CN109376469A - 一种基于aadl的航电系统部件元模型的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于属于航电系统架构建模技术领域，具体涉及一种基于AADL的航电系统部件元模型的建模方法。本发明是将软件与硬件设备的基本属性进行分类，并结合基本属性的衍生属性进行软硬件部件元数据模型的建模方法。所述的基本属性具体分为：常规属性、功能属性、性能属性和资源属性；所述的衍生属性包括：执行时间、基本可靠度、执行周期、任务截止时间；本发明的建模方法实现了航电系统的软件部件模型和硬件部件模型的通用化，创立了全新的过程建模方法。
Description
技术领域
本发明属于航电系统架构建模技术领域，具体涉及一种基于AADL的航电系统部件元模型的建模方法。
背景技术
美国航电委员会在90年代初提出了综合模块化航空电子(IMA)的概念。综合化航空电子系统本质上是一个开放的分布式实时计算环境，通过综合达到硬件通用化、功能软件化、软件运行环境标准化，最终实现系统的高度综合以及信息的高度共享。IMA系统虽然拥有大量的优点，但是其也面临着规模大、复杂度高等问题。由此针对这类软硬件密集型系统的设计分析验证工作的难度也非常大，需要使用模型驱动的设计方案来解决。那么在构建系统模型之前，需要首先构建元数据模型以便于模型的通用性和便利性。
目前，通过系统建模语言(SysML)和统一建模语言(UML)可以对系统功能架构和模态转换进行建模并仿真运行，但无法对系统的物理架构进行特性分析。体系结构分析与设计语言(AADL)是一种字符化和图形化的语言，由SAE(Society for AutomotiveEngineers)体系结构描述语言附属委员会、嵌入式计算系统委员会、航空电子系统公司共同提出，用于设计和分析性能关键的实时系统的软硬件体系结构。AADL提供一个标准的和足够精确的(机器可处理的)方法对嵌入式实时系统体系结构建模，并分析系统属性，及支持系统实现的可预见性集成。AADL定义了描述系统组件、接口和组件组合的标准方法，以便于在嵌入式实时系统相关的多重组织和技术学科之间交换工程数据。AADL以一个精确的机器可处理的描述概念和运行时体系结构方法提供系统建模和分析的框架，便于自动代码生成、系统架构和其他开发活动，能显著地减少设计和执行缺陷。
发明内容
本发明的目的是：提出一种基于AADL的航电系统部件元模型的建模方法，以达到对航电系统软硬件部件进行规范化建模，构建通用化软硬件部件模型，以解决目前建模技术中存在的航电系统物理架构特性量化分析的技术问题。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于AADL的航电系统部件元模型的建模方法，所述的建模方法将软件与硬件设备的基本属性进行分类，并结合基本属性的衍生属进行软硬件部件元数据建模的方法，所述的基本属性具体分为：常规属性、功能属性、性能属性和资源属性。
所述的部件常规属性包括：部件名称、部件供应商、部件版本号、部件序列号、部件类型。
所述的部件性能属性包括：重量、功耗、可靠性、可用性、延迟时间、处理时间。
所述的部件资源属性包括：处理资源、存储资源、通信资源。
所述的部件衍生属性包括：执行周期、运行时间、截止时间、数据存储资源、代码存储资源、接口类型、接口名称、接口数量、接口可用性、接口速率、传输方向。
所述的建模方法分为以下步骤：
步骤一、分析航电系统架构建模需求，提出建模所需的基本属性集；
步骤二、细化软硬件架构的衍生属性集；
步骤三、根据确定的基本属性集和衍生属性集，采用AADL语言进行软硬件部件建模，通过XML文档形式描述，构建成元数据模型
本发明的有益效果是：本发明的创新之处在于通过XML来构建开放式航电系统的软硬件部件元数据模型。并在此模型基础上，表述软硬件的基本属性以及衍生属性，具有通用且丰富的属性集，使模型能够具备通用性以及普适性。
(1)本发明在目前的全系统建模的基础上提出针对系统各软硬件部件的元数据建模的方法。通过元数据格式化描述软硬件部件的属性信息，实现软硬件部件系统数据描述的通用，创立了全新的过程建模方法。
(2)本发明中使用的元数据是可以共享的。元数据的结构和完整性依赖于信息资源的价值和使用环境；元数据的开发与利用可以完全满足不同团体的不同需要。
(3)本发明中构建的元模型能被另外一个元模型描述，这允许所有的元模型能通过一个独立的元模型描述。它能使得所有的建模语言都能以统一的方式被描述。
附图说明
图1是本发明IMA系统架构示例图；
图2是本发明中元模型的四层架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
