息。
由于StackAnalysis_Property中各属性值均有各自的上下限值，将Struct_V中各参数的最小值和最大值代入式1-式4中可得飞控系统栈空间总范围[MinSize,MaxSize]，将Struct_V中各参数的最小值代入式1-式4中可得飞控系统总栈空间范围的下限值MinSize，将Struct_V中各参数的最大值代入式1-式4中可得飞控系统总栈空间范围的上限值MaxSize。
计算栈空间范围的流程如图1。
步骤三 进行栈空间调整
通过步骤二中的分析，可以得到一个系统中栈空间范围及关键路径(产生栈空间范围[MinSize,MaxSize]的系统路径)。该范围可能超出实际系统提供的内存值MAXSIZE，即(MinSize>MAXSIZE)||(MaxSize>MAXSIZE&&MinSize≤MAXSIZE)。因此需要对设计的栈空间范围进行调整。
本发明提出一种基于动态规划的栈范围调整算法，通过调整对系统影响最小的组件栈空间范围，重新计算总栈空间以满足资源要求。
算法步骤如表Algorithm 1：
Figure GDA0002461832910000101
调整栈空间的流程如图2所示，包括以下步骤：
31、选取根据步骤二所得到系统的关键路径上的所有结点，组成集合T，所述关键路径是产生所述总栈空间范围[MinSize，MaxSize]的系统路径；
32、从T中选取深度最大的结点组合集合J；
33、判断J中是否有且只有1个元素，若是，则对该元素代表的组件进行调整，然后跳到步骤35，否则执行步骤34；
34、从J中选取参数调整范围最大的组件作为调整结点；
35、对组件进行调整；
36、计算调整后总栈空间范围是否满足内存条件，若满足则结束，否则将已调整的结点从树中剔除后返回步骤31。
结合AADL模型扩展属性集，通过栈空间计算算法和栈空间调整算法，可以实现在模型设计阶段进行栈空间分析，提高软件开发效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于AADL扩展附件的软件系统堆栈分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、进行AADL堆栈属性集的扩展和数据结构的定义
首先基于AADL模型增加属性集StackAnalysis_Property，设置堆栈分析所需的相关属性，每个属性的类型为bits、bytes或kbytes；
令：
LVTS＝Local_Varibales_of_Task_Size，
Local_Varibales_of_Task_Size为属性集中的属性，表示任务局部变量大小范围；
LVFS＝Local_Variables_of_Function_Size，
Local_Variables_of_Function_Size为第i种工作模式下的第r个子程序组件的属性集中的属性，表示被调用函数局部变量大小范围；
RAFS＝Return_Address_of_Function_Size，
Return_Address_of_Function_Size为属性集中的属性，表示被调用函数返回地址大小范围；
CSF＝Code_Size_of_Function，
Code_Size_of_Function为属性集中的属性，表示被调用函数代码空间大小范围；
CallNum表示AADL模型组件v被其他任务组件调用的次数；
High表示v在树中深度；
RS表示v的临近子结点栈空间总范围；
MD表示v的工作模式；
其次，在扩展属性集的基础上，对AADL模型组件中的子程序组件和非子程序组件定义数据结构：
v为非子程序组件，其数据结构：
Struct_V＝{LVTS,CallNum,High,RS,MD}
v为子程序组件，其数据结构：
Struct_V＝{RAFS,LVFS,CSF,CallNum,High,MD}
步骤二、进行树结构的构建和总栈空间范围的计算
以系统的AADL模型的组件为结点，组件具有的堆栈属性为结点数据，并根据结点间包含或调用关系确定各组件在树中的结构关系，从而构建树；树结构用T(E,V)表示，其中V是带有属性信息的树结点集合，对于
Figure FDA0002461832900000021
v为AADL模型组件，若v在多个模块中调用，则赋予不同的树结点名称；E为树枝集合，对于
Figure FDA0002461832900000022
uv∈E表示两种情况：一种是v为非子程序组件，则u包含v，u为v的父结点；第二种是v是子程序组件，则u调用v，u为v的父结点；
将子程序组件和非子程序组件作为树中的结点，按步骤一的定义给出这两种组件结点的数据结构；
设父结点为F，子结点集合FS＝{S1,S2,…,Sm,F1，F2，…，Fn}，FS中有m个子程序组件S1,S2,…,Sm，n个非子程序组件F1,F2,…,Fn，则F的总栈空间计算公式为：
TotalSize＝max{MDSizei},i＝1,2,...,N (1)
其中，N代表FS中的工作模式数目，MDSizei表示同一种工作模式下的栈空间大小，设第i种工作模式下有t个子程序组件，p个非子程序组件，则公式(1)中的：
Figure FDA0002461832900000031
其中，Sir表示第i种工作模式下的第r个子程序组件的栈空间大小，r＝1,2,…t；Fij表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的栈空间大小；公式(2)中的Sir和Fij的计算公式如下：
Figure FDA0002461832900000032
其中，nn表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的临近子结点个数，
Figure FDA0002461832900000033
分别表示在第i种工作模式下第j个非子程序组件的第q个临近子结点对应的LVTS、RS表示的数据信息；
Figure FDA0002461832900000034
其中，sn表示Sir的调用子程序组件个数，
Figure FDA0002461832900000035
分别表示Sir的第i种工作模式下的第r个子程序组件的第q个临近子结点对应的LVFS、RAFS、CSF表示数据信息；
StackAnalysis_Property中各属性值均有各自的上下限值，将Struct_V中各参数的最小值和最大值代入式(1)至式(4)中得到系统的总栈空间范围[MinSize，MaxSize]。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤二之后还包括以下步骤：
步骤三、进行栈空间调整
31、选取根据步骤二所得到系统的关键路径上的所有结点，组成集合T，所述关键路径是产生所述总栈空间范围[MinSize，MaxSize]的系统路径；
32、从T中选取深度最大的结点组合集合J；
33、判断J中是否有且只有1个元素，若是，则对该元素代表的组件进行调整，然后跳到步骤35，否则执行步骤34；
34、从J中选取参数调整范围最大的组件作为调整结点；
35、对组件进行调整；
36、计算调整后总栈空间范围是否满足内存条件，若满足则结束，否则将已调整的结点从树中剔除后返回步骤31。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中将Struct_V中各参数的最小值和最大值代入式(1)-式(4)中得到系统的总栈空间范围[MinSize，MaxSize]具体为：将Struct_V中各参数的最小值代入式(1)至式(4)中得到系统总栈空间范围的下限值MinSize，将Struct_V中各参数的最大值代入式(1)至式(4)中得到系统总栈空间范围的上限值MaxSize。
4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述系统为飞控系统。
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