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AADL:嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言综述摘要：结构分析和设计语言(architecture analysis and design language)是嵌入式实时系统的一种体系结构描述语言标准，广泛应用于航空宇航工业中对安全关键应用系统模型的建模。
本文首先归纳了AADL的发展历程及其主要建模元素。
其次，介绍了模型检测方法的研究和应用，并就航电系统与模型检测方法做了研究和分析。
最后，探讨了AADL 模型转化为形式化模型，并用模型检测方法进行验证和分析的方法和可行性。
关键字嵌入式实时系统AADL 建模形式化方法模型验证1.引言嵌入式实时系统广泛应用于航空航天、汽车控制、机器人、等安全关键系统领域。
由于计算精度、实时响应的要求的提高，系统变得越来越复杂，如何设计与实现具有高可靠性、高质量的复杂嵌入式实时系统，同时有效的控制开发的效率和成本，成为学术界和工业界共同的话题。
模型驱动开发方法(model driven develop- ment，简称MDD)能够在早期阶段对系统进行分析与验证，有助于保证系统的质量属性，并有效控制开发时间与成本。
而质量属性是由系统体系结构决定的[1]。
因此，基于体系结构模型驱动(model-based architecture-driven)的设计与开发方法成为复杂嵌入式系统领域的重要研究内容。
其中一个重要的方面就是研究合适的体系结构描述语言。
常用的体系结构描述语言主要有UML(unifi-ed modeling language) 和ADL (architecture description language)。
UML侧重描述系统的软件体系结构，为了支持嵌入式实时系统的非功能属性分析，OMG(Object Management Group)先后定义了UML Profile for SPT(schedulability，perfor-mance，and time，简称SPT)[2]，UML Profile for Qos/FT(quality of service and fault tolerance，简称Qos/FT)[3]以及UML Profile MARTE(modeling and analysis of real-time and embedded sys-tems)[4]，它们继承了UML 的多模型多分析方法，因此模型之间可能存在不一致性；而C2，Darwin，Wright，Aesop，Unicon，Rapide 等ADL都是通用领域的软件体系结构描述语言，难以满足软硬件协同设计、实时响应、资源受限等特定需求;MetaH 是面向航空电子系统的ADL，可以用于嵌入式实时系统体系结构描述与分析，但MetaH 在支持运行时体系结构描述、可扩展、与其他ADL 兼容以及复杂系统设计等方面有所欠缺。
基于UML的嵌入式硬件系统模型研究
面向对象方法是当前计算机领域在系统建模方面最流行的一种设计方法，
它与传统的开发方法不同，把对象作为研究问题的核心，把事物从具体抽象为
一般，运用封装技术减少模块间的耦合度，有利于模块的重复利用，降低开发
成本。
UML 技术是当前系统开发中常用的面向对象技术，它吸取了面向对象
技术领域中其他流派的长处，同时也包括非面向对象的方法，是一种定义良好、
易于表达、功能强大且普遍适用的面向对象建模技术。
本文把该技术运用到嵌
入式硬件系统的描述中，通过分析、设计、实现，初步得到嵌入式硬件系统的
模型。
一、UML
UML（Unified Modeling Language，统一建模语言），是一套用来设计软硬件蓝图的标准图形化建模语言，也是一种可视化的面向对象模型分析语言[1]，它
使软、硬件系统的设计充分经历需求分析、全局设计、详细设计、实施部署等
阶段。
UML 是在Booch、Rumbaugh 和Jacobson 三人的共同努力下，于1996 年6 月统一了Booch、OMT(Object Modeling Technology，对象建模技术)和OOSE（Object-Oriented Software Engineering，面向对象软件工程）等方法得到的。
统一建模语言UML 主要由静态图和动态图来定义，常用的图形有9 种。
静态图分为：类图、部署图、组件图、对象图、用例图；动态图分为：序列图、
合作图、状态图、活动图。
整个UML 建模可分为概念级建模、逻辑级建模、
物理级建模三个过程，如图1。
图1 UML 建模过程
二、设计模式。
基于UML的嵌入式ATM系统软件模型基于UML的嵌入式ATM系统软件模型UML（Unified Modeling Language，统一建模语言），是一种面向对象的建模语言。
它的主要作用是帮助用户对软件系统进行面向对象的描述和建模，它可以描述这个软件开发过程从需求分析直到实现和测试的全过程，所以它在嵌入式系统中起到了很大作用。
本文将重点讨论如何在嵌人式系统软件设计中使用UML技术。
1统一建模语言UML及其集成1.1统一建模语言UML，UML起源于世界对象建模组织所颁布的一个标准，是一种图形化的语言，它支持模型化和系统开发技术。
也能够在产品开发过程中每个阶段提供模型化和可视化支持，所以UML又称作为建模语言。
1.2 UML的集成标准建模语言UML的重要内容可以由下列5类图来定义：第一类是用例图（use case diagram），从用户的角度描述系统功能，并指出各功能的操。
第二类是静态图（static diagram），包括类图、对象图和包图。
其中类图描述系统中类的静态结构。
对象图是类图的实例，使用与类图几乎完全相同的标识。
包图用于描述系统的分层结构。
第三类是行为图（behavior diagram），描述系统的动态模型和组成对象之间的交互关系，包括状态图和活动图。
其中状态图描述类的对象所有可能的状态以及事件发生时状态的转移条件。
而活动图描述满足用例要求所要进行的活动以及活动间的约束关系。
第四类是交互图（interactive diagram）描述对象间的交互关系，包括时序图和合作图。
前者是对象交互的顺序起强调作用。
后者是对象间的上下级关系起强调作用。
