CN111930344A - 一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法。本发明属于计算机系统结构的实时嵌入式系统设计技术领域，本方法分别进行系统环境与资源建模、系统接口建模和系统多任务交互建，得到建模框架；确定建模的软硬件耦合逻辑规则，根据系统环境与资源建模、系统接口建模和系统多任务交互建，对实时嵌入式系统的软件与硬件进行自顶向下的建模描述。本发明能够弥补标准UML建模无法描述软件运行环境硬件的和系统整体结构的缺陷，能够按照自顶向下的方法从系统的整体结构到软件任务设计形成完备的建模描述，更适合于针对实时嵌入式系统进行需求分析与概要设计。能够良好的与标准UML建模进行融合与衔接。

Description

一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模 方法

技术领域

本发明涉及计算机系统结构的实时嵌入式系统设计技术领域，是一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法。

背景技术

我国航空、航天、机器人、汽车、通信、信息电器、医疗、国防等行业的软件均为基于实时嵌入式操作系统的嵌入式软件，运行在规定的系统环境当中。我国的嵌入式软件的研发、测试和过程管理依然以传统方式为主，技术尚处于起步时期。长期以来嵌入式软件的设计、开发、测试等全生命周期活动一直采用文档驱动的软件开发方法进行，遵循典型的V模型开发流程。文档驱动的软件工程化方法将软件开发过程划分为系统分析与设计、需求分析、概要与详细设计、软件实现、测试、部署、运行和维护等阶段，各个阶段产生相应的文档，各个阶段通过文档进行衔接，前一阶段产生的文档作为下一阶段工作的输入条件和评判依据。在这种方法中，对文档进行评审是保证软件质量的主要工作，软件质量保证效果取决于文档对需求与设计描述的精确程度和评审人员对文档检查的细致程度。但是由于自然语言的不精确性和人力工作难以避免疏漏的缺点，使得这种以文档为媒介、人工进行评审的软件质量保证工作很难取得满意的效果。此外，软件实现过程采用手工编码，容易引入编写错误，常常要花费大量的人力物力来发现和改正。基于以上原因，以大量人力工作为基础的、非自动化的文档驱动软件开发方法存在开发效率低下、成本高、周期长、质量保证困难的弱点，难以满足当前快速变化的市场对产品研发周期和产品质量的要求。

图形作为一种能够同时被人和计算机所识别的直观描述形式，具有可以简练、精确表示软件需求与设计、避免理解偏差和被自动化理解与处理的优点。通过合理地使用图形元素对系统需求、测试需求、软件设计进行建模并自动检测各阶段间模型的一致性、设计模型与标准的符合性(如GJB102/Z软件可靠性安全性设计准则、软件结构化设计准则等)、设计模型自身的一致性(如状态图与数据流图的一致性等)，能够极大地提高软件的开发效率并保证软件的质量。

针对被描述系统的描述范围包括系统级和软件级两个级别，在现有的国际标准建模图形中，仅包含对于软件级需求的建模描述，而使用国际标准建模图形无法从系统整体的角度对软件包括软件运行的系统环境(硬件、接口、底层操作系统等)进行全面描述。但系统级安全性设计、软件可靠性设计以及软件全生命周期管理如果缺失面向系统级需求的建模描述，则可能导致在可视化建模基础上产生的各个阶段产物无法严格符合需求规格和行业标准，也无法切合开发过程中对被描述系统的自顶向下方法的设计思想

发明内容

本发明为针对现有面向实时嵌入式系统软件标准建模体系仅包含对于软件需求的建模而缺失对系统整体和硬件环境建模的问题，本发明提供了一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，本发明提供了以下技术方案：

一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，包括以下步骤：

步骤1：分别进行系统环境与资源建模、系统接口建模和系统多任务交互建，得到建模框架；

步骤2：确定系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则，确定系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则，确定系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则；

步骤3：根据系统环境与资源建模、系统接口建模和系统多任务交互建，对实时嵌入式系统的软件与硬件进行自顶向下的建模描述；

步骤4：对构建完成的自顶向下建模依照软硬件耦合逻辑规则进行校验；

步骤5：当通过校验后，对创建的建模图形进行管理，包括对建模图形的图元添加、删除、修改以及查看。

优选地，所述步骤1具体为：

针对系统环境与资源建模，采用用于表述系统主体计算单元、硬件单元、计算元器件、上位机、下位机、通信介质及通信路径的建模图元，通过图元的组合完成建模，对系统整体结构及资源协作进行描述；

