基于復雜實時嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計方法

金航數(shù)碼科技有限責任公司 季洪新 陶福星 馬洪波

近幾十年來，從互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)，從多應用的電動車到無人駕駛汽車等，一切的變革無不和數(shù)字電子技術(shù)的變革密切相關(guān)，極大地改變了民用系統(tǒng)裝備的應用方式，應用的價值從簡單的電子控制領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)向了復雜數(shù)字電子控制領(lǐng)域，復雜實時嵌入式系統(tǒng)越來越成為效能倍增的關(guān)鍵點，而如果能在復雜實時嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建前就能驗證其功能和非功能屬性，這樣會極大助力裝備的研發(fā)，針對上述變化發(fā)展背景，基于復雜實時嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，開展以架構(gòu)設(shè)計方法為指導，針對復雜實時嵌入式系統(tǒng)基于模型的架構(gòu)設(shè)計方法、復雜裝備系統(tǒng)模型化表達規(guī)范等研究工作尤為重要，本文提出了一種基于功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)的模型的復雜實時嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法，以開展具體的復雜實時嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計工作。

復雜實時嵌入式系統(tǒng)目前廣泛應用于航空電子、航天器、汽車控制等諸多領(lǐng)域，這類系統(tǒng)具有資源受限、實時響應、容錯、專用硬件等特點，對系統(tǒng)的非功能屬性（如實時性、可靠性、安全性等）有較高的要求，這類系統(tǒng)變得越來越復雜，相應的開發(fā)周期和開發(fā)成本也大幅度提高。傳統(tǒng)的復雜實時嵌入式系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)不能滿足當前的需求，為此，引入了模型驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)（Model Driven Architecture，MDA），使設(shè)計研發(fā)過程從傳統(tǒng)的以代碼為核心提升到以架構(gòu)設(shè)計的模型為核心。用戶可以在模型階段就對系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計進行分析和驗證，這樣可以大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本[1]。

1 復雜實時嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法研究

1.1 功能架構(gòu)設(shè)計方法研究

復雜實時嵌入式系統(tǒng)功能架構(gòu)是表示實現(xiàn)復雜實時嵌入式系統(tǒng)目標的功能與功能之間的關(guān)系。功能架構(gòu)從復雜實時嵌入式系統(tǒng)需求出發(fā)，不考慮具體的實現(xiàn)方式，從這個角度逐步展開，使得最終的系統(tǒng)不會偏離最初的目標。

1.1.1 建立功能架構(gòu)

（1）功能元素分配。功能元素分配的目的是以系統(tǒng)用例分析為主要輸入，并結(jié)合分析結(jié)果從中識別并且定義出系統(tǒng)功能元素。

（2）建立功能層級模型。在完成系統(tǒng)功能分解之后，需要對各個功能進行分析，將其轉(zhuǎn)化成基于系統(tǒng)功能層級的架構(gòu)模型。系統(tǒng)功能模塊的劃分原則是：高內(nèi)聚、低耦合。

（3）建立功能流描述模型。在確定了系統(tǒng)各功能元素之后，需要對各個功能元素的邏輯功能流進行分析描述。

1.1.2 功能架構(gòu)接口分析

（1）描述功能交互。描述功能交互主要目的是通過分析系統(tǒng)各功能元素之間的交互進而識別各個功能元素與外部的接口。

（2）描述功能接口組成。通過功能元素接口交互分析可得出各功能元素的外部交聯(lián)關(guān)系，基于這些交聯(lián)關(guān)系，可以用來定義系統(tǒng)各功能元素的接口，形成功能接口組成模型。

1.1.3 功能架構(gòu)動態(tài)行為驗證

在完成了系統(tǒng)功能架構(gòu)元素接口分析之后，需要對系統(tǒng)功能架構(gòu)進行分析和驗證，其目的主要是為了對系統(tǒng)功能架構(gòu)中各功能元素進行進一步分析，并在進入邏輯架構(gòu)設(shè)計之前對功能架構(gòu)做一次綜合評價，這樣可以使得邏輯架構(gòu)的設(shè)計建立在一個相對穩(wěn)定的功能架構(gòu)之上。常用方法是針對功能架構(gòu)中的每一個功能元素建立對應的動態(tài)行為模型，并通過動態(tài)行為模型的仿真運行對系統(tǒng)功能架構(gòu)進行驗證，以確保系統(tǒng)功能架構(gòu)的合理性。

1.1.4 識別功能架構(gòu)的衍生需求

在進行功能架構(gòu)的設(shè)計過程中，隨著復雜實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員對功能的分解和性能的分配，有可能會產(chǎn)生出新的需求。對于新產(chǎn)生的需求需要設(shè)計人員進行識別，并且對其進行定義、驗證與確認，最終將新產(chǎn)生的需求錄入系統(tǒng)需求庫中。

1.2 邏輯架構(gòu)設(shè)計方法研究

1.2.1 建立邏輯架構(gòu)