第五类是实现图（implementation diagram），包括组件图和配置图。
前者描述代码部件的物理结构及各组件之间依赖关系。
后者定义系统中软硬件的物理体系结构。
2 UML在ATM自动取款机系统设计中的应用2.1系统概述ATM自动取款机，是计算机控制的自动出纳系统。
1-软件工程与UML概述1软件工程与UML概述软件工程简介软件工程是一门涉及开发、设计、测试和维护软件的学科。
它涉及一系列原则、方法和工具，旨在提高软件的质量、效率和可靠性。
软件工程师使用系统化的、规范的方法来开发和维护软件系统，以提供满足用户需求的高质量软件解决方案。
UML简介UML（统一建模语言）是一种用于软件系统建模的图形化语言。
它是由OMG（对象管理组织）开发和维护的标准。
UML提供了一套丰富的图形符号，用于描述和可视化软件系统的结构、行为和交互关系。
UML图形包括用例图、类图、时序图、活动图等，它们可以帮助开发人员更好地理解和沟通软件系统的设计和功能。
软件工程与UML之间的关系软件工程是一种方法论，提供了一系列的原则、方法和工具来管理和开发软件系统。
而UML是一种用于可视化和描述软件系统的图形化语言。
两者之间有很强的关联和相互依赖关系。
在软件工程中，使用UML可以帮助开发者更好地理解和描述软件系统的设计思想和功能需求。
UML图形可以提供直观和可视化的表示，帮助开发者更好地沟通和交流。
通过使用UML，开发者可以更好地管理项目，进行需求分析和系统设计。
软件工程师在软件开发的不同阶段使用UML来支持其工作。
在需求分析阶段，软件工程师可以使用用例图来识别系统的需求和用户行为。
在系统设计阶段，类图和时序图可以帮助工程师对系统结构和行为进行建模和描述。
在编码和测试阶段，活动图和状态图可以帮助工程师理解系统的流程和交互行为。
通过使用UML和软件工程的方法，开发者可以更好地管理项目的规模、进度和资源。
UML提供了一种标准化的方法来描述和可视化软件系统，从而提高开发效率和质量。
UML的优点和应用UML作为一种标准化和通用的图形化语言，具有以下优点和应用：1. 提供了一种可视化和直观的方式来描述和沟通软件系统的设计和功能。
UML图形可以帮助开发者更好地理解和交流系统的架构和行为。
2. UML提供了一些丰富的图形符号，如用例图、类图、时序图等，可以用于不同的目的，如需求分析、系统设计、测试等。
0引言任务关键型系统是一种对实时性、可靠性和安全性等都有严格要求的系统，如应用在航空航天发动机管理系统、交通运输信号管理系统等。
所以，任务关键型系统的研发过程中应该采取何种技术或流程开发出高可靠性的系统产品也是业界研究和探讨的热点。
目前，基于模型驱动的软件开发方法因为可以提升和确保软件系统最终的质量，所以在业界得到了广泛的应用，同时业界也在探寻其他数学方式如形式化方法等来持续提升系统的可靠性、安全性等非功能属性。
B方法是一种面向模型的形式化需求方法，用伪代码描述系统需求模型，对系统原始需进行形式化描述。
结构分析与设计语言（ArchitectureAnalysis&Desing Language，AADL）被认为是基于模型驱动的嵌入式实时系统设计与实现的基础，可以对任务关键系统进行设计建模。
为了确保任务关键系统的模型满足系统的原始需求，本文提出了一种基于形式化B方法生成AADL模型的方法，在需求阶段采用形式化的B方法描述系统的需求，通过构建B 方法与AADL的语法映射规则，由B方法形式化需求描述生成相应的AADL模型，从而确保AADL设计模型的正确性。
后续可以使用模型驱动的测试方法，基于AADL模型生成测试用例对系统直接开展验证，从而基于模型保证需求描述到测试用例的自动转换，减小对需求理解的偏差，提升和保证测试用例对需求覆盖的精确性、全面性。
1相关技术1.1B方法形式化方法是指建立在严格数学基础上的软件开发方法。
在软件开发过程中，从需求分析、规格说明、设计、编程、系统集成、测试、文档生成直至维护的各阶段，凡是采用严格的数学语言、具有精确的数学语义的方法都称为形式化方法［1］。
B方法是一种基于模型的软件构造方法，类似于VDM（Vienna Development Method）和Z（一种基于一阶谓词逻辑和集合论的形式规格说明语言）［2］。
B语言支持规格说明，并且支持继规格说明之后所有的精化和设计步骤［3］。
软件工程中的物联网与嵌入式系统物联网和嵌入式系统是当今软件工程领域中非常重要的概念和技术。
它们的结合与应用为我们的生活带来了巨大的便利和改变。
本文将探讨物联网和嵌入式系统在软件工程中的作用与挑战。
一、物联网的概述物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过互联网连接、通信和共享数据的一系列设备、传感器和物体组成的系统。
物联网的基本构成包括感知层、网关层、网络层和应用层。
感知层通过各种传感器和设备获取环境数据，网关层进行数据的处理和传输，网络层负责数据的传递和通信，应用层实现各种功能和应用。
二、嵌入式系统的概述嵌入式系统（Embedded System）是指内嵌在其他设备或系统中，以完成特定任务的计算机系统。
它通常包括处理器、内存、输入输出接口、操作系统和应用软件等组成部分。
嵌入式系统广泛应用于各个领域，例如智能手机、智能家居、汽车电子等。
三、物联网与嵌入式系统的关系物联网和嵌入式系统之间存在着密不可分的联系与依赖。
物联网借助嵌入式系统实现设备的感知、数据的处理和通信的能力。
嵌入式系统为物联网提供硬件支持和计算能力，并负责将各种传感器和设备与物联网相连接。
可以说，嵌入式系统是物联网的基础与关键。
四、物联网与嵌入式系统的应用物联网和嵌入式系统在各个行业和领域都有着广泛的应用。
例如，在智能家居领域，通过连接嵌入式系统的各种设备和传感器，我们可以实现灯光、温度、安防等的智能控制和管理。
在智能交通领域，嵌入式系统可以实现车辆的自动驾驶和交通管理等功能。
五、物联网与嵌入式系统的挑战随着物联网和嵌入式系统的快速发展，也面临着一些挑战和问题。
首先是安全和隐私问题，由于物联网连接了大量的设备和传感器，网络的安全和隐私保护成为了重要的议题。
其次是系统的稳定性和可靠性，嵌入式系统的错误或故障可能导致物联网系统的崩溃或数据的丢失。
还有就是标准和协议的统一性，物联网涉及到多个厂商和设备，需要制定一套统一的标准与协议。
