CN112926109B - 一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，包括：第一步、构建实体对象的图形化模型；第二步、配置图形化模型接口与属性；第三步、生成设备仿真模型，包括：将图形化模型描述的接口和属性转化为对应的接口函数和属性变量，进行设备仿真模型框架代码的自动生成，基于此框架开展设备仿真模型的逻辑功能开发；第四步、封装设备仿真模型并持久化存储，包括：封装图形界面操作，并建立设备仿真模型与图形模型的双向映射；并形成图形化模型与设备仿真模型库；第五步、生成虚拟运行环境构建与系统配置文件。本发明可有效的简化复杂嵌入式系统虚拟运行环境构建过程，进而提升嵌入式软件研发效率和测试充分性。

Description

一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法

技术领域

本发明涉及嵌入式系统开发技术，特别涉及一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法。

背景技术

嵌入式系统研制过程中，一般通过真实的目标机运行环境进行嵌入式软件的开发调试，目标机运行环境包括处理器、外部设备、连接总线以及配套的激励设备等，但囿于嵌入式系统硬件资源有限、硬件接口专用性强等特点，嵌入式软件的动态执行情况难以精确统计，嵌入式软件研制效率和测试充分性不易保证。因此，常采用一种虚拟运行环境建模方法对复杂嵌入式系统目标机进行建模仿真，构建可靠的虚拟运行环境，摆脱对硬件的依赖，进而提高嵌入式软件的研制效率和测试充分性。

虚拟运行环境建模技术通过对处理器模型、外设模型、总线模型、开发板模型，激励模型、连接模型等实体对象的功能和特性进行抽象表示，并使用对象间的交互关系来描述真实嵌入式系统目标机的组成关系，构建虚拟运行环境，为嵌入式软件研制和测试提供支撑。

为了满足构建复杂嵌入式系统虚拟运行环境的需求，对真实目标机环境实体对象进行多层次的抽象描述和设计，实现模型的创建、编辑、存储和复用，减少重复开发成本，发明了一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法。通过可视化的方法，实现模型功能建模和系统组成建模，构建复杂嵌入式系统虚拟运行环境，支撑基于虚拟运行环境的嵌入式软件研发与测试。

传统的基于真实目标机运行环境的嵌入式软件研制与测试存在资源利用率低、成本高、周期长、出现故障不可逆等问题，尤其是在硬件设备具备之前，由于缺少相应的硬件设备和硬件环境，嵌入式软件研制和测试难以进行。虽然，采用虚拟化指令集仿真技术和设备仿真技术可以实现设备的功能仿真，减少对硬件环境的依赖；但是，设备属性和设备间连接关系描述困难，缺乏对系统整体的描述和设计，复杂嵌入式系统虚拟运行环境构建难度大、成本高、重用性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，用于解决现有技术中复杂嵌入式系统虚拟运行环境建模过程复杂，系统组成关系描述困难，模型开发成本高、重用性差的问题。

本发明一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，包括：第一步、构建实体对象的图形化模型，包括：通过图形编辑框架，进行多层次的模型描述，进行图形化模型的创建与编辑，生成实体对象的图形化模型；第二步、配置图形化模型接口与属性，包括：配置图形化模型接口与属性、配置管脚描述图形模型对外交互接口以及配置软件属性描述模型特征；第三步、生成设备仿真模型，包括：将图形化模型描述的接口和属性转化为对应的接口函数和属性变量，进行设备仿真模型框架代码的自动生成，基于此框架开展设备仿真模型的逻辑功能开发；第四步、封装设备仿真模型并持久化存储，包括：封装图形界面操作，并建立设备仿真模型与图形模型的双向映射；并形成图形化模型与设备仿真模型库；第五步、生成虚拟运行环境构建与系统配置文件。

根据本发明所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，图形化模型包括：处理器、外部设备、激励设备以及总线实体对象的图形化模型，并描述与真实物理设备功能对应的接口和属性。

根据本发明所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，配置图形化模型接口与属性，包括管脚、软件属性与自定义属性；配置管脚描述图形模型对外交互接口，包括连接、接口、通道；配置软件属性描述模型特征，包括模型名称、模型ID、模型类型、设备基地址、访问偏移量、引用仿真模型库等通用属性；配置自定义属性，从而建立完善的图形化模型。

