CN112395818A - 基于SysML的硬件算法模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，涉及建模仿真技术领域。包括以下步骤：通过SysML建立硬件算法的模块定义图和内部模块图；将模块定义图和内部模块图存储为第一文本，确立模块定义图和内部模块图与第一文本的对应关系；利用KMP算法提取第一文本并确立第一文本与VHDL元模型的映射规则；调用VHDL元模型，根据映射规则将第一文本转换为VHDL语言的第二文本。使用本发明方法将模型转换为VHDL语言进行硬件算法模型构建，提高了硬件建模的效率，解决了复杂产品建模过程中各种模型难以统一的问题，并且方法简便易实现。

Description

基于SysML的硬件算法模型构建方法

技术领域

本发明涉及建模仿真技术领域，更具体的说是涉及一种基于SysML的硬件算法模型构建方法。

背景技术

在硬件电路模型构建过程中，一般采用VHDL来描述数字电路逻辑。超高速集成电路硬件描述语言诞生于1982年，最初是美国国防部为其超高速集成电路研究计划提出的硬件描述语言，目的是为了把电子电路的设计意义以文字或文件的方式保存下来，以便其他人能轻易了解电路的设计。但是VHDL语法复杂难懂，需要具有电路设计相关经验的专业人员进行设计。但针对复杂算法的硬件核化需求，许多算法专业人员并不了解VHDL，而硬件专业人员不了解算法。

随着建模仿真技术的不断发展，人们建模的系统也变得更加复杂。不同种类、不同领域的模型有许多不同种类的模型语言，为了满足系统工程的实际需要，统一大多数不同类型的模型，国际系统工程学会INCOSE(International Council on SystemsEngineering)和对象管理组织OMG提出一种新的系统建模语言——SysML(SystemsModeling Language)，作为系统工程的标准建模语言。它是在统一建模语言(UnifiedModeling Language，UML)的基础上提出的一种通用建模语言，可以支持包含硬件、软件、信息等多领域系统的描述、设计、分析，描述系统的结构和行为。现如今如何利用SysML实现各类复杂算法的硬件模型构建是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，以解决复杂产品建模过程中各种模型难以统一的问题，便于不熟悉硬件建模语言的人快速构建硬件电路模型。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，具体步骤包括如下：

通过SysML建立硬件算法的模块定义图和内部模块图；

将所述模块定义图和内部模块图存储为第一文本，确立所述模块定义图和内部模块图与所述第一文本的对应关系；

利用KMP算法提取所述第一文本并确立所述第一文本与VHDL元模型的映射规则；

调用所述VHDL元模型，根据所述映射规则将所述第一文本转换为VHDL语言的第二文本。

优选的，所述模块定义图和内部模块图以uml2.5.1版本导出为第一文本。

优选的，所述VHDL元模型包括实体元模型、元件元模型、信号元模型、端口元模型、端口映射元模型。

优选的，所述第一文本中标签名为packagedElement且xmi:type属性值为uml:Class的元素的name属性值表示实体名。

优选的，所述实体名下包含标签名为ownedAttribute且xmi:type属性值为uml:Property的元素的name属性值为元件名，所述元件名是所述实体名的下层模块。

优选的，xmi:type属性值为uml:Class的nestedClassifier节点表示实体模块，其子元素节点名为ownedAttribute且xmi:type属性值为uml:Port的节点表示属于所述实体模块的端口，name属性的值即为端口名。

优选的，所述VHDL元模型中的信号名称在所述第一文本中表示为nestedClassifier元素的子元素ownedConnector的name属性的值，信号所连接的端口是ownedConnector元素的子元素节点的role属性的值。

优选的，根据所述映射规则将所述第一文本转换为VHDL语言的第二文本的具体步骤如下：

在所述第一文本中获取标签名为packagedElement的节点列表，根据xmi:type属性的值将packagedElement节点分为三种，根据不同的属性以及所述第一文本与VHDL模型的映射关系可以得到实体名称、元件名称、数据类型；

在所述第一文本中获取packagedElement的子元素节点列表和nestedClassifier的子节点列表，根据所述第一文本与VHDL模型的映射关系得到信号名、端口映射、端口名、端口数据宽度。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，本发明的有益效果为：

1、本发明针对复杂产品建模过程中各种模型难以统一的问题，提出了一种基于SysML的硬件算法模型构建方法。针对SysML建模的特点，将模型转换为VHDL语言实现的硬件算法模型，提高了硬件建模的效率；

2、本发明给出了具体的数据生成步骤，包括SysML模型构建、SysML与VHDL的映射关系、编写转换程序，方法简便易实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为从xmi到VHDL实体名称和结构体名称的映射过程图；