UML软件分析与建模技术在嵌入式指纹门禁系统中的应用研究嵌入式系统的开发是一个软硬件协同设计过程，它需要不同技术背景的人共同开发．而传统的嵌入式软件分析与设计方法严重脱节，开发过程没有—个确定的统一的标准，这使得产品形成的每一个过程人为因素影响严重．此外，分析设计的结果不能在开发类似项目或产品时重用．以上几个问题成为多年来制约嵌入式系统发展的主要瓶颈，使得大部分嵌入式软件的开发工作变得十分困难甚至无法进行．作为面向对象建模技术的标准，UML适合于将复杂的系统设计问题简单化．它采用面向对象图形的方式对系统进行描述，支持从分析、设计到建模的全过程．按照UML规范，使用CASE工具Ra ti onal Ros e对嵌入式系统建模，不仅可以使系统分析设计实现标准化，而且将UML分析建模的构建方法和相应的集成和测试策略结合在一起，完全可以实现系统分析、设计和制作、测试分别由不同的项目成员在统一、一贯的方式下完成，这将会使高质量的嵌入式系统的开发变得更为容易．1、指纹门禁系统需求分析目前，将指纹识别技术应用到各种需要身份验证的系统或者嵌入到原有的大量保安系统，会大大提高系统的安全性和便捷性．本文中，设计了一个嵌入式指纹门禁系统，它使用指纹识别技术来验证用户身份，并提供了一套完整的软硬件来实现门禁系统的日常管理．主要包括：用户信息注册、删除、查询、指纹比对、门禁控制和监视以及日志管理等．针对嵌入式指纹门禁系统的复杂性，在本系统的开发中，按照UML规范，采用基于UML的嵌入式软件分析与建模方法，使用CASE工具 Rational R0 绘制了各种模型图，从不同的层次和角度为系统的分析、设计、验证以及实现过程提供支持，详细讨论了如何使用UML辅助完成整个系统的开发．1．1 系统功能需求建模过程首先应该从系统中的类开始，为了理解类的结构，需要对系统及其工作过程做一个总体陈述．经分析，该系统包含一个电动门、一个指纹传感器、一个微处理器、一个存储指纹库的存储系统、一个数字键盘、一个十字型按键、一个液晶显示屏、一个电动门以及两个状态灯．系统从指纹传感器中获取指纹数据，并在微处理器中进行预处理和特征提取，获取指纹的生物代码信息，并与指纹库中注册用户的指纹模板进行匹配算法的验证，并输出结果，通过状态灯显示，同时根据匹配结果发送控制信号控制门的开关．通过对系统及类做进一步分析可得到系统总的类图如图1所示．通过这幅图我们可以得知系统中所包含的基础类及其相互之间的关系，为后文动态模型的建立奠定了基础．图1 指纹门禁系统类图1．2 用例说明通过对系统的需求分析，我们确定了该系统需要实现的功能．那么如何形象化地描述这些功能，以便使我们更好地与用户沟通，更准确地了解他们的需求呢？这就要使用UML的用例模型．在UML中，用例可以被描述为参与者与系统之间的一次交互作用．每一个用例都是一种不同的使用系统的方法，都会产生不同的结果．而角色是与系统交互的对象，它是使用该系统的人或者其它系统．用例图列出了用户最想要的功能以及每个功能的描述．经分析，本系统的用例图如图2所示．图2 指纹门禁系统用例图从图中我们可以明确地了解到系统的功能需求．该系统主要有两类用户：普通用户和管理员．“启动系统”用例表明系统初始化时要进行传感器和微处理器等的自检．进入正常工作状态以后，普通用户可以通过“身份验证”用例进行指纹验证．如果是未注册用户则在获得合法II）的前提条件下，通过“注册”用例注册自己的相关信息．系统提供的“开／关门”用例则主要是根据指纹匹配结果，通过信号线将控制信号传输给门的驱动电动机以此来控制门的开关．管理员主要负责系统维护，可以使用“注册”、“查找”和“删除”等用例进行信息管理操作．由于在该阶段我们对系统还没有充分理解，同时为了控制用例的数目，在这里我们只是给出了系统的总体用例模型，在随后的详细设计阶段我们可以对这些用例进行进一步的细化以精化系统的需求．2、指纹门禁系统设计需求分析完成以后，可以依据分析结果和所建立的模型图进一步指导系统的设计．系统设计主要包括了用例详细设计、类设计、数据模型设计等．2．1 用例详细设计详细设计阶段需要对系统需求中的每个用例进行详细的分析，并以一种通用的表示来文档化，以便使开发人员更清晰得了解每个用例的具体实现过程．本文以指纹验证用例为实例，对该用例进行更进一步的详细分析，它包含了指纹采集、预处理、图像增强、细化、二值化处理、特征码提取、比对、结果输出等过程，这些过程都可以通过文档清晰地表示．我们在描述系统用例时，是从用户角度出发的，没有涉及系统内部．通过分析得到满足系统需求的类之后，便可根据用例驱动的思想，通过类之间的交互来实现用例．嵌入式系统一般都要与硬件设备如传感器等进行交互，同时还有很强的时间和内存空间的约束．交互图就是用来描述对象间的动态交互行为的，它一步步地显示了使用案例的流程．在UML中定义了两种交互框图：顺序图和合作图．这两种框图显示同一信息，但组织方式不同．顺序图按时间排序，依次显示对象间进行的操作；合作图则以数据流为中心，显示各个对象间的数据交换情况．由于顺序图能更好地说明对象间的交互顺序，有利于我们理解系统，所以本文以“指纹验证”用例的顺序图（见图3）为例来描述对象之间的交互过程．其它用例都可以采用此种方法来详细说明，以便我们更清晰地了解系统每个功能（用例）的具体实现过程．图3 指纹验证用例顺序图2．2 类设计UML规范按照类职责不同将系统设计类分为边界类、实体类和控制类．其中实体类是系统运行的数据基础类，也是类设计的核心部分．按照RUP的思想，采用名词分析法对系统需求进行分析，便可以得到大部分的实体类．对于指纹门禁系统而言，指纹信息数据是系统的核心数据，同时，一些相关的管理信息也是实体类的组成部分，主要有用户信息、系统13志等等．在这里我们只对系统中两个主要类进行分析，如下表格1，2所示．表1 指纹图象FingerImage实体类表2 指纹特征Finge rf eature实体类2．3 数据库模型设计完成实体类的分析与设计之后，可建立其数据库模型．在本系统中采用Pc 机与嵌入式处理器之间的通信来管理相应的数据，因此PC机上数据管理系统的数据库模型设计如下图4所示．数据库表组成包括注册用户管理、被鉴定人信息、指纹特征数据和日志管理，数据库中表结构字段的描述与上文实体类成员变量的结构是相对应的．