针对系统接口建模，采用用于表述系统主体计算单元、接口、数据和中断的建模图元，通过图元的组合完成建模，对系统级外部硬件的接口、中断形式、数据类型进行描述。针对系统接口建模，需要满足系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则；

针对系统多任务交互建模，采用用于表述系统整体环境中涉及的外部实体、模块、系统任务、系统中断、数据动作和任务间通信的建模图元，通过图元的组合完成建模，对在底层实时操作系统环境中运行的软件任务设计进行描述，给出符合嵌入式软件实际需求的应用程序上层框架描述，针对系统多任务交互建模，需要满足系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则以及系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则。

优选地，所述系统级所指的范围是包括软件及软件所运行的硬件环境、外部设备资源在内的整体软件与硬件系统。

优选地，所述步骤2具体为：

所述系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统接口建模主体图元所代表的软件是运行在硬件环境与资源建模主体图元所代表的主体计算单元上的；系统接口建模中的接口直接继承于系统环境与资源建模中创建的接口；在系统接口建模中继承于系统环境与资源建模的接口在属性上保持一致；

所述系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统多任务交互建模中的外部实体或模块直接继承于系统环境与资源建模中的上位机和下位机；系统多任务交互建模中继承于系统环境与资源建模中上位机和下位机的外部实体或模块图元需要与上位机图元及下位机图元的属性保持一致；

所述系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统多任务交互建模中的中断直接继承于系统接口建模；系统多任务交互建模中继承于系统接口建模的中断的属性保持一致。

优选地，所述步骤3具体为：

多任务交互建模以任务为实时嵌入式软件核心，中断图元通过数据/动作图元与任务相连接，说明系统中各个中断向任务发送数据的类型；系统任务图元通过数据/动作图元与外部实体或模块图元相连接，说明不同的任务对应的外部硬件设备，并说明所采用的动作方式，包括控制、驱动、显示和启动；任务间通信图元连接于任意两个任务间，需要进行通讯的任务使用该图元进行连接。系统多任务交互建模与系统环境与资源建模、系统接口建模之间存在软硬件耦合逻辑规则，完成的可视化建模采用XML文档的形式进行存储。

优选地，所述步骤4具体为：

系统接口建模主体图元所代表的软件是运行在硬件环境与资源建模主体图元所代表的主体计算单元上的；系统接口建模中的部分接口直接继承于系统环境与资源建模中创建的接口；在系统接口建模中继承于系统环境与资源建模的接口在属性上保持一致。

针对建模的校验规则，建模系统需要提前预置，建模系统内采用OCL语言对建模规则的标注要求进行描述；

系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则如下：系统多任务交互建模中的外部实体或模块直接继承于系统环境与资源建模中的上位机和下位机；系统多任务交互建模中继承于系统环境与资源建模中上位机和下位机的外部实体或模块图元需要与上位机图元及下位机图元的属性保持一致。

统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则如下：系统多任务交互建模中的中断直接继承于系统接口建模；系统多任务交互建模中继承于系统接口建模的中断的属性保持一致。

本发明具有以下有益效果：

本发明能够弥补标准UML建模无法描述软件运行环境硬件的和系统整体结构的缺陷，能够按照自顶向下的方法从系统的整体结构到软件任务设计形成完备的建模描述，更适合于针对实时嵌入式系统进行需求分析与概要设计。能够良好的与标准UML建模进行融合与衔接。

本发明能够准确地完成面向系统硬件与软件不同粒度的建模，通过建模精准表达软件运行的硬件平台和资源以及软件需求。能够及时响应实时嵌入式软件及系统硬件的需求变化，便于系统后期设计与研发的开展。模型可以进行继承和重用，减少重复劳动，提高工作效率。设计了符合实时嵌入式系统设计与开发准则的软硬件耦合逻辑规则，有效保证系统设计各阶段的一致性。模型的可视性有助于系统后期开发人员和测试人员进行更好的沟通和交流。