利用AADL描述将软件组件映射到执行平台的系统结构，用来描述组件的功能性接口(如数据输入输出)和组件的性能关键属性(如实时性)。利用AADL描述组件间交互的方式，如数据的输入输出如何连接或者应用软件组件如何定位到执行平台组件。AADL通过提供模型运行模式和模式切换描述运行时体系结构的动态行为。AADL这些描述使系统的设计者能够完成对组件和系统的分析，例如系统的可调度性分析、粒度分析、可信性分析等。
利用AADL结构模型、执行模型、行为附件和ARINC653附件描述航电系统资源在时间维度上的配置和空间维度上的配置。AADL结构模型对系统所包含的软件、硬件、组成进行建模，并描述了其层次结构和连接绑定关系。同时使用AADL的ARINC653附件来将AADL结构模型内的组件分别对应到ARINC653中的模块、分区和分区内进程。ARINC653附件中的子系统代表模块，其中的分区绑定到该子程序内的处理单元和存储单元上；AADL中的进程代表了分区，进程将绑定到不同的虚拟处理单元和虚拟存储单元，表示不同的分区在CPU处理时间上的隔离和在硬件资源上的隔离；AADL结构模型中的线程代表了分区内的进程，线程中的进程代表着不同分区里的进程。分区间通信(采样模式、队列模式)和分区内通信(buffer\blackboard\semaphores\events)，由AADL结构模型中的事件端口、数据端口、事件数据端口的不同模式来实现。AADL执行模型和行为附件组成了AADL行为模型，行为模型描述了系统的动态行为，包括线程\子程序内的状态迁移、线程分派、线程调度、组件间通信、数据访问、总线访问等。
使用AADL ARINC653Annex附件描述航电系统的逻辑配置。ARINC653附件通过AADL中的线程来表示分区，而AADL线程表示分区中运行的任务，AADL线程(分区)绑定到相应的虚拟处理单元和虚拟存储单元，表示分区在时间和空间上的隔离。虚拟处理单元指定对应分区的调度方式、安全性等级、健康监控和错误处理相关信息；而虚拟存储则给不同分区分派存储单元，使分区在空间上达到隔离。对ARINC653中分区内通信和分区间通信，通过AADL的数据端口、消息端口和数据访问来描述。
AADL模型中包含软件组件和执行平台，软件组件用于软件体系结构建模，包括进程、线程、线程组、子程序、数据；执行平台用于硬件和操作系统的建模，包括处理单元、虚拟处理单元、存储器、总线、虚拟总线和外设。AADL至少包含一个系统组件，可通过子系统组件对系统进行层次化划分。各组件通过连接、绑定、访问和调用联系起来，对层次化的系统结构进行描述。
利用错误附件将各个组件的错误状态、故障的触发方式进行描述。组件错误状态建模时需要使用AADL错误模型附件，错误模型附件中主要是通过错误状态(state)、错误事件(event)、错误传播(in propagation、out propagation、out in propagation)、过滤与屏蔽规则(guard in、guard out、guard event)、模型层次规则(mode hierarchy)、模态迁移约束(guard transition)来描述系统组件自身的错误状态以及错误之间的关系。在描述组件自身的错误状态时，主要使用错误状态变化基本语句Error_Free-[Data_Fail]->Error_state，该语句说明了组件处于Error_Free状态时若发生事件Data_Fail，组件的错误状态变为Error_state。在错误附件中可进一步指定Data_Fail事件发生的类型和参数，这些事件类型和参数可以通过AADL属性包进行扩展，制定模型分析需要的事件类型和参数符合的数据类型。
本发明提出一种对航电系统软硬件部件元数据模型建模的方法：首先，在构建完整的软硬件部件模型前，确定构建系统架构所需的软硬件部件并收集其所有基本属性以及衍生属性，支持软硬件部件的配置关系。然后，利用XML文本描述软硬件部件所有基本属性与衍生属性，并确定所有属性的赋值范围，如此构建软硬件部件的元数据模型。
本发明提供的基于AADL的软硬件部件元模型建模方法，包括如下实现步骤：
步骤一：分析航电系统架构建模需求，提出建模所需基本属性；
确定航电系统的软硬件部件设备类型，收集软件和硬件所拥有的四类基本属性，包括常规属性、功能属性、性能属性和资源属性。
常规属性包括部件名称、部件供应商、部件版本号等；
功能属性该部件所提供功能的一个简单描述，为字符串类型；
性能属性是部件的执行性能，包括其运行时的各类参数情况，性能属性往往是键值对，键名为字符串表明性能参数名称，值为数字类型表明参数具体值；
资源属性通常标注为软件部件所需的资源量值，包括处理资源、存储资源、网络资源；而硬件部件的资源属性标注的是硬件设备的所提供的处理资源、存储资源、接口资源等。