例如：注册用户信息由RegisterUse rs表组织，设置的字段有：用户ID、姓名、用户级别等；指纹图像数据表Fin- gerimage设置的字段有：图像名称、图像保存路径、图像特征数、图像宽度、高度等；指纹特征数据表FingerFeature设置的字段有：ID、注册用户指纹特征、被鉴定人指纹特征、指纹特征数等，完全可以满足系统的需求．图中其它各表的详细数据项描述可根据实际的需要来设计，在此不作过多举例说明．各个表间的连线表示数据表约束，例如：RegisterUs-ers表和W or klog表之间的对应关系为一个注册用户可以对应多条日志记录．同时，RegisterUsers表的主键用户 ID）是表WoALog的外键，图中其他依赖关系表示含义相同．3、指纹门禁系统实现与集成测试通过反复迭代上述建模及模型验证过程，便可建立起整个系统的正确模型．建模工作流完成以后便是系统的实现阶段，此阶段主要进行下列工作：（1）实现平台的选择①硬件的设计与实现本系统硬件平台采用SAMSUNG公司的S3C2410开发板设计实现，CPU采用，S3C2410A ARM920T．②系统软件的设计与实现ARM应用软件的开发需要交叉编译环境，而在Windows平台下常用的ARM SD T调试器提供了一个集成开发环境］DE，可以在一台Pc机上完成编辑、编译、链接、下载和调试等工作．开发工具安装之后，可以用ARM Project Manager来生成一个自己的工程，并在ARM Debuggefor Windows下进行调试．因此，本系统的指纹图像处理及匹配算法采用V C语言在IDE中实现。
UML分析模型与设计模型的关系与对比解析在软件开发领域，UML（统一建模语言）是一种常用的工具，用于描述、设计和分析软件系统。
在使用UML进行软件开发过程中，分析模型和设计模型是两个重要的概念，它们之间有着密切的关系。
本文将对UML分析模型和设计模型的关系进行解析，并进行对比分析。
一、UML分析模型的概念与作用UML分析模型是对问题领域进行描述和分析的模型。
它主要关注的是系统的需求、功能和行为等方面。
通过使用UML的各种图形和符号，可以对系统进行建模，从而更好地理解和分析系统的需求和功能。
UML分析模型的作用有以下几个方面：1. 系统需求分析：通过UML分析模型，可以对系统的需求进行详细的分析和描述，包括功能需求、性能需求等。
这有助于开发团队更好地理解和满足用户的需求。
2. 系统行为分析：UML分析模型可以描述系统的行为，包括用例图、活动图等。
通过这些图形，可以清晰地展示系统的各种行为，帮助开发团队更好地理解系统的运行流程。
3. 系统结构分析：UML分析模型可以描述系统的结构和组成部分，包括类图、对象图等。
通过这些图形，可以清晰地展示系统的各个组成部分之间的关系，有助于开发团队更好地设计和实现系统。
二、UML设计模型的概念与作用UML设计模型是对软件系统进行设计和实现的模型。
它主要关注的是系统的结构和实现细节等方面。
通过使用UML的各种图形和符号，可以对系统进行详细的设计和实现。
UML设计模型的作用有以下几个方面：1. 系统结构设计：通过UML设计模型，可以对系统的结构进行详细的设计，包括类的设计、接口的设计等。
这有助于开发团队更好地组织和管理系统的各个组成部分。
2. 系统行为设计：UML设计模型可以描述系统的行为，包括状态图、序列图等。
通过这些图形，可以清晰地展示系统的各种行为，有助于开发团队更好地设计和实现系统的功能。
3. 系统实现细节设计：UML设计模型可以描述系统的实现细节，包括类的属性和方法等。
软件工程领域中的物联网和嵌入式系统在当今科技快速发展的时代，物联网（Internet of Things，简称IoT）和嵌入式系统是软件工程领域的两个重要方向。
物联网和嵌入式系统的出现和发展，为我们的日常生活、工业生产以及城市管理等方面带来了巨大的变化和便利。
本文将重点介绍软件工程领域中的物联网和嵌入式系统的特点、应用和挑战。
一、物联网的特点物联网是一个将各种物理设备与互联网相连接的系统，通过无线通信和传感技术，实现了各类设备之间的互联互通。
物联网具有以下几个主要特点。
1. 大规模连接：物联网可以实现大规模设备的连接和交互。
无论是家庭中的智能家居设备，还是工业场景中的智能生产设备，都可以通过物联网实现互联互通。
2. 实时数据传输：物联网可以通过传感器收集设备所需的实时数据，并将数据传输到云端进行处理和分析。
基于实时数据的分析，可以实现智能化的决策和操作。
3. 智能化应用：物联网可以应用于诸多领域，如智能家居、智慧医疗、智慧交通等。
通过物联网技术，可以实现设备的远程控制和智能化管理。
4. 安全和隐私：物联网面临着安全和隐私保护等挑战。
由于涉及到大规模的设备连接和数据传输，物联网必须采取相应的安全措施，保护用户的数据和隐私。
二、物联网的应用物联网的应用场景十分广泛，包括家庭、交通、医疗、环境监测等方面。
以下是一些典型的物联网应用案例。
1. 智能家居：通过物联网技术，家庭中的各类设备可以互联互通，实现远程控制和自动化管理。
例如，智能家居可以通过手机控制电灯、空调、窗帘等设备的开关和调节。
2. 智慧交通：物联网可以应用于交通系统的智能化管理，包括交通信号控制、智能停车等。
通过实时数据的采集和分析，交通系统可以更加高效地运行，减少拥堵和事故的发生。
3. 智慧医疗：物联网可以实现医疗设备、患者信息等的互联互通。
通过传感器和无线通信技术，可以实时监测患者的生理参数，提供更加精准的医疗服务。
4. 环境监测：物联网可以用于环境参数的监测和分析。
软件工程中的物联网与嵌入式系统在软件工程领域中，物联网和嵌入式系统是两个重要的概念和技术。
物联网（Internet of Things，简称IoT）指的是通过互联网将各种物理设备和对象连接起来，使其能够相互沟通和共享信息的网络。
而嵌入式系统指的是嵌入到其他设备或系统中，具有特定功能的计算机系统。
本文将探讨物联网与嵌入式系统在软件工程中的应用和发展趋势。
一、物联网与嵌入式系统的基本概念和特点物联网作为信息技术的重要领域，与嵌入式系统密切相关。
物联网通常由传感器、通信设备、数据处理单元和应用软件等组成，它可以实现各种设备之间的互联互通，使日常生活中的各种物品都成为互联网的一部分。
而嵌入式系统是集成了各种硬件和软件的计算机系统，常见的应用包括智能手机、家电、车载导航系统等。
嵌入式系统的特点是紧密集成在其他系统中，对实时性和可靠性要求较高。
