CN109697058B - 一种适用于嵌入式系统的网络建模方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于嵌入式系统建模技术领域，涉及一种适用于嵌入式系统的网络建模方法。为了实现网络建模，首先需建立网络元模型。具体步骤如下：对AS6802进行相关建模特征提取，分模块建立时间触发以太网元模型各部分子模型，首先建立时间触发以太网主要元素概览图，建立时间触发以太网调度资源子模型，建立帧分类子模型，建立调度器的调度子模型，建立分区化系统子元模型，然后将子模型进行集成，即可得到能够完成时间触发网络建模的时间触发以太网总体元模型。基于该元模型，便可对嵌入式系统进行网络建模。本发明基于模型的方法，提高嵌入式软件开发效率，节省了人力成本，丰富了模型驱动开发。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式航电系统建模技术领域，具体涉及一种适用于嵌入式系统的网络建模方法、装置及存储介质。
背景技术
时间触发以太网扩展了
的事件触发服务，通过终端系统和交换机的
时钟同步建立了全系统的时间基，这导致了有界延迟和低抖动，并在同一物理网络上集成
了时间触发和事件触发。该网络限制了TT 流量的延迟和抖动，限制了RC流量的延迟，同时
支持
的BE 流量服务。这允许以太网作为统一的网络基础设施，因此它支持混
合关键性级别应用在网络级别的部署。
发明内容
本发明的目的：
为了解决现有标准体系结构和分析建模语言不能支持网络方面的建模，以及为满足混合关键性级别应用在网络级别部署的确定性及实时性等需求。
本发明的技术方案：
第一方面，提供一种适用于航电系统的网络建模方法，包括以下主要步骤：
建立时间触发以太网的元模型，为时间触发以太网络创建网络元模型类NetworkMetamodel，该类由同步域类SynchronizationDomain，网络组件类NetworkComponent及调度资源类SchedulableResource聚合而成；
其中，所述NetworkMetamodel类有一个或多个所述 SynchronizationDomain类；所述SynchronizationDomain类关联一个多簇类MultiCluster，所述MultiCluster类由多个簇类聚合合成；所述簇类Cluster 是由至少3个NetworkComponent类聚合而成；每个簇类Cluster关联一个同步优先级类SynchronizationPriority关联；
根据EMF框架，时间触发网络以太网组件类NetworkComponent继承NetworkNameElement类。端系统类EndSystem和交换机类 NetworkSwitch继承时间触发网络以太网组件类NetworkComponent；
其中，NetworkMetamodel类至少包含3个NetworkComponent类，其中包括2个端系统类EndSystem和1个交换机类NetworkSwitch。每个 EndSystem类由至少一个Partition类聚合而成，每个Partition类表示不同的应用功能；Partition类关联0至多个Frame类；Frame类表示在时间触发网络以太网网络中进行传输的数据单元；Frame类的帧类型包括：TT 帧类、RC帧类、BE帧类和PCF帧类，所述TT帧类、RC帧类、BE帧类和PCF帧类继承Frame类；
建立虚链路类VirtualLink；所述VirtualLink类表示源EndSystem和目的EndSystem之间的逻辑连接；其中，所述VirtualLink类仅有一个源 EndSystem，有至少一个目的EndSystem；每个帧类Frame仅属于一个 VirtualLink类，一个VirtualLink类承载不同的帧类Frame；
建立用于负责对SchedulableResource类进行调度，并生成调度表 Schedule类的调度器类Scheduler；
其中，调度资源类SchedulableResource是与所述Scheduler类相关的类；Frame类、VirtualLink类、Partition类和Channel类四个子类继承 SchedulableResource类；调度器类Scheduler由一个或多个调度表Schedule 类以及大于等于0个约束类Constraint聚合而成。
进一步的，所述Schedule类用于：
在所述元模型中，负责防止运行时冲突；
其中，NetworkMetamodel类为Schedule类确定了专属的数据结构；所述数据结构用于存储Frame发送的调度结果，以确保帧发送的实时性。Schedule类是由Scheduler类生成。
进一步的，Scheduler类需要满足的约束 ConstraintType类型枚举包括：
BoundedSwitchMemoryConstraints，EndToEndTransmissionConstraints，ApplicationLevelConstraints，DomainSpecificConstraints，PathDependentConstraints，SimultaneousRelayConstraints ，ContentionFreeConstraints，ProtocolControlFlowConstraints。