图2附图为从xmi到VHDL端口信息的映射过程图；

图3附图为从xmi到VHDL元件声明、元件例化的映射过程图；

图4附图为从xmi到VHDL端口映射的映射过程图；

图5附图为从xmi到VHDL信号的映射过程图；

图6附图为本发明方法总体流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，具体步骤包括如下：

步骤一：通过SysML建立硬件算法的模块定义图和内部模块图；

模块定义图给出模型的各个模块名称、类型、关联关系，表示硬件电路中的实体和模块以及模块间的关联关系，内部模块图给出模型的端口、端口类型、数据流动方向等，表示硬件电路中的端口、信号、端口映射等。

步骤二：将模块定义图和内部模块图存储为第一文本，确立模块定义图和内部模块图与第一文本的对应关系；

其中标签名为packagedElement并且xmi:type属性值为uml:Class的元素表示的是模块定义图中的一个模块，name属性的属性值为该模块的名称，它可以包含n个标签名为ownedAttribute，xmi:type属性值为uml:Property的子元素，每一个子元素代表一个与它的父元素所表示的实体为组合关联关系的模块。

每一个标签名为nestedClassifier，xmi:type属性值为uml:Class的元素代表一个模块。这个元素的标签名为ownedConnector，xmi:type属性值为uml:Connector的子元素表示模块间的连接线；nestedClassifier的标签名为ownedAttribute且xmi:type属性值为uml:Port的子元素的name属性值表示模块的端口名，该元素的子元素又包含这个端口的属性；nestedClassifier的标签名为ownedConnector的子元素end中属性role的值与端口节点的xmi:id的属性值一致，代表了连接线两端分别连接的端口。实体端口的元素节点下的lowerValue节点和upperValue节点的value属性的值表述该端口的数据宽度；实体端口的元素节点下的type属性的值为标识端口的数据类型的字符串，根据该字符串可以得到数据类型名称。第一文本中关于数据类型的描述在xmi:type属性为uml:DataType的packagedElement元素节点中，该节点的name属性的值为数据类型，xmi:id属性的值是一串唯一标识该种数据类型的字符串。

需要说明的是，第一文本的存储格式为uml2.5.1版本的xmi文本。模块定义图和内部模块图与xmi文本的对应关系如下表所示：

步骤三：利用KMP算法提取第一文本并确立第一文本与VHDL元模型的映射规则；

一个完整的VHDL程序通常包括库的声明(Library)、实体定义(Entity)、结构体定义(Architecture)。

如图1所示为实体名称与结构体名称的映射过程，右侧为VHDL语言片段，虚线箭头表示该XMI属性与VHDL片段中的相关内容存在映射关系。实线箭头表示在树形结构的XMI文本中获取该属性值的过程。在图1中，在所有packagedElement节点中，获取xmi:type属性为uml:class的节点，取符合条件的节点获取他们的name属性值，该值对应的是实体(entity_name)和结构体(architecture_name)的名称。

需要进一步说明的是，针对本发明，KMP算法的具体实施过程为：

KMP算法是一种改进的字符串匹配算法，其关键是利用匹配失败后的信息，尽量减少模式串与主串的匹配次数以达到快速匹配的目的。KMP算法的核心是利用匹配失败后的信息，尽量减少模式串与主串的匹配次数以达到快速匹配的目的。

例如，在本发明方法中硬件电路模型的端口(port)数据类型是根据SysML模型描述文件中唯一标识数据类型的id进行匹配得到的，描述端口数据类型语句为type＝"Ua34a1219-4e02-4c0f-814d-f93facac2bba"，定义数据类型的语句为xmi:id＝"Ua34a1219-4e02-4c0f-814d-f93facac2bba"。根据KMP算法，将数据类型的id的值存放在一维数组中，记为数组P，将SysML文本中描述某一端口的节点存放在另一个一维数组中，记为数组T。定义指针i和指针j指向数组中的元素。初始状态下i和j分别指向数组T[0]和P[0]位置，比较元素值是否相同，在上述例子中T[0]＝U，P[0]＝U，则指针同时向后移动一位，比较T[1]和P[1]的值，T[1]＝a，P[1]＝a，指针再次向后移动，以此类推直至比较完整个数组。

如图2所示为从xmi到VHDL端口的映射过程，首先获取到一个packagedELement节点，再按照nestedClassifer—ownedAttribute—lowerValue/upperValue—xmi:type—uml:literalString—value的顺序获取到value的属性值，该值对应了VHDL语言中端口数据类型中定义的的数据位数(portWidth)；

按照nestedClassifer—ownedAttribute—xmi:type—uml:port的顺序得到符合条件的节点，获取这个节点的name属性的值，与之对应的是VHDL语言中的端口的端口名称(portName)；