根据本发明所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，配置图形化模型接口与属性，包括管脚、软件属性与自定义属性；配置管脚描述图形模型对外交互接口，包括连接、接口以及通道；配置软件属性描述模型特征，包括模型名称、模型ID、模型类型、设备基地址、访问偏移量以及引用仿真模型库；配置自定义属性，建立图形化模型。

根据本发明所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，构建实体对象的图形化模型具体包括：分析系统组成结构，根据对应物理设备的结构说明文件对物理设备进行抽象描述，提取设备特征，结合设备的功能特性和交互逻辑进行建模，包括管脚、软件属性以及用户自定义属性，形成对象的图形化模型；以图形化的方式描述特征模型，创建图形模型并根据特征模型进行图形编辑和状态维护，形成图形化模型；注册图形化模型，将图形化模型加入到图形模型库中进行统一管理。

根据本发明所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，第二步、配置图形化模型接口与属性具体包括：首先，配置图形模型接口，根据图形化模型中管脚真实的数据传输方向和传输数据格式，配置数据传输方向，包括输入接口、输出接口以及channel双向接口；配置数据传输格式，包括位、字节、半字以及字；其次，配置图形模型属性，图形模型属性包含通用属性和自定义属性，配置通用属性，包括名称、ID、类型、内存基地址以及访问偏移量；配置自定义属性，包括物理设备特有功能和用户定制属性。

根据本发明所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，第三步、生成设备仿真模型包括：首先，读取并解析图形模型信息，根据配置的设备类型信息，创建相应类型的设备仿真模型示例；其次，读取图形模型中的属性，提取属性名称和属性值并赋值给设备仿真模型；然后，读取图形模型中的接口，提取接口名称和属性值并在设备仿真模型中创建相应的接口；最后，对设备仿真模型进行合格性检查，补充功能逻辑实现，形成可用的设备仿真模型，加入设备仿真模型库进行管理。

根据本发明所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，第五步、生成虚拟运行环境构建与系统配置文件包括：进行虚拟运行环境系统组成结构的建模，生成每个系统层次的所有节点和连线，分析连线并设置连接信息，遍历需要解析的下层模型并设置该模型节点的回溯XML内容，生成符合规范的虚拟运行环境系统描述文件。

根据本发明所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其中，第五步、生成虚拟运行环境构建与系统配置文件包括：创建虚拟目标机环境工作台，进行目标机环境建模；分析系统组成，导入相关图形模型和设备仿真模型，生成可视化建模工作台，包括模型库和连线工具；向工作台中选择所需设备的图形化模型并按照真实环境的接口逻辑关系连接；生成虚拟目标机环境系统配置文件，并通过虚拟平台加载设备仿真模型，组成可供研发和测试使用的虚拟运行环境。

本发明给出了一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，该方法可有效的简化复杂嵌入式系统虚拟运行环境构建过程，进而提升嵌入式软件研发效率和测试充分性。

附图说明

图1为一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法组成结构图；

图2为设备仿真模型生成过程图；

图3为模型封装与持久化存储图；

图4为系统配置文件生成图。

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。

本发明一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法包括：

第一步、构建实体对象的图形化模型

虚拟运行环境可视化建模技术通过图形编辑框架，进行多层次的模型描述与设计，实现图形化模型的创建与编辑，生成处理器、外部设备、激励设备、总线等实体对象的图形化模型，描述与真实物理设备功能对应的接口和属性。

第二步、配置图形化模型接口与属性

配置图形化模型接口与属性，包括管脚、软件属性与自定义属性。配置管脚描述图形模型对外交互接口，包括连接、接口、通道；配置软件属性描述模型特征，包括模型名称、模型ID、模型类型、设备基地址、访问偏移量、引用仿真模型库等通用属性；配置自定义属性，从而建立完善的图形化模型。

第三步、生成设备仿真模型

将图形化模型描述的接口和属性转化为设备模型中对应的接口函数和属性变量，实现设备仿真模型框架代码的自动生成，基于此框架实现设备仿真模型的逻辑功能开发。

第四步、封装模型并持久化存储

完成模型封装，封装图形界面操作并建立设备仿真模型与图形模型的双向映射；实现模型加载与存储，采用规范化的方法进行持久化保存和管理，借助可视化手段存储模型并实例化，形成图形化模型与设备仿真模型库，实现模型状态维护。