步骤二：细化软硬件部件的衍生属性；
确定软硬件部件基本属性的衍生属性，细化描述软硬件部件属性。
如表1所示，为软硬件部件的部分属性说明：
表1.软硬件部件元数据模型属性集
步骤三：描述航电系统软硬件元数据模型；
根据确定的基本属性集和衍生属性集，采用AADL语言进行软硬件部件建模，通过XML文档形式描述，构建成元数据模型。
下文给出软件RDC元数据模型以及硬件IPC构件的元数据模型：
<！--RDC元数据模型-->
<xs:element name＝"Component General Properties">
<xs:complexType>
<xs:Sequence>
<xs:element name＝"name"type＝"xs:string"/>
<xs:element name＝"Availability"type＝""/>
<xs:element name＝"Integrity"type＝""/>
<xs:element name＝"Latency"type＝"xs:integer"unit＝"ms"/>
<xs:element name＝"Reset Time"type＝"xs:integer"unit＝"ms"/>
<xs:element name＝"DAL"type＝""/>
<xs:element name＝"Power Consumption"type＝"xs:integer"unit＝"Kw"/>
<xs:element name＝"Weight"type＝"xs:integer"unit＝"Kg"/>
<xs:element name＝"Component Type"type＝""/>
<xs:element name＝"basic Reliability"type＝"xs:float"/>
<xs:element name＝"basic Executing Time"type＝"xs:integer"unit＝"ms"/>
<xs:element name＝"using Probability"type＝"xs:integer"/>
<xs:element name＝"initial Mark"type＝"xs:integer"/>
<xs:element name＝"Supplier">
<xs:simpleType>
<xs:restriction base＝"xs:integer">
<xs:pattern value＝"[0-9][0-9][0-9][0-9][0-9][0-9][0-9][0-9]"/>
</xs:restriction>
</xs:simpleType>
</xs:element>
………………
<xs:element name＝"LRU Version">
</xs:All>
</xs:complexType>
</xs:element>
最后，将所有硬件软件部件模型通过XML文本描述所有属性，构建航电系统架构模型，开展架构特性细化分析，对于航电架构设计分析的发展具有重要意义。
Claims (6)
1.一种基于AADL的航电系统部件元模型的建模方法，其特征在于：所述的建模方法将软件与硬件设备的基本属性进行分类，并结合基本属性的衍生属进行软硬件部件元数据建模的方法，所述的基本属性具体分为：常规属性、功能属性、性能属性和资源属性。
2.根据权利要求1所述的基于AADL的航电系统软硬件部件元模型的建模方法，其特征在于：所述的部件常规属性包括：部件名称、部件供应商、部件版本号、部件序列号、部件类型。
3.根据权利要求1所述的基于AADL的航电系统软硬件部件元模型的建模方法，其特征在于：所述的部件性能属性包括：重量、功耗、可靠性、可用性、延迟时间、处理时间。
4.根据权利要求1所述的基于AADL的航电系统软硬件部件元模型的建模方法，其特征在于：所述的部件资源属性包括：处理资源、存储资源、通信资源。
5.根据权利要求1所述的基于AADL的航电系统软硬件部件元模型的建模方法，其特征在于：所述的部件衍生属性包括：执行周期、运行时间、截止时间、数据存储资源、代码存储资源、接口类型、接口名称、接口数量、接口可用性、接口速率、传输方向。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于AADL的航电系统部件元模型的建模方法，其特征在于：所述的建模方法分为以下步骤：
步骤一、分析航电系统架构建模需求，提出建模所需的基本属性集；
步骤二、细化软硬件架构的衍生属性集；
步骤三、根据确定的基本属性集和衍生属性集，采用AADL语言进行软硬件部件建模，通过XML文档形式描述，构建成元数据模型。
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