附图说明

图1为系统环境与资源建模图元设计图；

图2为系统接口建模图元设计图；

图3为系统多任务交互建模图元设计图；

图4为一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法流程；

图5为三种建模图形的软硬件逻辑耦合关系；

图6为系统环境与资源建模使用示例，微小卫星星务管理系统的系统资源与环境建模；

图7为系统接口建模使用示例，微小卫星星务管理系统的系统接口建模；

图8为本发明的系统多任务交互建模使用示例，汽车仪表程序系统多任务交互建模。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图4所示，本发明提供一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，具体为：

一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，包括以下步骤：

步骤1：分别进行系统环境与资源建模、系统接口建模和系统多任务交互建，得到建模框架；

所述步骤1具体为：

根据图1至图3所示，针对系统环境与资源建模，采用用于表述系统主体计算单元、硬件单元、计算元器件、上位机、下位机、通信介质及通信路径的建模图元，通过图元的组合完成建模，对系统整体结构及资源协作进行描述；

针对系统接口建模，采用用于表述系统主体计算单元、接口、数据和中断的建模图元，通过图元的组合完成建模，对系统级外部硬件的接口、中断形式、数据类型进行描述。针对系统接口建模，需要满足系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则；

针对系统多任务交互建模，采用用于表述系统整体环境中涉及的外部实体、模块、系统任务、系统中断、数据动作和任务间通信的建模图元，通过图元的组合完成建模，对在底层实时操作系统环境中运行的软件任务设计进行描述，给出符合嵌入式软件实际需求的应用程序上层框架描述，针对系统多任务交互建模，需要满足系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则以及系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则。

所述系统级所指的范围是包括软件及软件所运行的硬件环境、外部设备资源在内的整体软件与硬件系统。

步骤2：确定系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则，确定系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则，确定系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则；

所述步骤2具体为：

根据图5所示，所述系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统接口建模主体图元所代表的软件是运行在硬件环境与资源建模主体图元所代表的主体计算单元上的；系统接口建模中的接口直接继承于系统环境与资源建模中创建的接口；在系统接口建模中继承于系统环境与资源建模的接口在属性上保持一致；

所述系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统多任务交互建模中的外部实体或模块直接继承于系统环境与资源建模中的上位机和下位机；系统多任务交互建模中继承于系统环境与资源建模中上位机和下位机的外部实体或模块图元需要与上位机图元及下位机图元的属性保持一致；

所述系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统多任务交互建模中的中断直接继承于系统接口建模；系统多任务交互建模中继承于系统接口建模的中断的属性保持一致。

步骤3：根据系统环境与资源建模、系统接口建模和系统多任务交互建，对实时嵌入式系统的软件与硬件进行自顶向下的建模描述；

所述步骤3具体为：

多任务交互建模以任务为实时嵌入式软件核心，中断图元通过数据/动作图元与任务相连接，说明系统中各个中断向任务发送数据的类型；系统任务图元通过数据/动作图元与外部实体或模块图元相连接，说明不同的任务对应的外部硬件设备，并说明所采用的动作方式，包括控制、驱动、显示和启动；任务间通信图元连接于任意两个任务间，需要进行通讯的任务使用该图元进行连接；系统多任务交互建模与系统环境与资源建模、系统接口建模之间存在软硬件耦合逻辑规则，完成的可视化建模采用XML文档的形式进行存储。

步骤4：对构建完成的自顶向下建模依照软硬件耦合逻辑规则进行校验；

所述步骤4具体为：

系统接口建模主体图元所代表的软件是运行在硬件环境与资源建模主体图元所代表的主体计算单元上的；系统接口建模中的部分接口直接继承于系统环境与资源建模中创建的接口；在系统接口建模中继承于系统环境与资源建模的接口在属性上保持一致。

针对建模的校验规则，建模系统需要提前预置，建模系统内采用OCL语言对建模规则的标注要求进行描述；

系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则如下：系统多任务交互建模中的外部实体或模块直接继承于系统环境与资源建模中的上位机和下位机；系统多任务交互建模中继承于系统环境与资源建模中上位机和下位机的外部实体或模块图元需要与上位机图元及下位机图元的属性保持一致。

统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则如下：系统多任务交互建模中的中断直接继承于系统接口建模；系统多任务交互建模中继承于系统接口建模的中断的属性保持一致。