其中，所述约束的类型ConstraintType是一种枚举类型。
第二方面，提供一种适用于航电系统的网络建模装置，包括：
第一建立模块，用于建立时间触发以太网的元模型，为时间触发以太网络创建网络元模型类NetworkMetamodel，该类由同步域类 SynchronizationDomain，网络组件类NetworkComponent及调度资源类 SchedulableResource聚合而成；
其中，所述NetworkMetamodel类有一个或多个所述 SynchronizationDomain类；所述SynchronizationDomain类关联一个多簇类MultiCluster，所述MultiCluster类由多个簇类聚合合成；所述簇类Cluster 是由至少3个NetworkComponent类聚合而成；每个簇类Cluster关联一个同步优先级类SynchronizationPriority关联；
继承模块，用于根据EMF框架，时间触发网络以太网组件类 NetworkComponent继承NetworkNameElement类。端系统类EndSystem 和交换机类NetworkSwitch继承时间触发网络以太网组件类 NetworkComponent；
其中，NetworkMetamodel类至少包含3个NetworkComponent类，其中包括2个端系统类EndSystem和1个交换机类NetworkSwitch。每个 EndSystem类由至少一个Partition类聚合而成，每个Partition类表示不同的应用功能；Partition类关联0至多个Frame类；Frame类表示在时间触发网络以太网网络中进行传输的数据单元；Frame类的帧类型包括：TT 帧类、RC帧类、BE帧类和PCF帧类，所述TT帧类、RC帧类、BE帧类和PCF帧类继承Frame类；
第二建立模块，用于建立虚链路类VirtualLink；所述VirtualLink类表示源EndSystem和目的EndSystem之间的逻辑连接；其中，所述VirtualLink类仅有一个源EndSystem，有至少一个目的EndSystem；每个帧类Frame仅属于一个VirtualLink类，一个VirtualLink类承载不同的帧类Frame；
第三建立模块，用于建立用于负责对SchedulableResource类进行调度，并生成调度表Schedule类的调度器类Scheduler；
其中，调度资源类SchedulableResource是与所述Scheduler类相关的类；Frame类、VirtualLink类、Partition类和Channel类四个子类继承 SchedulableResource类；调度器类Scheduler由一个或多个调度表Schedule 类以及大于等于0个约束类Constraint聚合而成。
第三方面，提供一种计算机可读的存储介质，所述存储介质上存储有指令，所述指令被处理器执行时实现所述第一方面任一项所述方法的步骤。
有益技术效果：
本发明针对混合关键性嵌入式系统应用，进行时间触发以太网建模，并满足了不同关键性应用实时性需求的消息传输。
附图说明
图1为时间触发以太网元模型概览图；
图2为时间触发以太网调度资源子元模型图；
图3为时间触发以太网帧分类子元模型图；
图4为时间触发以太网调度器的调度子元模型图；
图5为分区化系统子元模型图；
图6为某导航系统网络拓扑结构；
图7为某导航系统组成及通信图；
图8为某导航系统建模图；
图9为网络元模型总图；
图10为网络建模实现关系图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种适用于嵌入式系统的网络建模方法，包括以下主要步骤：
为了实现网络建模，首先需建立网络元模型，网络建模实现关系图如图10所示，首先对AS6802进行相关建模特征提取，建立时间触发以太网总体元模型。基于该元模型，便可对嵌入式系统进行网络建模，得到嵌入式系统网络模型。
建立时间触发以太网元模型，TTE元模型概览图如图1所示。为时间触发网络以太网网络创建时间触发以太网元模型类TTEMetamodel，该类由同步域类SynchronizationDomain，时间触发网络以太网组件类 TTEComponent及调度资源类SchedulableResource聚合而成。
一个时间触发以太网络元模型类TTEMetamodel可以有一或多个同步域类SynchronizationDomain。时间触发以太网网络中优先级与同步域的关系由表1所示。
表1
| 层级 | 同步域 | 同步优先级 |
| 网络 | Y | (Y,Z) |
| 多簇 | 1 | X |
| 簇 | 1 | 1 |