第五步、虚拟运行环境构建与系统配置文件生成

以拖拽的方式调用仿真组件、连接线、端口、总线等模型，进行虚拟运行环境系统组成结构的建模，生成每个系统层次的所有节点和连线，分析连线并设置连接信息，遍历需要解析的下层模型并设置该模型节点的回溯XML内容，最后生成符合规范的虚拟运行环境系统描述文件。

本发明一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法实施方案包含设备模型建模和系统组成结构建模两个部分。图1为一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法组成结构图。

首先，采用特征描述的方法对系统中的设备进行描述并建立图形化模型，完善图形化模型信息，生成仿真模型框架并建立图形化模型和设备仿真模型间的双向映射，进行模型封装和持久化存储；其次，根据硬件环境组成，采用多层次的描述与设计，对设备间连接关系、子系统组成结构以及全系统组成结构进行详细描述，采用可视化拖拽的方式实现复杂嵌入式系统虚拟运行环境建模。

具体实施步骤为：

第一步、构建实体对象的图形化模型

图形化模型是对实体对象的抽象描述和表示，采用面向对象的方法把现实世界中的物理实体映射到软件系统中，利用软件中的对象来表示现实世界中的实体，并以图形化的方式表示对象的特征。

首先，分析系统组成结构，根据对应物理设备的结构说明文件对物理设备进行抽象描述，提取设备特征，结和设备的功能特性和交互逻辑进行建模，包括管脚、软件属性、用户自定义属性等，形成特征模型。

其次，以图形化的方式描述特征模型，创建图形模型并根据特征模型进行图形编辑和状态维护。

最后，注册图形化模型，将图形化模型加入到图形模型库中进行统一管理。

第二步、配置图形化模型接口与属性

首先，配置图形模型接口。根据图形化模型中管脚真实的数据传输方向和传输数据格式，配置数据传输方向，包括interface(输入接口)、connection(输出接口)、channel(双向接口)；配置数据传输格式，包括位、字节、半字、字等。

其次，配置图形模型属性。图形模型属性包含通用属性和自定义属性，配置通用属性，包括名称、ID、类型、内存基地址、访问偏移量等信息；配置自定义属性，包括物理设备特有功能和用户定制属性。

第三步、生成设备仿真模型

首先，读取并解析图形模型信息，根据配置的设备类型信息，创建相应类型的设备仿真模型示例。

其次，读取图形模型中的属性，提取属性名称和属性值并赋值给设备仿真模型。

然后，读取图形模型中的接口，提取接口名称和属性值并在设备仿真模型中创建相应的接口。

最后，对设备仿真模型进行合格性检查，补充功能逻辑实现，形成可用的设备仿真模型，加入模型库进行管理。

第四步、封装模型并持久化存储

封装图形界面操作并建立图形模型到设备仿真模型的双向映射，采用XML标准进行模型持久化存储，使用模型对象工厂和反射存取接口进行模型状态维护。

第五步、虚拟运行环境构建与系统配置文件生成

首先，创建虚拟目标机环境工作台，进行目标机环境建模。

其次，分析系统组成，从设备模型库中导入相关图形模型和设备仿真模型，生成可视化建模工作台，包括模型库和连线工具。

然后，向工作台中拖拽所需设备的图形化模型并按照真实环境的接口逻辑关系连接。

最后，生成虚拟目标机环境系统配置文件，并通过虚拟平台加载设备仿真模型，组成可供研发和测试使用的虚拟运行环境。

本发明采用多层次模型描述与设计：多层次模型描述与设计以模型提取技术为核心，集中反映模型的组成元素和配置属性等特点，对复杂嵌入式系统目标环境进行分析，考虑系统中设备的功能和设备间的交互关系，使用特征描述的方法对系统中物理设备进行描述并提供图形化的模型表示。

本发明根据系统组成结构，模型描述包括设备模型、目标板模型、配置项模型、多配置项模型等多个层次的模型描述，由简入繁，逐层递进，灵活的实现不同层次的系统的可视化建模。在实现高层次模型建模时，复用低层次模型，通过低层次模型的组合实现，降低模型重复建模工作，提升复杂嵌入式系统虚拟运行环境构建效率。