二、物联网与嵌入式系统的应用领域1. 智能家居物联网和嵌入式系统的结合在智能家居领域有着广泛的应用。
通过将家庭中的各种设备和系统连接到互联网，可以实现对灯光、空调、门锁等设备的智能控制和远程管理。
这不仅提高了家庭的舒适度，还提供了更加方便和高效的生活方式。
2. 工业自动化在工业领域，物联网和嵌入式系统的应用也非常突出。
通过连接生产设备、仓储系统和物流系统等，可以实现工业生产的自动化管理和智能化控制。
物联网和嵌入式系统的应用可以大大提高生产效率和产品质量，并减少人力资源的浪费和损失。
3. 健康医疗物联网和嵌入式系统在健康医疗领域也有广泛的应用。
通过在医疗设备和病人身上嵌入传感器和通信设备，可以实时监测病人的生理指标和健康状况，并将数据传输到云端进行分析和处理。
这样可以及时发现疾病的迹象，并提供个性化的医疗服务。
4. 城市管理物联网和嵌入式系统的应用还可以扩展到城市管理领域。
通过连接城市中的各种设备和设施，可以实现智慧交通、环境监测、公共安全等方面的管理。
同时，通过数据分析和智能决策，可以提高城市的管理效率和服务水平。
嵌入式系统软件度量方法比对嵌入式系统软件度量方法比较嵌入式系统是一种特定类型的计算机系统，通常用于控制和监测各种设备和系统。
这些设备可以包括汽车、手机、医疗设备、嵌入式计算机等等。
由于这些系统通常是实时和关键的，因此嵌入式软件必须在严格的质量控制下开发和测试。
而嵌入式软件度量方法正是一种质量控制方法，其可以用于对软件进行评估、比较和改进。
本文将介绍和比较几种常见嵌入式软件度量方法，其中包括静态代码分析、代码复杂度分析、测试覆盖率分析、性能分析和错误分析。
一、静态代码分析静态代码分析是一种通过分析源代码来进行软件质量评估的方法。
这种方法的主要目的是发现代码中的潜在问题和缺陷。
它不需要运行软件，只需要分析代码本身。
静态代码分析对于嵌入式软件来说非常重要，因为一些潜在问题可能在运行时不易被暴露出来。
静态代码分析可以在开发周期的早期阶段发现这些问题，并且有助于提高软件的可靠性和可维护性。
静态代码分析的优点是：1. 可以在不运行软件的情况下发现潜在的问题；2. 可以在早期发现缺陷，并提供准确的指导，从而减少后期成本。
静态代码分析的缺点是：1. 容易产生伪警告，即看起来像是缺陷，但实际上并非问题；2. 可能无法发现某些类型的问题，例如运行时错误。
二、代码复杂度分析代码复杂度分析是一种用于评估代码复杂度的方法。
它通过分析源代码中的控制结构、循环和条件语句等来计算出代码的复杂度。
代码复杂度分析可以帮助开发人员更好地理解代码，并在设计和检查代码时发现潜在问题。
代码复杂度分析的优点是：1. 可以更好地理解代码；2. 可以帮助发现可能存在的缺陷和问题。
代码复杂度分析的缺点是：1. 可能会低估某些类型的缺陷或问题；2. 对于大型和复杂的代码库可能不太适用。
三、测试覆盖率分析测试覆盖率分析是一种用于评估测试用例覆盖程度的方法。
它通过分析测试用例中涉及的代码行数、函数和模块，以及测试用例执行中的错误处理是否完整来计算覆盖度。
基于建模语言UML的嵌入式系统模型验证技术的研
究
摘要：统一建模语言UML在嵌入式系统设计建模中已经获得了广泛的认可，能对复杂嵌入式系统建模，并有很多成功的应用，但UML 是一种半形式化语言，存在时间约束描述能力不强和所建模型形式化复杂。
验证难度大等问题.针对上述问题，本文提出了采用实时UML 对嵌入式系统UML状态图进行建模;然后用状态- 约束- 事件矩阵方法来对模型进行形式化描述;最后利用SPIN 对模型进行验证。
该方法解决了UML在嵌入式系统建模和形式化验证过程中出现的问题，应用实例和结果证明了该方法的有效性和可行性。
0 引言
随着对嵌入式系统复杂性和应用需求的无限增加，其系统软件开发的工作量剧增。
统一建模语言UML已在嵌入式系统建模中得到广泛应用.UML能够直观易懂的描绘出系统的需求.功能.结构及相应的行为，另外，使用UML 有助于企业相互交流，克服沟通障碍。
然而在该领域还存在一定问题，首先UML 对时间约束描述能力不强;其次UML 为非形式化语言，其所建模型形式化转换复杂.目前已有解决办法：使用UML的扩展机制;使用分析模式.然而扩展机制是建模人员自己定义的，容易增加UML 整体的复杂性;形式化转换复杂，需要特殊工具支撑。
为了更好的解决上述问题，论文采用实时UML 对嵌入式系统建模; 状态- 约束- 事件矩阵方法对模型进行形式化描述;最后利用SPIN对模型进行分析和验证。
1 实时UML 描述嵌入式系统。
基于UML建模技术的嵌入式软件开发研究的开题报告一、研究背景随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式软件的开发越来越复杂。
嵌入式系统一般具有实时性、可靠性和安全性等高要求。
为了满足这些要求，嵌入式软件应该具有极高的可靠性，同时也要保证其开发成本和周期的可控性。
目前，嵌入式软件开发采用模块化结构设计，但模块之间交互复杂，导致嵌入式软件的开发难度很大。
基于UML（Unified Modeling Language）建模技术的嵌入式软件开发，可以提供更为精细的设计和更高的可靠性，同时也提高了整个系统的可维护性和可重用性。
UML能够清楚地描述嵌入式软件系统的静态结构和动态行为，既可以帮助开发人员进行整体把握，又可以详细展示各个部分之间的交互与协作，有助于开发人员更好地理解需求、设计功能和实现代码。
二、研究内容与目标本次研究的主要内容是研究嵌入式软件开发中基于UML建模技术，特别是采用UML2.1对嵌入式软件的建模方法。
同时，结合软件工程的方法论，实现了嵌入式软件系统的设计、开发与测试，并进行实际应用验证。
具体研究目标如下：1.通过UML建模工具对嵌入式软件进行建模分析，包括功能要求、性能要求和接口规范等；2.通过UML建模工具进行嵌入式软件的静态和动态建模，包括系统结构、组件设计和交互设计；3.构建嵌入式软件开发环境，使用经典软件工程方法，包括需求分析、设计、编码和测试等；4.利用实际案例验证嵌入式软件基于UML建模技术的设计开发与应用效果。
通过本次研究，可以实现对UML建模技术在嵌入式软件开发中的适用性评估，进一步为嵌入式软件开发提供更好的解决方案。
