基于全數字仿真的復雜系統虛擬化仿真環境構建

付修鋒 賈張濤 張霄霄 楊鐵湃 安恒 李雅斯 孔祥炳 金玉川

關鍵詞 數字孿生 復雜系統 多機協同仿真 全數字仿真

1引言

隨著硬件處理能力的提高，復雜嵌入式系統中軟件的規模大幅增長，航空航天系統已逐漸演變為軟件密集型系統，各類嵌入式軟件直接影響嵌入式系統的效能發揮。而當前嵌入式軟件的質量不容樂觀，尤其是在系統級、分系統級測試驗證方面缺乏行之有效的測試手段，需要采用多層級、多粒度的測試驗證方法保證軟件測試的充分性。

近年來，基于數字孿生的測試驗證方法得到快速發展和應用，國內多家單位已通過構建數字孿生環境搭建復雜系統的系統級測試環境，實現復雜系統的充分測試驗證，但基于硬件的數字孿生環境構建存在成本高、難度大、測試充分性難以度量等問題。國內多個廠商通過指令集虛擬化與外設虛擬化技術構建了配置項級虛擬化驗證環境，保障了多個型號測試任務的完成，并支持開展《載人航天工程軟件工程化技術標準CMS?RW?04》要求的目標碼測試，但存在配置項級虛擬化測試驗證環境難以閉環、外圍激勵模擬復雜、測試環境充分性難以保證等問題。基于此，為了滿足型號任務高安全、高可靠系統測試驗證的需求，本文立足于處理器虛擬化仿真、分布式總線、基于FMI 的聯合仿真等技術方案，提出基于全數字仿真的復雜系統數字孿生環境構建方案，以進一步提高復雜系統的測試驗證水平，保障復雜系統的可靠性和安全性[1～4] 。

2相關技術

2.1全數字仿真技術

處理器虛擬化技術是全數字仿真最重要的支撐技術，全數字仿真允許特定指令集上的軟件運行在另一類異構的指令集上。在指令集層次上實現虛擬化，實際上是將某個硬件平臺上的二進制代碼轉換為另一個硬件平臺上的二進制代碼，從而實現不同指令集間的兼容，該技術也被稱為二進制翻譯。虛擬化技術實現主要有兩種方式，即解釋執行、動態二進制翻譯。

（1）解釋執行技術方案

解釋器對源二進制代碼逐條進行分析，根據譯碼結果即指令類型，分解相應的解釋例程執行。解釋例程在一個由軟件維護的源體系結構（包括各種結構寄存器、內存狀態等）上用等價的一條或多條目標指令來模擬源指令的執行，獲得和源指令同樣的執行效果。解釋器工作過程主要包括“取指令→分析指令→完成指令所需的操作→修改處理器狀態”等步驟，如此循環，如圖1 所示。

（2）動態二進制翻譯技術方案

動態二進制翻譯（DBT，Dynamic Binary Translate）解決了代碼發現與代碼定位問題，動態翻譯對程序運行時得到的片段（目標代碼塊）進行翻譯，豐富的運行信息克服了靜態翻譯的缺點，該技術稱為即時編譯（JIT，Just in time）技術。

2.2分布式仿真總線

2.2.1DDS規范

DDS是對象管理組織（OMG）制定的實現訂閱/發布通信模式、滿足實時性要求的軟件設計標準和規范，該規范對分布式實時系統中的數據發布、傳遞和接收的接口與行為進行了標準化。

2.2.2DDS結構模型

DDS 規范描述了2 個層次的接口，即以數據為中心的發布/ 訂閱層（DCPS） 和數據本地重構層（DL?RL），其結構如圖2 所示。DCPS 層是DDS 的基礎層，為應用軟件提供了數據發布和訂閱的功能，使發布者能夠識別數據對象并發布數據; DL?RL 層是建立在DCPS 層之上的一個可選層，能夠將服務簡單地集成到應用層，在數據更新后自動重組數據，并通知訂閱者及時更新[5～8] 。

DDS 將分布式網絡中傳輸的數據定義為主題，將數據的產生和接收對象分別定義為發布者和訂閱者，從而構成數據的發布/ 訂閱傳輸模型。各個節點在邏輯上無主從關系，點與點之間都是對等關系，通信方式可以是點對點、點對多及多對多等。