簇类Cluster是由至少3个TTEComponent类聚合而成，通过Cluster 类与TTEComponent类之间的EReference来表示。通道类Channel表示簇或多簇之间的逻辑连接，包含一个Boolean类型的属性isDirectional来表示通道是单向还是双向的。根据EMF框架，时间触发网络以太网组件类TTEComponent继承TTENameElement类。端系统类EndSystem和交换机类TTESwitch继承时间触发网络以太网组件类TTEComponent，时间触发以太网络至少包含3个时间触发网络以太网组件，其中包括2个端系统和一个交换机。
时间触发网络以太网组件在网络中可以充当三种角色，分别为SynchronizationMaste，CompressionMaster和SynchronizationClient，通过在TTEComponent类中添加Boolean类型的属性 SynchronizationMaster,CompressionMaster和SynchronizationClient来确定时间触发网络以太网组件的角色。端系统类EndSystem表示执行系统功能的节点。由于每个端系统可执行多个功能，为了保证各功能之间的隔离性，建立分区类Partition来隔离各功能，每个类Partiton包含一个功能，分区化系统子元模型如图5所示。
端系统类EndSystem包含MajorFrame和PartitionSlot两个属性来表示端系统的主要帧及分区槽。
帧类Frame表示在时间触发网络以太网网络中进行传输的数据单元，帧包含在分区Partiton中。Frame类包含length，period和vi_id来表示帧的帧长，周期和虚链路ID。TT帧，RC帧，BE帧，PCF帧继承帧类Frame, 分别表示不同的帧类型。TT帧表示时间触发流量，包含属性offset表示偏移，RC帧表示速率受限流量，包含transmission属性表示帧传输速率，BE帧表示标准以太网流量，TTE帧分类子元模型如图3所示。虚链路类 VirtualLink表示源端系统EndSystem和目的端系统EndSystem之间的逻辑连接，且虚链路类VirtualLink只能有一个源端系统EndSystem，但是可以有多个目的端系统EndSystem。每个帧类Frame都属于一个虚链路类VirtualLink，而一个虚链路类VirtualLink可以承载多个帧类Frame，这一关联关系通过Frame与VirtualLink类之间的EReference来表示。 VirtualLink类包含Integer类型的属性BAG来表示虚链路的带宽分配间隙，Integer类型的属性MaxFrameLength属性来表示虚链路能传输的最大帧长，Integer类型的属性vl_id来标识唯一的虚链路。
调度资源类SchedulableResource指的是与调度器Scheduler相关的类，帧类Frame，虚链路类VirtualLink，分区类Partition和通道类Channel四个子类继承调度资源类SchedulableResource。调度器类Scheduler负责对调度资源SchedulableResource进行调度，并生成调度表Schedule，时间触发以太网调度器的调度子元模型如图4所示。调度器类Scheduler由一个或多个调度表Schedule以及大于等于0个约束类Constraint聚合而成。约束类Constraint包含String类型的属性name来标识约束的名称，以及属性ConstraintType来表示约束类型，TTE调度资源子元模型如图2所示。时间触发以太网中，脱机调度表负责防止运行时冲突。
调度器Scheduler生成调度表Schedule为防止冲突需要满足的约束ConstraintType类型枚举为 BoundedSwitchMemoryConstraints，EndToEndTransmissionConstraints，ApplicationLevelConstraints，DomainSpecificConstraints，PathDependentConstraints，SimultaneousRelayConstraints ，ContentionFreeConstraints，ProtocolControlFlowConstraints。(具体每种枚举成员的含义，参考Wilfried Steiner在2010 31st IEEE Real-Time Systems Symposium会议中发表《An Evaluation of SMT-based Schedule Synthesis For Time-Triggered Multi-Hop Networks》的第三章节III.FORMAL TIME-TRIGGERED SCHEDULING CONSTRAINTS。)
将所有子元模型进行整合，可得网络总元模型图如图9所示。
本发明实施例提供一种适用于嵌入式系统的网络建模方法，该方法的具体实施例如下所述：
本方案以某个简化的导航和制导系统为例，使用时间触发以太网元模型进行网络建模。如图6所示，该系统包括：交换机(Switch)1、Switch2，端系统(EndSystem)1、EndSystem2、EndSystem3、EndSystem4。其中， Switch1作为同步网络的压缩控制器CM，Switch2和EndSystem4作为同步客户端，EndSystem1、EndSystem2、EndSystem3作为同步主机。