本发明的设备仿真模型生成是将通过可视化手段描述的图形模型转换为以面向对象方法实现的设备仿真模型。读取并解析图形模型获取模型元素数据，通过模型转换功能将图形模型中定义的元素转换为设备仿真模型中的构件，包括属性、接口、函数等信息。

模型转换采用基于模板和基于对象映射关系相结合的转换策略实现。图形模型中用户对模型的描述信息会作为注释生成到设备仿真模型中，生成的设备仿真模型属性信息和对应的set()和get()方法。生成设备仿真模型时，自动生成model_Init()、model_Clean()、model_Create()、model_Destory()方法，分别对应设备仿真模型的的初始化、清除、创建、销毁操作，对设备仿真模型进行功能完善，编译链接后生成可供调用的动态链接库，图2为设备仿真模型生成过程，如下图2所示。

模型封装与持久化存储包含两部分：首先是使用图形化编辑框架，封装图形界面操作；其次是建立图形模型到设备仿真模型的双向映射。以图形化的方式展示和编辑模型，并采用基于命令模式和策略模式完成图形界面封装。

图3为模型封装与持久化存储图，如图3所示，持久化存储是通过在MVC架构基础上扩展存储/加载层，形成MVC-S架构，采用符合国际标准的存储方法进行存储，使用模型对象工厂对模型进行工厂统一管理并利用反射存取接口进行模型状态的维护，

图4为系统配置文件生成图，如图4所示，系统配置文件与代码生成是多层次可视化建模技术的输出结果，通过基于模板映射的方法生成系统虚拟化硬件的多层次配置文件。系统配置文件采用深度优先的解析方法，从系统层的多机架构向单设备的硬件组成进行解析，通过解析本层次模型，根据信息确定设备要解析的模型；设备层通过系统层的信息，找到相应的模型，解析并生成本层设备的XML配置文件，向系统层设置回溯节点，并生成系统层回溯节点的XML，

对每一个层次，按如下方式进行解析：首先，解析代码中的节点信息，生成本层次的所有节点和连线；然后分析连线，设置节点之间的连接信息；最后，如果当前为系统层模型，遍历需要解析的下层模型，按照深度优先的方法，依次解析相应的下层模型并设置该节点的回溯XML内容。

最后，采用基于模板映射的方法，来定制生成配置文件的模板，其中包括系统层模型配置文件模板和设备层模型配置文件模板，并根据模板映射方法生成符合规定的配置文件

本发明的一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法具有如下优点：

广泛采用模型可视化建模技术，减少复杂嵌入式系统虚拟运行环境构建过程中系统组成结构描述混乱、设备仿真模型开发困难、重用性差等问题；

采用多层次的描述与设计实现设备、子系统功能模块、单配置项系统、多配置项系统等不同层次的模型建模，可提高复杂嵌入式系统虚拟运行环境的构建效率；

实现模型的封装和持久化存储，具备灵活的模型编辑、属性配置、模型连接、模型存取等功能，完成图形模型到底层虚拟运行环境的驱动过程；

支持复杂嵌入式系统的系统级建模与配置文件生成，提供复杂嵌入式系统虚拟运行环境后续更改的参考依据。

本发明给出了一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，该方法首先采图形化编辑框架，构建处理器模型、外设模型、激励模型、连接模型、总线模型、配置项系统模型的图形化模型；其次，对图形模型的接口、属性、处理函数等特征进行详细描述和设计；然后，提取图形模型元素，检查合法性后赋值给仿真模型，建立图形模型和仿真模型的双向映射，生成仿真模型框架代码并进行逻辑功能完善；最后，通过图形化拖拽和连线的方式，实现复杂嵌入式系统虚拟运行环境的系统组成结构建模。该方法实现的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模，构建过程简洁灵活、模型属性与接口描述完善、系统层次结构与组成关系表达准确，可有效的简化复杂嵌入式系统虚拟运行环境构建过程，进而提升嵌入式软件研发效率和测试充分性。

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 (8)