（1）邏輯實體定義。邏輯實體定義就是為功能架構(gòu)中的功能或者功能組設(shè)計對應的邏輯實體。

（2）邏輯架構(gòu)對功能架構(gòu)的追溯。根據(jù)功能架構(gòu)確定的功能集，定義邏輯實體，需要創(chuàng)建邏輯實體到功能集合的追溯關(guān)系，確保邏輯實體對功能架構(gòu)的功能集合全覆蓋，同時也確保邏輯架構(gòu)設(shè)計的可追溯性。

（3）性能指標分配。在完成邏輯架構(gòu)對功能架構(gòu)追溯后，應對分配到邏輯實體的功能需求定義性能指標。

1.2.2 邏輯架構(gòu)接口分析

（1）描述邏輯實體交互。描述邏輯實體交互主要目的是通過分析系統(tǒng)各邏輯實體之間的交互，進而識別各個邏輯實體與外部的接口。

（2）描述邏輯實體接口組成。邏輯實體是由功能分類重組而來，因此邏輯實體之間的接口類型可以從其所承載的功能接口進行識別。

1.2.3 邏輯架構(gòu)動態(tài)行為驗證

針對邏輯架構(gòu)中的每一個邏輯實體建立對應的動態(tài)行為模型，并通過動態(tài)行為模型的仿真運行對系統(tǒng)邏輯架構(gòu)進行驗證，以確保系統(tǒng)邏輯架構(gòu)的合理性。

1.2.4 識別邏輯架構(gòu)的衍生需求

在邏輯架構(gòu)設(shè)計活動中，由于對功能進行分組，定義了邏輯實體，同時對性能指標也進行了分配，有可能會產(chǎn)生新的需求，這部分需求即為衍生需求，衍生需求也需要作為需求的一部分進行管理。

1.3 物理架構(gòu)設(shè)計方法研究

1.3.1 建立物理架構(gòu)

（1）物理實體定義。物理實體應該能夠滿足對應邏輯實體的功能和性能。

（2）物理架構(gòu)向邏輯架構(gòu)追溯。根據(jù)邏輯架構(gòu)確定的邏輯實體，定義物理實體，需要創(chuàng)建物理實體到邏輯實體的追溯關(guān)系，確保物理實體對邏輯架構(gòu)的功能需求全覆蓋，同時也確保物理架構(gòu)設(shè)計的可追溯性。

（3）性能指標分配。在物理架構(gòu)設(shè)計過程中，需要識別物理實體對應邏輯實體性能指標，將邏輯架構(gòu)中邏輯實體的性能指標分配和分解到各個物理實體。

1.3.2 物理架構(gòu)接口分析

系統(tǒng)級物理接口是不同系統(tǒng)之間的硬件接口。根據(jù)物理架構(gòu)中的功能、邏輯分析，需要識別分配物理實體物理接口。

1.3.3 識別物理架構(gòu)的衍生需求

在物理架構(gòu)設(shè)計活動中，由于基于邏輯實體定義了物理實體，同時對性能指標也進行了分配，有可能會產(chǎn)生新的需求，這部分需求即為衍生需求，衍生需求也需要作為需求的一部分進行管理。如何定義衍生需求，可以參考需求開發(fā)階段的需求定義的內(nèi)容。

2 復雜實時嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計建模實現(xiàn)方法

基于模型的復雜實時嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)建模以架構(gòu)為核心進行設(shè)計與分析，架構(gòu)模型作為權(quán)威數(shù)據(jù)真相源，為開展整個系統(tǒng)中其他視角的工作提供數(shù)據(jù)。復雜實時嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)建模主要基于系統(tǒng)建模語言（SysML）[2]支持系統(tǒng)設(shè)計師開展架構(gòu)模型的設(shè)計，具體包括功能、功能交換項定義、端口、數(shù)據(jù)流路徑、物理架構(gòu)等。同時，通過概要文件（Profile）擴展使用未來機載能力環(huán)境（FACE）[3]和實現(xiàn)復雜實時嵌入式系統(tǒng)建模分析（MARTE）[4]開展復雜實時嵌入式系統(tǒng)特性的建模，包括硬件組成、軟件資源、執(zhí)行平臺特性等。

對于復雜實時嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)建模的描述，本研究只針對一種特定的建模方式，在此方式中SysML 構(gòu)建的系統(tǒng)架構(gòu)模型采用分層的設(shè)計，并使用MARTE 和FACE元素描述復雜實時嵌入式系統(tǒng)的執(zhí)行平臺特性以及數(shù)據(jù)模型。這種特定的建模方式將系統(tǒng)架構(gòu)分為功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)以及物理架構(gòu)，其中功能架構(gòu)使用SysML 元素進行描述，邏輯架構(gòu)由SysML 元素以及FACE 元素共同描述，物理架構(gòu)則使用MARTE 進行描述。

2.1 功能架構(gòu)建模實現(xiàn)