获取nestedClassifer—ownedAttribute—type的属性值，再按照packagedElement—xmi:type的—uml:Datatype—xmi:id的顺序获取xmi:id的值，xmi:id的值将唯一标识一种数据类型，将其与前面获得的type值进行比对，如果匹配即获取该packagedElement节点的name属性值，即VHDL中端口的数据类型(datatype)；

在图3中，按照packagedElement—uml:class—name的顺序获取一个实体的名称，寻找与该名称匹配的packagedElement节点，如果该节点下存在owneAttribute节点，则按照xmi:type—uml:property—name的顺序得到name的属性值，即VHDL中属于一个实体的元件的名称(component_name)。

在图4中，按照packageElement—nestedClassifer—ownedConnector—name的顺序得到的属性值即为VHDL语言中的信号名(signalName)；再按照ownedConnector—end—role的顺序得到的属性值为与该信号相连接的端口的xmi：id的属性值，再根据xmi:id的值，按照ownedAttribute—xmi:type—uml:port—name的顺序，得到xmi:id值所对应的端口名(portName)。

如图5所示，先获取owendconnector节点，再获取xmi:type属性值，选择属性值为uml:Connector的节点，获取这些节点的name属性的值，对应VHDL语言中的信号名(signalname)。

步骤四：调用VHDL元模型，根据映射规则将第一文本转换为VHDL语言的第二文本。

需要说明的是，第二文本存储格式为VHDL语言的vhd文件。

进一步的，其中，VHDL元模型包括实体元模型、元件元模型、信号元模型、端口元模型、端口映射元模型。

对xmi文本进行解析的具体步骤为：

1)在xmi整个文本中获取标签名为packagedElement的节点列表，根据xmi:type属性的值：uml:DataType、um:Class、uml:Package可以将packagedElement节点分为三种，根据不同的属性以及上述步骤的映射规则可以得到实体名称、元件名称、数据类型；

2)在文中获取packagedElement的子元素节点列表，它的子元素节点有ownedAttribute、nestedClassifier两种；

3)获取nestedClassifier的子节点列表，nestedClassifier的子元素分别有ownedConnector和ownedAttribute，根据上述步骤的映射规则可以得到信号名、端口映射、端口名、端口数据宽度。

利用本发明提出的一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，解决了复杂产品建模过程中各种模型难以统一的问题，编写转换程序，方法简便易实现，针对SysML建模的特点，将模型转换为VHDL语言实现的硬件算法模型，提高了硬件建模的效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，其特征在于，具体步骤包括如下：

通过SysML建立硬件算法的模块定义图和内部模块图；

将所述模块定义图和内部模块图存储为第一文本，确立所述模块定义图和内部模块图与所述第一文本的对应关系；

利用KMP算法提取所述第一文本并确立所述第一文本与VHDL元模型的映射规则；

调用所述VHDL元模型，根据所述映射规则将所述第一文本转换为VHDL语言的第二文本。

2.根据权利要求1所述的一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，其特征在于，所述模块定义图和内部模块图以uml2.5.1版本导出为第一文本。

3.根据权利要求1所述的一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，其特征在于，所述VHDL元模型包括实体元模型、元件元模型、信号元模型、端口元模型、端口映射元模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，其特征在于，所述第一文本中标签名为packagedElement且xmi:type属性值为uml:Class的元素的name属性值表示实体名。

5.根据权利要求4所述的一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，其特征在于，所述实体名下包含标签名为ownedAttribute且xmi:type属性值为uml:Property的元素的name属性值为元件名，所述元件名是所述实体名的下层模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，其特征在于，xmi:type属性值为uml:Class的nestedClassifier节点表示实体模块，其子元素节点名为ownedAttribute且xmi:type属性值为uml:Port的节点表示属于所述实体模块的端口，name属性的值即为端口名。

7.根据权利要求1所述的一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，其特征在于，所述VHDL元模型中的信号名称在所述第一文本中表示为nestedClassifier元素的子元素ownedConnector的name属性的值，信号所连接的端口是ownedConnector元素的子元素节点的role属性的值。

8.根据权利要求4所述的一种基于SysML的硬件算法模型构建方法，其特征在于，根据所述映射规则将所述第一文本转换为VHDL语言的第二文本的具体步骤如下：

在所述第一文本中获取标签名为packagedElement的节点列表，根据xmi:type属性的值将packagedElement节点分为三种，根据不同的属性以及所述第一文本与VHDL模型的映射关系得到实体名称、元件名称、数据类型；

在所述第一文本中获取packagedElement的子元素节点列表和nestedClassifier的子节点列表，根据所述第一文本与VHDL模型的映射关系得到信号名、端口映射、端口名、端口数据宽度。

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