2.2.3QoS保障

實時信息交換平臺設計通過提供QoS 策略，為各種業務提供更深程度的控制及更完善的支持。實時信息交換平臺將各種傳輸控制集中體現在QoS 參數上，即不同的傳輸需求無須調用不同的接口，僅須修改接口中的QoS 參數，使得面向應用軟件的接口簡單化、標準化。

3基于全數字仿真的復雜系統數字孿生環境

3.1整體技術方案

基于全數字仿真系統，構建高精度虛擬化可配置的仿真環境，實現對復雜系統硬件環境的替代;由于復雜系統包通常包含多個處理任務，本文重點解決復雜系統的仿真環境與硬件環境的時鐘同步問題，保證虛擬化仿真環境與硬件時序的一致性。針對復雜系統虛擬化仿真環境資源開銷大、分布式協同仿真消息通信可靠性差的問題，本文提出基于DDS 的分布式協同仿真技術方案，保障復雜系統分布式仿真及時鐘同步及消息通信的可靠性。針對現有測試環境無法閉環的問題，本文提出基于FMI 集成框架的多源異構模型接入集成方案，實現Matlab 和C/ C++等模型的轉換和接入，構建閉環仿真環境。實現基于全數字仿真環境的復雜系統數字孿生環境的構建。其系統結構圖如圖3 所示。

為進一步闡述基于全數字仿真的復雜系統數字孿生環境構建方案，本文主要從全數字仿真時鐘同步、高精度分布式協同仿真、多源模型仿真接入與控制等三個方面對該方案進行詳細闡述。

3.2基于DDS的協同仿真

針對復雜系統虛擬化仿真環境資源開銷大、分布式協同仿真消息通信可靠性差的問題，本文提出基于DDS 的分布式協同仿真技術方案，保障復雜系統分布式仿真的時鐘同步和消息通信的可靠性。通過同時運行多個單處理器嵌入式軟件測試平臺，形成復雜系統仿真測試環境的構建，主要解決多平臺之間的實時數據交換和多個處理器之間時間同步的問題。

3.2.1多平臺之間的實時數據交換

多個嵌入式軟件測試平臺是指多個單處理嵌入式軟件測試平臺同時運行，且在運行中，一個測試平臺的輸出數據可能是另一個測試平臺的輸入數據。因此，解決多個測試平臺之間的實時數據交換問題，是復雜系統能否成功運行的關鍵問題之一。

復雜系統間的數據交換技術是基于DDS 發布/ 訂閱傳輸模型實現的。在復雜系統數字孿生環境中，每個節點都有輸出數據和輸入數據信息。按照DDS 規范，把節點的輸出數據稱為發布，把節點的輸入數據稱為訂閱。在構建復雜系統數字孿生環境時，將一個節點的發布數據和另一個節點中屬于相同主題的訂閱數據捆綁起來，即可在節點需要該數據的時候快速獲取，如圖4 所示。

3.2.2多個處理器之間時間同步

復雜系統軟件有著自己的運行時序，因此每個單處理器嵌入式軟件測試平臺有著自己的運行時序。而復雜系統數字孿生環境的多個處理器同時運行時，每個處理器之間的時序同步問題也是多個嵌入式測試平臺能否正確運行的關鍵問題之一。

為了解決上述問題，采用分布式計算方式，將全數字平臺部署在用網絡連接的多臺計算機。為保證網絡通信的高可靠性，采用DDS 網絡中間件作為網絡傳輸的底層構件。在此基礎上設計了基于通道的系統模型，如圖5 所示。

該模型由通道和節點構成，代表了由多個配置項軟件組成的復雜系統。每一個單處理器軟件測試平臺代表通道上的一個節點，所有需要進行信息交換的節點都掛接在同一個通道上。節點與節點之間通過元數據（MetaData）和心跳信號（BeatData） 進行通信。節點可以全部部署在網絡中的一個物理節點上，也可以部署在網絡中的任意物理節點上。對每個節點的描述信息分為基本信息、輸出數據、輸入數據、輸出心跳名稱和輸入心跳名稱。其中，基本信息包含節點ID、通道號及節點類型等信息，這些基本信息描述了節點在平臺中的基本特征; 發布信息描述了節點輸出數據的相關信息; 訂閱數據描述了節點輸入數據的相關信息; 輸入心跳和輸出心跳都描述了節點的運行時鐘周期。