三、研究方法与计划本次研究主要采用如下研究方法：1.文献研究：通过查阅相关文献和调查现有技术以及研究工具，了解嵌入式软件开发的最新进展和在UML建模中的应用现状。
2.系统设计：基于研究文献和调研结果，对基于UML建模技术的嵌入式软件开发进行系统设计和构建。
3.系统测试：对构建的软件系统进行测试，包括功能验证、性能验证以及可靠性验证等。
基于UML的嵌入式系统系统级设计方法研究随着微电子技术和超大规模集成电路的高速发展,嵌入式系统的规模越来越大,硬件部分的异构程度和软件部分的功能复杂程度都达到了历史最高点。
在更高的设计复杂度和更短的面市时间压力下,提高抽象层次,采用软硬件协同设计方法,进行系统级设计已成为解决问题的有效途径。
模型驱动构架(MDA)是目前软件工程领域内重要的战略方向,它以若干的标准定义了一个软件开发框架。
UML模型是MDA中的核心任务,整个开发过程以系统的建模行为为驱动。
比较MDA与嵌入式系统软硬件协同设计方法可以发现,它们在任务和目标上非常一致,如系统软硬件无关的统一建模,系统综合和验证等等。
嵌入式系统的设计方法一直和软件开发方法保持相对的距离,本文尝试在嵌入式系统设计中融合先进的软件工程成果,促进嵌入式系统设计方法的新发展。
本文的重点是基于UML的嵌入式系统系统级设计方法研究。
主要围绕模型驱动构架(MDA),研究嵌入式系统的平台无关模型(PIM),平台相关模型(PSM),模型转换方法,以及模型验证等方面。
论文主要进行了以下四个方面的工作: 1) 以UML2.0版本的最终草案为依据,对UML和采用面向对象技术的实时嵌入式系统建模进行了介绍。
提出以MDA 为主要框架的嵌入式系统设计新流程,该流程的主要特点是:以UML模型为系统的主要设计模型,分别包括平台无关和平台相关两种不同抽象层次的模型,从而有效分离系统功能和实现描述;系统综合通过自动化的模型变换来实现,因此能够提高开发效率,支持设计空间的快速搜索。
2) SystemC语言通过扩展C++类库来提供对系统硬件结构的描述能力,且支持从寄存器级到系统级等不同的抽象层次,是目前重要的嵌入式系统级设计语言之一。
本文采用它作为系统实现的目标平台语言,一方面用来对系统目标平台的特定软硬件结构进行描述,另一方面用来表示系统综合后的系统实现。
扩展的UMLforSystemC语言是MDA中平台相关建模的基础,也是实现自动化模型变换的(系统综合)的重要形式化基础。
ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@Journal of Software, Vol.21, No.5, May 2010, pp.899−915 doi: 10.3724/SP.J.1001.2010.03700 Tel/Fax: +86-10-62562563© by Institute of Software, the Chinese Academy of Sciences. All rights reserved.∗复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言:AADL杨志斌1+, 皮磊2, 胡凯1, 顾宗华3, 马殿富11(北京航空航天大学计算机学院,北京 100191)2(Toulouse Institute of Computer Science Research, Toulouse, France)3(浙江大学计算机科学与技术学院,浙江杭州 310027)AADL: An Architecture Design and Analysis Language for Complex Embedded Real-TimeSystemsYANG Zhi-Bin1+, PI Lei2, HU Kai1, GU Zong-Hua3, MA Dian-Fu11(School of Computer Science and Engineering, BeiHang University, Beijing 100191, China)2(Toulouse Institute of Computer Science Research, Toulouse, France)3(College of Computer Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)+ Corresponding author: E-mail: kenney@Yang ZB, Pi L, Hu K, Gu ZH, Ma DF. AADL: An architecture design and analysis language for complexembedded real-time systems. Journal of Software, 2010,21(5):899−915. /1000-9825/3700.htmAbstract: This paper firstly presents a summary of AADL (architecture analysis and design language), includingits progress over the years and its modeling elements. Then, it surveys the research and practice of AADL from amodel-based perspective, such as AADL modeling, AADL formal semantics, model transformation, verification andcode generation. Finally, the potential research directions are discussed.Key words: complex embedded real-time system; system architecture; model driven; AADL (architecture analysis anddesign language)摘要: 首先归纳了AADL(architecture analysis and design language)的发展历程及其主要建模元素.