端系统1表示惯导系统，端系统2表示自动驾驶系统，端系统3表示多功能控制显示单元，端系统4表示飞行管理系统。惯导系统负责计算和广播速度和姿态给自动驾驶仪系统。自动驾驶仪系统根据飞行计算的航路点发出飞行命令。多功能控制显示单元表示系统和驾驶员的接口。飞行管理系统周期性发出下一个航路点给自动驾驶仪系统。空速信息和姿态信息是关键数据，封装为TT帧Frame1，来自惯导系统的分区1，通过虚链路1发送给自动驾驶仪系统；飞行告警信息也是关键数据，封装为TT帧Frame2，来自惯导系统的分区2，通过虚链路2发送给多功能控制显示单元。航路信息封装为RC帧Frame3，来自飞行管理系统分析，通过虚链路3发给自动驾驶仪系统；驾驶员的飞行命令，封装为RC帧 Frame4，来自多功能控制显示单元，通过虚链路4发给自动驾驶仪系统。
根据本方案设计的元模型，对上述案例进行建模，首先建立端系统和交换机实例模型，完成网络拓扑结构，然后端系统中建立分区实例，建立虚链路的实例，并确定帧的属性及所属虚链路。调度器根据所选约束进行调度，确定帧的发送时间。由于系统规模较小，所有组件属于同一个簇中，属于一个同步域，每个组件有各自优先级，建立实例模型如图8所示。
Claims (5)
1.一种适用于嵌入式系统的网络建模方法，其特征在于，包括：
建立时间触发以太网的元模型 ，为时间触发以太网络创建网络元模型类NetworkMetamodel，该类由同步域类SynchronizationDomain，网络组件类NetworkComponent及调度资源类SchedulableResource聚合而成；
其中，所述NetworkMetamodel类有一个或多个所述SynchronizationDomain类；所述SynchronizationDomain类关联一个多簇类MultiCluster，所述MultiCluster类由多个簇类聚合合成；所述簇类Cluster是由至少3个NetworkComponent类聚合而成；每个簇类Cluster关联一个同步优先级类SynchronizationPriority；
根 据EMF框架 ，时间 触发网 络以太网组件类NetworkComponent继 承NetworkNameElement类；端系统类EndSystem和交换机类NetworkSwitch继承时间触发网络以太网组件类NetworkComponent；时 间 触 发 网 络 以 太 网 组 件 在 网 络 中充当 三 种 角 色 ，分 别 为 SynchronizationMaster、CompressionMaster和SynchronizationClient，通过在TTEComponent类中添加Boolean类型的属性SynchronizationMaster，CompressionMaster和SynchronizationClient来确定时间触发网络以太网组件的角色；
其中，NetworkMetamodel类至少包含3个NetworkComponent类，其中包括2个端系统类EndSystem和1个交换机类NetworkSwitch；每个EndSystem类由至少一个Partition类聚合而成，每个Partition类表示不同的应用功能；Partition类关联0至多个Frame类；Frame类表示在时间触发网络以太网网络中进行传输的数据单元；Frame类的帧类型包括：TT帧类、RC帧类、BE帧类和PCF帧类，所述TT帧类、RC帧类、BE帧类和PCF帧类继承Frame类；
建立虚链路类VirtualLink；所述VirtualLink类表示源EndSystem和目的EndSystem之间的逻辑连接；其中，所述VirtualLink类仅有一个源EndSystem，有至少一个目的EndSystem；每个帧类Frame仅属于一个VirtualLink类，一个VirtualLink类承载不同的帧类Frame；
建立用于负责对SchedulableResource类进行调度，并生成调度表Schedule类的调度器类Scheduler；
其中，调度资源类SchedulableResource是与所述Scheduler类相关的类；Frame类、VirtualLink类、Partition类和Channel类四个子类继承SchedulableResource类；调度器类Scheduler由一个或多个调度表Schedule类以及大于等于0个约束类Constraint聚合而成；Schedule类用于：在所述元模型中，负责防止运行时冲突；其中，NetworkMetamodel类为Schedule类确定了专属的数据结构；所述数据结构用于存储Frame发送的调度结果，以确保帧发送的实时性；通道类Channel表示簇或多簇之间的逻辑连接，包含一个Boolean类型的属性isDirectional来表示通道是单向还是双向的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Schedule类用于：