復雜系統數字孿生環境運行需要解決的另一個問題是多個處理器間時間同步的問題。嵌入式軟件是按照一定的時序去運行，因此復雜系統數字孿生環境中的每一個節點也需要統一步調去進行正常運行。采用引入一個同步節點，專門去同步不同節點的運行周期。解決方案如圖6 所示，具體實現方法如下：（1）當同一通道的所有節點已經處于就緒狀態后，同步節點發送同步信號，當同步節點收到所有其他節點的同步好信號后，當前平臺初始化工作結束;（2）同步節點中設置同步周期，假設為1ms，平臺中任意一個節點先啟動運行，運行1ms 后，把自己的輸出心跳輸出給同步節點，然后該節點停止運行，等待同步節點下一次心跳數據。其他節點類似，當同步節點收到通道中所有節點的心跳數據后，平臺該周期運行完成; （3）平臺中所有節點運行完一個周期（1ms）后，同步節點輸出心跳數據，通知平臺中所有節點繼續下一周期的運行。如此循環，直至整個嵌入式軟件運行結束。

3.3多源模型仿真接入與控制

本文提出基于FMI 集成框架的多源異構模型接入集成方案，可實現Matlab 和C/ C++等模型的轉換和接入，構建閉環仿真環境。復雜系統的系統設計與驗證環節往往涉及多專業協同。典型的飛行仿真試驗涵蓋空氣動力學/ 運動學、執行機構、動力組件、慣性導航組件、控制算法等多專業要素。復雜系統的建模平臺可歸納為C/ C++，Matlab/ Simulink，SimulationX，AMESim等。

3.3.1基于FMI 標準的模型解析

當FMU 模型導入集成仿真軟件時，首先解析模型的XML 描述文件，解析流程如圖7 所示，讀取模型的屬性信息和模型的輸入輸出信息，并將每個FMU的輸入和輸出關聯起來。配置好模型參數后，仿真軟件會調用執行文件來仿真。仿真進行時，仿真軟件對模型文件執行調度，采用分組方式進行單線程順序或多線程仿真。

3.3.2異構模型系統集成方案

模型轉換工具使用FMI 標準將不同來源的模型封裝為FMU， 實現接口規范化。系統集成基于FMI1.0/2.0 協議實現了相應的接口功能，能夠將多源異構模型封裝成的FMU，將外部軟件系統、硬件系統、腳本封裝為偽FMU 并提供FMI 標準接口，可按照標準加載FMI 格式模型，與FMU 模型一同組成模型庫并調度模塊進行仿真，方案如圖8 所示。

執行仿真試驗任務時，復雜系統數字孿生環境的仿真引擎可通過TCP 網絡協議接收控制執行，執行命令處理線程，將不同的FMU 或偽FMU 分配到不同的線程執行操作，從而實現集成模型的被外部平臺調度的基本模式，系統仿真調度流程如圖9 所示。

3.4全數字仿真時鐘同步

復雜嵌入式系統的復雜程度日益增加，一個系統內往往包含多個分系統協同工作，不同分系統通過定時器實現不同配置項之間的同步。虛擬化仿真運行條件下，單配置項的運行速率受指令集架構、指令集復雜程度、指令集實現方案、外設復雜程度、外設接入方式的影響。復雜系統涉及不同的架構處理，不同配置項之間，簡單的通過虛擬化仿真很難實現系統級協同仿真，需要提供一種可配置的協同仿真接口實現系統級協同仿真，實現對復雜系統的測試驗證。

3.4.1定時補償技術方案

嵌入式系統的非周期中斷需要特定的觸發條件，在滿足條件下觸發中斷即可，不是本文的重點，本文通過運行時補償技術實現對周期中斷時序的逐步求精，實現系統級協同仿真[9] 。運行時補償技術主要通過控制虛擬化處理器運行的執行過程，系統啟動后，通過系統內各個處理器的特性和參數，計算出定時補償的初始值;定時校準模塊負責記錄中斷觸發時刻并反饋給多機協同控制模塊，多級協同控制模塊根據中斷觸發時刻的誤差計算定時補償的修正因子，并對定時補償參數進行動態修正，逐步求精，實現不同配置項之間的協同。為了降低多機協同仿真開銷對整個系統的影響，要盡可能提高一個補償周期內運行指令條數。基于定時補償技術的多級協同仿真技術方案及調整因子計算過程如圖10 所示。