步骤5：当通过校验后，对创建的建模图形进行管理，包括对建模图形的图元添加、删除、修改以及查看。

具体实施例二：

结合图6至图8所示，

步骤1：根据需求规定，首先进行系统环境与资源建模。确定系统的主体计算单元，建立主体图元，并通过通信介质、通信图元将系统内包含的各类上位机、下位机、接口与主体图元进行连接，描述以上各个图元所代表的硬件实体之间的关系。最后使用元件图元描述主体计算单元中包含的元件实体。完成的可视化建模采用XML文档的形式进行存储。

步骤2：根据硬件环境与资源需求和软件功能需求规定，对系统进行系统接口建模。系统接口建模是对被描述系统的系统级需求中有关外部硬件接口的描述，弥补已有建模体系中对于系统级需求中硬件建模及硬件接口建模的描述缺失。系统接口建模是自顶向下建模过程中系统级建模和软件任务级建模衔接的桥梁。建模中主体图元为运行在主体计算单元上的软件，各类接口通过数据图元和中断图元与主体图元相连，说明各个接口发送給软件主体或接收来自软件主体的数据类型和发送中断类型。系统接口建模和系统环境与资源建模之间存在软硬件耦合逻辑规则。完成的可视化建模采用XML文档的形式进行存储。

步骤3：对完成的系统环境与资源建模以及系统接口建模进行系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则校验。校验规则如下：

(1)系统接口建模主体图元所代表的软件是运行在硬件环境与资源建模主体图元所代表的主体计算单元上的；(2)系统接口建模中的部分接口直接继承于系统环境与资源建模中创建的接口；(3)在系统接口建模中继承于系统环境与资源建模的接口在属性上必须保持一致。

针对建模的校验规则，建模系统需要提前预置。建模系统内采用OCL语言(对象约束语言)对建模规则的标注要求进行描述。系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则的OCL语言描述如下：

self.transitions->forAll(r|r.target<>r.source)；

self.transitions->forAll(r1,r2|r1.event＝r2.event)；

self.nodes->select(n|n.oclIsTypeOf(TopEvent))->size()＝1；

步骤4：根据软件功能需求规定，对系统进行多任务交互建模。多任务交互建模以任务为实时嵌入式软件核心，中断图元通过数据/动作图元与任务相连接，说明系统中各个中断向任务发送数据的类型；系统任务图元通过数据/动作图元与外部实体或模块图元相连接，说明不同的任务对应的外部硬件设备，并说明所采用的动作方式(控制、驱动、显示、启动等)；任务间通信图元连接于任意两个任务间，需要进行通讯的任务使用该图元进行连接。系统多任务交互建模与系统环境与资源建模、系统接口建模之间存在软硬件耦合逻辑规则。完成的可视化建模采用XML文档的形式进行存储。

步骤5：对完成的系统环境与资源建模、系统接口建模以及系统多任务交互建模进行软硬件耦合逻辑规则校验。校验规则如下：

系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则如下：(1)系统多任务交互建模中的外部实体或模块直接继承于系统环境与资源建模中的上位机和下位机；(2)系统多任务交互建模中继承于系统环境与资源建模中上位机和下位机的外部实体或模块图元需要与上位机图元及下位机图元的属性保持一致。

统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则如下：(1)系统多任务交互建模中的中断直接继承于系统接口建模；(2)系统多任务交互建模中继承于系统接口建模的中断的属性必须保持一致。

步骤6：对创建的建模图形进行管理

对建模图形的管理操作包括对建模图形的图元添加、删除、修改以及查看等操作。

针对现有面向实时嵌入式系统软件标准建模体系仅包含对于软件需求的建模而缺失对系统整体和硬件环境建模的问题，在本方法的可视化建模系统中，根据行业特性、应用嵌入式软件特性以及应用于航空、航天、机器人、汽车等行业的实时嵌入式系统特性，专门定制设计了三种从全局角度出发，针对系统级描述的可视化建模，并设计了符合特性和系统级需求描述要求的定制图元，从而实现面向实时嵌入式系统开发和测试的建模描述能够从系统整体的角度对软件包括软件运行的环境(硬件、接口、底层操作系统)进行完备描述。