在所述元模型中，负责防止运行时冲突；
其中，NetworkMetamodel类为Schedule类确定了专属的数据结构；所述数据结构用于存储Frame发送的调度结果，以确保帧发送的实时性；Schedule类是由Scheduler类生成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Scheduler类需要满足的约束ConstraintType类型枚举包括：
BoundedSwitchMemoryConstraints，EndToEndTransmissionConstraints，ApplicationLevelConstraints，DomainSpecificConstraints，PathDependentConstraints，SimultaneousRelayConstraints ，ContentionFreeConstraints，ProtocolControlFlowConstraints。
4.一种适用于嵌入式系统的网络建模装置，其特征在于，包括：
第一建立模块，用于建立时间触发以太网的元模型，为时间触发以太网络创建网络元模型类NetworkMetamodel，该类由同步域类SynchronizationDomain，网络组件类NetworkComponent及调度资源类SchedulableResource聚合而成；
其中，所述NetworkMetamodel类有一个或多个所述SynchronizationDomain类；所述SynchronizationDomain类关联一个多簇类MultiCluster，所述MultiCluster类由多个簇类聚合合成；所述簇类Cluster是由至少3个NetworkComponent类聚合而成；每个簇类Cluster关联一个同步优先级类SynchronizationPriority；
继承模块，用于根据EMF框架，时间触发网络以太网组件类NetworkComponent继承NetworkNameElement类；端系统类EndSystem和交换机类NetworkSwitch继承时间触发网络以太网组件类NetworkComponent；时 间 触 发 网 络 以 太 网 组 件 在 网 络 中充当 三 种 角 色 ，分 别 为 SynchronizationMaster、CompressionMaster和SynchronizationClient，通过在TTEComponent类中添加Boolean类型的属性SynchronizationMaster，CompressionMaster和SynchronizationClient来确定时间触发网络以太网组件的角色；
其中，NetworkMetamodel类至少包含3个NetworkComponent类，其中包括2个端系统类EndSystem和1个交换机类NetworkSwitch；每个EndSystem类由至少一个Partition类聚合而成，每个Partition类表示不同的应用功能；Partition类关联0至多个Frame类；Frame类表示在时间触发网络以太网网络中进行传输的数据单元；Frame类的帧类型包括：TT帧类、RC帧类、BE帧类和PCF帧类，所述TT帧类、RC帧类、BE帧类和PCF帧类继承Frame类；
第二建立模块，用于建立虚链路类VirtualLink；所述VirtualLink类表示源EndSystem和目的EndSystem之间的逻辑连接；其中，所述VirtualLink类仅有一个源EndSystem，有至少一个目的EndSystem；每个帧类Frame仅属于一个VirtualLink类，一个VirtualLink类承载不同的帧类Frame；
第三建立模块，用于建立用于负责对SchedulableResource类进行调度，并生成调度表Schedule类的调度器类Scheduler；
其中，调度资源类SchedulableResource是与所述Scheduler类相关的类；Frame类、VirtualLink类、Partition类和Channel类四个子类继承SchedulableResource类；调度器类Scheduler由一个或多个调度表Schedule类以及大于等于0个约束类Constraint聚合而成；Schedule类用于：在所述元模型中，负责防止运行时冲突；其中，NetworkMetamodel类为Schedule类确定了专属的数据结构；所述数据结构用于存储Frame发送的调度结果，以确保帧发送的实时性；通道类Channel表示簇或多簇之间的逻辑连接，包含一个Boolean类型的属性isDirectional来表示通道是单向还是双向的。
5.一种计算机可读的存储介质，所述存储介质上存储有指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现所述权利要求1-3任一项所述方法的步骤。
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