功能架構(gòu)建模主要根據(jù)復雜實時嵌入式系統(tǒng)的用例進行功能分析與設(shè)計，產(chǎn)生功能性的架構(gòu)。功能架構(gòu)中將抽象出功能組以及功能的概念，功能組將包含多個功能，這兩個概念均使用SysML 中的Block（或者使用Profile對Block 進行封裝）進行表示。為了區(qū)分代表功能組和功能的Block 與表示系統(tǒng)的Block，建議將其單獨使用包進行組織。主要使用塊定義圖（BDD）描述功能組和功能的分解結(jié)構(gòu)，功能組中的功能之間的數(shù)據(jù)流交互使用內(nèi)部塊圖（IBD）進行描述，功能流使用活動圖進行描述，功能交互使用順序圖進行描述，功能元素的動態(tài)行為模型使用狀態(tài)圖進行描述。表示功能Block 的Port 表示功能的信息流端口（主要是數(shù)據(jù)流或者事件流），連接Connection 用于表示功能（在IBD 圖使用Property 進行表示）之間的信息流連接關(guān)系[5]。

2.2 邏輯架構(gòu)建模實現(xiàn)

邏輯架構(gòu)建模主要是對復雜實時嵌入式系統(tǒng)的邏輯組成進行建模設(shè)計，使用邏輯組件的方式對系統(tǒng)組成進行表示，并將功能架構(gòu)中的功能分配到邏輯組件中。使用BDD 圖描述系統(tǒng)的分解組成關(guān)系，最頂層的Block 表示系統(tǒng)，其他的Block 表示邏輯組件（或子系統(tǒng)），Block上的Port 用于表示邏輯組件的數(shù)據(jù)交換端口，使用組成連接關(guān)系描述系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，邏輯組件可能會嵌套包含子邏輯組件。在邏輯架構(gòu)對應的包中新建一個描述數(shù)據(jù)交換端口的Interface 包，數(shù)據(jù)交換端口具體數(shù)據(jù)建模在BDD 圖中采用FACE Profile 進行。通過將邏輯組件的Port 的類型選擇為FACE 數(shù)據(jù)模型元素建立的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)FACE 數(shù)據(jù)模型和端口的關(guān)聯(lián)。使用IBD 圖對系統(tǒng)的頂層邏輯組件之間的交互關(guān)系以及每個頂層邏輯組件內(nèi)部的子組件之間和數(shù)據(jù)交互關(guān)系進行描述。連接Connector用于表示邏輯組件（用Property 表示）之間的數(shù)據(jù)連接。使用IBD 圖進行功能架構(gòu)中功能和邏輯架構(gòu)中邏輯組件之間的分配關(guān)系描述。在BDD 圖中將表示功能的Block 以Property 的形式拖入圖中，邏輯組件的Block 以同樣的方式拖入，使用Allocate 將功能分配到邏輯組件[6]。當模型比較復雜Allocate 關(guān)系較多時，可以使用追溯矩陣的形式描述功能到邏輯組件的分配關(guān)系。通過基于邏輯實體的狀態(tài)圖模型描述邏輯實體的動態(tài)行為，進行邏輯架構(gòu)的動態(tài)行為驗證。

2.3 物理架構(gòu)建模實現(xiàn)

物理架構(gòu)將引入MARTE，采用MARTE 中的元素具體的定義復雜實時嵌入式系統(tǒng)的軟硬件組成和分配關(guān)系。使用BDD 圖描述系統(tǒng)的分解組成關(guān)系，最頂層的Block表示系統(tǒng)，其他的Block 表示物理組件（或子系統(tǒng)），Block上的Port 用于表示物理組件的數(shù)據(jù)交換端口，使用組成連接關(guān)系描述系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。使用SysML Block 表示系統(tǒng)和子系統(tǒng)，使用MARTE 元素定義子系統(tǒng)的軟硬件組成。在Block 的內(nèi)部塊圖（IBD）中表示其內(nèi)部組成關(guān)系，其中，Property 若表示具體的軟硬件，則其類型應為定義好的MARTE 元素；若Property 表示子系統(tǒng)，則其類型為Block 定義的子系統(tǒng)類型。使用Allocate 描述MARTE元素間的軟硬件分配關(guān)系[7]，使用追溯矩陣描述邏輯架構(gòu)（邏輯組件）到物理架構(gòu)（使用MARTE 元素表示的軟硬件）之間的分配關(guān)系。

3 結(jié)語

研究總結(jié)形成一種嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的建模方法，其中嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)建模包括功能架構(gòu)建模、邏輯架構(gòu)建模和物理架構(gòu)建模。功能架構(gòu)的建模可以使用SysML描述嵌入式系統(tǒng)的組成以及給內(nèi)部功能的行為；邏輯架構(gòu)建模描述邏輯組件以及外部組件之間的交換信息則參考FACE 中的數(shù)據(jù)模型進行描述；物理架構(gòu)建模結(jié)合MARTE 可以對進行嵌入式硬件組成、執(zhí)行平臺特性建模，定義計算平臺以及嵌入式軟件綁定關(guān)系。基于復雜實時嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計過程中所使用的SysML、FACE、MARTE 都是標準的、成熟的國際系統(tǒng)工程標準，因此所提出的基于復雜實時嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法具備在數(shù)字技術(shù)環(huán)境中應用的價值，能夠指導復雜實時嵌入式系統(tǒng)進行架構(gòu)設(shè)計工作。