以上所述仅是一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法的优选实施方式，一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：分别进行系统环境与资源建模、系统接口建模和系统多任务交互建，得到建模框架；

步骤2：确定系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则，确定系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则，确定系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则；

步骤3：根据系统环境与资源建模、系统接口建模和系统多任务交互建，对实时嵌入式系统的软件与硬件进行自顶向下的建模描述；

步骤4：对构建完成的自顶向下建模依照软硬件耦合逻辑规则进行校验；

步骤5：当通过校验后，对创建的建模图形进行管理，包括对建模图形的图元添加、删除、修改以及查看。

2.根据权利要求1所述的一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，其特征是：所述步骤1具体为：

针对系统环境与资源建模，采用用于表述系统主体计算单元、硬件单元、计算元器件、上位机、下位机、通信介质及通信路径的建模图元，通过图元的组合完成建模，对系统整体结构及资源协作进行描述；

针对系统接口建模，采用用于表述系统主体计算单元、接口、数据和中断的建模图元，通过图元的组合完成建模，对系统级外部硬件的接口、中断形式、数据类型进行描述；针对系统接口建模，需要满足系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则；

针对系统多任务交互建模，采用用于表述系统整体环境中涉及的外部实体、模块、系统任务、系统中断、数据动作和任务间通信的建模图元，通过图元的组合完成建模，对在底层实时操作系统环境中运行的软件任务设计进行描述，给出符合嵌入式软件实际需求的应用程序上层框架描述，针对系统多任务交互建模，需要满足系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则以及系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则。

3.根据权利要求2所述的一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，其特征是：所述系统级所指的范围是包括软件及软件所运行的硬件环境、外部设备资源在内的整体软件与硬件系统。

4.根据权利要求1所述的一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，其特征是：所述步骤2具体为：

所述系统环境与资源建模和系统接口建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统接口建模主体图元所代表的软件是运行在硬件环境与资源建模主体图元所代表的主体计算单元上的；系统接口建模中的接口直接继承于系统环境与资源建模中创建的接口；在系统接口建模中继承于系统环境与资源建模的接口在属性上保持一致；

所述系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统多任务交互建模中的外部实体或模块直接继承于系统环境与资源建模中的上位机和下位机；系统多任务交互建模中继承于系统环境与资源建模中上位机和下位机的外部实体或模块图元需要与上位机图元及下位机图元的属性保持一致；

所述系统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则具体为：系统多任务交互建模中的中断直接继承于系统接口建模；系统多任务交互建模中继承于系统接口建模的中断的属性保持一致。

5.根据权利要求1所述的一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，其特征是：所述步骤3具体为：

多任务交互建模以任务为实时嵌入式软件核心，中断图元通过数据/动作图元与任务相连接，说明系统中各个中断向任务发送数据的类型；系统任务图元通过数据/动作图元与外部实体或模块图元相连接，说明不同的任务对应的外部硬件设备，并说明所采用的动作方式，包括控制、驱动、显示和启动；任务间通信图元连接于任意两个任务间，需要进行通讯的任务使用该图元进行连接；系统多任务交互建模与系统环境与资源建模、系统接口建模之间存在软硬件耦合逻辑规则，完成的可视化建模采用XML文档的形式进行存储。

6.根据权利要求1所述的一种面向实时嵌入式系统软硬件耦合的自顶向下可视化建模方法，其特征是：所述步骤4具体为：

系统接口建模主体图元所代表的软件是运行在硬件环境与资源建模主体图元所代表的主体计算单元上的；系统接口建模中的部分接口直接继承于系统环境与资源建模中创建的接口；在系统接口建模中继承于系统环境与资源建模的接口在属性上保持一致；

针对建模的校验规则，建模系统需要提前预置，建模系统内采用OCL语言对建模规则的标注要求进行描述；

系统环境与资源建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则如下：系统多任务交互建模中的外部实体或模块直接继承于系统环境与资源建模中的上位机和下位机；系统多任务交互建模中继承于系统环境与资源建模中上位机和下位机的外部实体或模块图元需要与上位机图元及下位机图元的属性保持一致；

统接口建模和系统多任务交互建模的软硬件耦合逻辑规则如下：系统多任务交互建模中的中断直接继承于系统接口建模；系统多任务交互建模中继承于系统接口建模的中断的属性保持一致。

Images