其次,从模型驱动设计与实现的角度综述了AADL在不同阶段的研究与应用,总结了研究热点,分析了现有研究的不足,并对AADL的建模与分析工具、应用实践进行了概述.最后,探讨了AADL的发展与研究方向.关键词: 复杂嵌入式实时系统;系统体系结构;模型驱动;AADL(architecture analysis and design language)中图法分类号: TP311文献标识码: A复杂嵌入式实时系统广泛应用于航空电子、航天器、汽车控制等领域,这些系统具有资源受限、实时响应、∗Supported by the National High-Tech Research and Development Plan of China under Grant Nos.2007AA01A127, 2006AA01Z19A(国家高技术研究发展计划(863)); the Aviation Science Foundation of China under Grant Nos.20081951027, 2007ZC51032,20060151003 (航空科学基金); the RGC CERG of Hong Kong of China under Grant No.613506 (香港研究资助局面上项目); theTOPCASED Project in France (法国TOPCASED项目)Received 2009-01-08; Revised 2009-04-27; Accepted 2009-07-09900 Journal of Software软件学报 V ol.21, No.5, May 2010容错、专用硬件等特点,对实时性、可靠性等性质有较高的要求,文献[1]称其为性能关键系统(performance critical systems,简称PCS).由于计算精度、实时响应的要求,这类系统变得越来越复杂,如何设计与实现高质量的复杂嵌入式实时系统,并有效控制开发时间与成本,是学术界和工业界共同面临的难题.模型驱动开发方法(model driven development,简称MDD)能够在早期阶段对系统进行分析与验证,有助于保证系统的质量属性,并有效控制开发时间与成本.而质量属性是由系统体系结构决定的[1].因此,基于体系结构模型驱动(model-based architecture-driven)的设计与开发方法成为复杂嵌入式系统领域的重要研究内容.其中一个重要的方面就是研究合适的体系结构描述语言.常用的体系结构描述语言主要有UML(unified modeling language)和ADL(architecture description language).UML侧重描述系统的软件体系结构,为了支持嵌入式实时系统的非功能属性分析,OMG(Object Management Group)先后定义了UML Profile for SPT(schedulability, performance, and time,简称SPT)[2],UML Profile for Qos/FT(quality of service and fault tolerance,简称Qos/FT)[3]以及UML Profile MARTE(modeling and analysis of real-time and embedded systems)[4],它们继承了UML的多模型多分析方法,因此模型之间可能存在不一致性;而C2,Darwin,Wright,Aesop,Unicon,Rapide等ADL都是通用领域的软件体系结构描述语言,难以满足软硬件协同设计、实时响应、资源受限等特定需求;MetaH是面向航空电子系统的ADL,可以用于嵌入式实时系统体系结构描述与分析,但MetaH在支持运行时体系结构描述、可扩展、与其他ADL兼容以及复杂系统设计等方面有所欠缺.2004年,美国汽车工程师协会SAE(society of automotive engineers)在MetaH,UML的基础上,提出嵌入式实时系统体系结构分析与设计语言AADL(architecture analysis & design language)[5],并发布为SAE AS5506标准,目的是提供一种标准而又足够精确的方式,设计与分析嵌入式实时系统的软、硬件体系结构及功能与非功能性质,采用单一模型支持多种分析的方式,将系统设计、分析、验证、自动代码生成等关键环节融合于统一框架之下.AADL具有语法简单、功能强大、可扩展的优点.由于具有广阔的应用前景,AADL得到了欧美工业界,特别是航空航天领域(如Airbus,Lockheed Martin,Rockwell Collins,Honeywell,Boeing)的支持;CMU(Carnegie Mellon University),MIT(Massachusetts Institute of Technology),UIUC(University of Illinois at Urbana- Champaign),Pennsylvania大学,NASA以及法国IRIT(Toulouse Institute of Computer Science Research),INRIA, Verimag等研究机构对AADL展开了深入研究与扩展.TOPCASED[6],SPICES[7],AVSI-SAVI[8]等是欧美工业界和学术界共同参与的AADL重大研究项目,涉及AADL标准扩展、建模工具、形式语义、验证、可靠性分析、可调度分析以及自动代码生成等方面的研究,这些也是目前AADL的研究热点.AADL被认为是基于模型驱动的嵌入式实时系统设计与实现的基础,但AADL还有很多问题需要进一步研究与完善.本文试图从模型驱动设计与开发的角度,综述近几年AADL的研究成果,剖析一些重要概念,如执行模型(execution model),总结研究热点以及分析现有研究的不足.第1节简介AADL的发展历程及其建模元素.第2节分述AADL语言的研究、基于AADL的建模方法、AADL模型的验证与分析以及基于AADL模型的自动代码生成等内容.第3节介绍AADL现有的建模与分析工具.第4节概述AADL的应用实践.