1.一种复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其特征在于，包括：

第一步、构建实体对象的图形化模型，包括：通过图形编辑框架，进行多层次的模型描述，进行图形化模型的创建与编辑，生成实体对象的图形化模型；

第二步、配置图形化模型接口与属性，包括：配置图形化模型接口与属性、配置管脚描述图形模型对外交互接口以及配置软件属性描述模型特征；

第三步、生成设备仿真模型，包括：将图形化模型描述的接口和属性转化为对应的接口函数和属性变量，进行设备仿真模型框架代码的自动生成，基于此框架开展设备仿真模型的逻辑功能开发；

第四步、封装设备仿真模型并持久化存储，包括：封装图形界面操作，并建立设备仿真模型与图形模型的双向映射；并形成图形化模型与设备仿真模型库；

第五步、生成虚拟运行环境构建与系统配置文件；

其中，构建实体对象的图形化模型具体包括：

分析系统组成结构，根据对应物理设备的结构说明文件对物理设备进行抽象描述，提取设备特征，结合设备的功能特性和交互逻辑进行建模，包括管脚、软件属性以及用户自定义属性，形成对象的图形化模型；

以图形化的方式描述特征模型，创建图形模型并根据特征模型进行图形编辑和状态维护，形成图形化模型；

注册图形化模型，将图形化模型加入到图形模型库中进行统一管理。

2.如权利要求1所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其特征在于，图形化模型包括：处理器、外部设备、激励设备以及总线实体对象的图形化模型，并描述与真实物理设备功能对应的接口和属性。

3.如权利要求1所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其特征在于，

配置图形化模型接口与属性，包括管脚、软件属性与自定义属性；配置管脚描述图形模型对外交互接口，包括连接、接口、通道；配置软件属性描述模型特征，包括模型名称、模型ID、模型类型、设备基地址、访问偏移量、引用仿真模型库等通用属性；配置自定义属性，从而建立完善的图形化模型。

4.如权利要求1所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其特征在于，

配置图形化模型接口与属性，包括管脚、软件属性与自定义属性；配置管脚描述图形模型对外交互接口，包括连接、接口以及通道；配置软件属性描述模型特征，包括模型名称、模型ID、模型类型、设备基地址、访问偏移量以及引用仿真模型库；配置自定义属性，建立图形化模型。

5.如权利要求1所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其特征在于，第二步、配置图形化模型接口与属性具体包括：

首先，配置图形模型接口，根据图形化模型中管脚真实的数据传输方向和传输数据格式，配置数据传输方向，包括输入接口、输出接口以及channel双向接口；配置数据传输格式，包括位、字节、半字以及字；

其次，配置图形模型属性，图形模型属性包含通用属性和自定义属性，配置通用属性，包括名称、ID、类型、内存基地址以及访问偏移量；配置自定义属性，包括物理设备特有功能和用户定制属性。

6.如权利要求1所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其特征在于，第三步、生成设备仿真模型包括：

首先，读取并解析图形模型信息，根据配置的设备类型信息，创建相应类型的设备仿真模型示例；

其次，读取图形模型中的属性，提取属性名称和属性值并赋值给设备仿真模型；

然后，读取图形模型中的接口，提取接口名称和属性值并在设备仿真模型中创建相应的接口；

最后，对设备仿真模型进行合格性检查，补充功能逻辑实现，形成可用的设备仿真模型，加入设备仿真模型库进行管理。

7.如权利要求1所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其特征在于，第五步、生成虚拟运行环境构建与系统配置文件包括：进行虚拟运行环境系统组成结构的建模，生成每个系统层次的所有节点和连线，分析连线并设置连接信息，遍历需要解析的下层模型并设置该模型节点的回溯XML内容，生成符合规范的虚拟运行环境系统描述文件。

8.如权利要求1所述的复杂嵌入式系统虚拟运行环境可视化建模方法，其特征在于，第五步、生成虚拟运行环境构建与系统配置文件包括：

创建虚拟目标机环境工作台，进行目标机环境建模；

分析系统组成，导入相关图形模型和设备仿真模型，生成可视化建模工作台，包括模型库和连线工具；

向工作台中选择所需设备的图形化模型并按照真实环境的接口逻辑关系连接；

生成虚拟目标机环境系统配置文件，并通过虚拟平台加载设备仿真模型，组成可供研发和测试使用的虚拟运行环境。

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