多機協同控制是多級協同仿真的控制核心，其運行過程如下：（1）系統啟動，多機協同控制模塊獲取系統內所有處理器（CPU）的初始狀態;（2）多機協同控制模塊置處理器定時補償初始值;（3）不同處理器運行速率不同，根據運行狀態判定是否需要定時補償;（4）向多機協同控制模塊發送定時校準信息，多機協同控制模塊根據校準信息調整處理器定時補償。

3.4.2定時補償的修正因子求解算法

不同架構處理器虛擬化仿真速率不同，多級協同仿真算法主要通過修正定時補償參數[10] ，將整個系統運行等比放慢（加快），實現系統級協同仿真。

4數字孿生環境時鐘同步結果驗證

4.1多機協同仿真試驗驗證

本文以某系統的控制分系統作為試驗驗證的應用場景，該分系統包含三個配置項，控制系統處理器為DSP C6713，氣體控制模塊處理器為DSP 2812，電源管理模塊處理器為C51，不同配置項通過兩路CAN總線進行通信，外部仿真數據通過Matlab 仿真模型進行接入。其系統結構圖如圖11 所示。

基于全數字仿真的復雜系統虛擬化仿真環境構建方法，構建該分系統的虛擬化協同仿真環境E1;基于傳統全數字仿真技術方案，沒有采用DDS 和時鐘同步方案，外設數據輸入采用文本方式，搭建虛擬化仿真環境，記為E2。

本方案通過FMI 構建閉環仿真環境，降低系統構建的成本，提高仿真系統構建效率，并提高外設仿真的精度;通過DDS 和全數字仿真時鐘同步兩個方面保證復雜系統時序仿真的精度和不同分系統仿真的一致性。由于引入DDS 和全數字仿真時鐘技術，對全數字仿真系統的仿真效率有一定影響。分別從分系統仿真精度、仿真效率兩個方面進行對比分析，驗證方案的合理性，并記錄分系統修正因子運行變化，進一步驗證本方案的可行性。

4.1.1仿真精度、仿真效率對比分析

表1 中，E1 TKs 為環境E1 對應采樣時刻仿真時鐘周期數除以硬件環境時鐘周期數;E2 TKs 為環境E2 對應時刻仿真時鐘周期數除以硬件環境時鐘周期數。E1_Vmips 為環境E1 對應采樣時刻仿真效率，單位為MIPS;E2_Vmips 為環境E3 對應采樣時刻仿真效率，單位為MIPS。

試驗表明，本方案可提升復雜系統仿真的精度，平均精度提升3.99%，仿真精度進一步接近硬件執行;仿真效率略有下降，下降0.96%。

4.1.2修正因子運行變化記錄

驗證系統三個配置項周期中斷的最大公約數為INT_GCD = 0.5ms，作為定時補償的初始值，控制每個虛擬內核的指令運行情況，根據系統運行情況，統計出修正因子的數值變化，如圖12 所示。

圖12 中，橫軸表示調整因子的調整次數，調整周期為0.5ms，縱軸表示調整因子的數值;多次運行該虛擬化協同仿真系統（35 次），記錄調整因子的變化情況，對每個調整周期的修正因子累加求平均值，修正因子具體數值如表1 所列。調整十次之后，中斷的精度誤差小于千分之二，隨著系統運行，系統會對修正因子進一步求精，實現復雜系統的協同仿真。

5結論

本文針對當前航空航天等高安全、高可靠領域嵌入式軟件的測試驗證嚴重依賴專用硬件環境、測試充分性難以保證等問題，立足于處理器虛擬化仿真、分布式總線、基于FMI 的聯合仿真等技術方案，提出基于全數字仿真的復雜系統數字孿生環境構建方案，解決復雜系統時鐘同步、復雜系統分布式仿真、分布式仿真通信保障、基于FMI 的多源異構模型接入等問題，實現復雜系統數字孿生環境的構建。同時，本文對數字孿生環境的時序一致性進行了驗證，結果表明本方法可以提升復雜系統仿真的精度，系統能夠正確運行，中斷、時序無錯誤;整個系統運行過程中與硬件數據同步、一致、無差錯。該數字孿生環境在空間站某艙段分系統的測試中得到實際應用。