最后讨论AADL可能的研究发展方向.1 AADL简介1.1 AADL发展历程AADL创始人Peter H. Feiler和Bruce A. Lewis总结了AADL的发展历程[1],提出AADL是在MetaH,ADL 以及商业建模语言UML和HOOD(hierarchical object-oriented design)[9]的基础上发展起来的.1991年,在美国DARPA计划DSSA(domain specific software architectures)项目支持下,Honeywell 实验室提出体系结构描述语言MetaH,专用于航空电子、飞行控制等系统的体系结构描述与分析.到1999年,学术界和工业界对MetaH进行了大量研究与应用,如支持多处理器系统建模、Ada95和POSIX中间件配置、MetaH-ACME的转换、可靠性建模等.2001年,SAE提出基于MetaH定义一个航空电子体系结构描述语言标准,即Avionics Architecture杨志斌 等:复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言:AADL 901 Description Language(AADL),支持描述标准的航空电子控制与数据流机制及实时、容错、安全等非功能性质.2004年,AADL 标准化得到了进一步的扩展.SAE,CMU,Honeywell 等共同提出建立嵌入式实时系统体系结构描述语言标准,并正式命名为Architecture Analysis & Design Language(AADL).2004年11月,发布了AADL1.0版本,以文本的形式给出核心语言的语法和语义.2006年发布了一些扩展附件(annex),如Graphical AADL Notation Annex [10],AADL Meta model and XML/XMI Interchange Format Annex [10],Error Model Annex [10], Behavior Annex [11],UML Profile Annex.2009年1月发布了AADL 2.0版本[12].1.2 AADL 建模元素AADL 通过构件、连接等概念描述系统的软、硬件体系结构;通过特征、属性描述系统功能与非功能性质;通过模式变换(mode change)描述运行时体系结构演化;通过用户定义属性和附件支持可扩展;对于复杂系统建模,AADL 通过包(package)进行组织.AADL 提供了3种建模方式:文本、XML 以及图形化.如图1所示,本文以汽车巡航控制系统(cruise control system)的AADL 模型为例,介绍AADL 的基本建模元素.Speed DisplayCommandSpeedVoltage ThrottleVoltageRequired speedActual speed Tours per periodSpeed SpeedVoltage Tour Event port connection Data port connection CruiseProcess20Hz 50Hz 100Hz 20Hz SpeedBus WheelProcess MemoryProcessor Tours per period Tour CruiseSystemWheelFig.1 Graphic AADL model of an automotive cruise-control system图1 汽车巡航控制系统的AADL 图形化模型(1) 构件种类AADL 定义了3类构件:软件构件、执行平台构件以及系统构件.软件构件用于软件体系结构建模,包括数据(data)、线程(thread)、线程组(thread group)、进程(process)、子程序(subprogram)构件;执行平台构件用于硬件体系结构建模,包括处理器(processor)、虚拟处理器(virtual processor)、存储器(memory)、总线(bus)、虚拟总线(virtual bus)、外设(device)构件;系统构件组合所有的构件,层次化地建立系统的体系结构.在图1中,采用系统构件(CruiseSystem)、进程构件(WheelProcess,CruiseProcess)、线程构件(Wheel,Throttle,Speed,Command, Display)、处理器构件、存储器构件以及总线构件构造系统的体系结构模型.902 Journal of Software软件学报 V ol.21, No.5, May 2010(2) 构件描述AADL构件被定义为两部分:类型(component type)和实现(component implementation).一个构件拥有一个类型以及对应的0个、1个或多个实现.构件类型描述对外的功能接口(输入输出端口等).构件实现则描述构件的内部结构(子构件、连接等),例如,进程构件CruiseProcess由4个线程子构件及其连接来实现.构件类型和实现都是可继承的.(3) 构件特征特征(feature)是构件类型定义的一部分,用于描述构件的对外接口,主要包括4类:端口、子程序、参数以及子构件访问.端口用于定义构件之间的数据、事件交互接口,分为数据、事件、数据事件端口,图1中主要采用了数据和事件端口进行交互.子程序用于定义子程序共享访问接口,分为子程序访问者(required subprogram access)和子程序提供者(provides subprogram access),前者表示需要访问其他构件内部的子程序,后者表示提供子程序给其他构件来访问,可以支持远程子程序调用.参数用于定义子程序被访问时输入、输出的合法数据类型.子构件访问分为数据构件访问和总线构件访问,前者用于共享数据或共享资源描述,后者用于硬件平台构件之间的连接.(4) 连接、流AADL采用连接(connection)来描述构件之间的交互行为,与构件特征对应,AADL支持3种连接方式:端口连接、参数连接及访问连接.端口连接用于描述并发执行构件之间的数据与控制交互;参数连接描述一个线程构件访问的所有子程序的参数所形成的数据流;访问连接又分为数据访问连接、总线访问连接以及子程序访问连接,分别描述数据共享、总线共享以及子程序共享.连接是点对点的,为了简化对体系结构的分析过程,AADL引入了流(flow)的概念,用于描述系统中信息传输的逻辑路径.流的完整描述包括流规约(flow specification)和流实现(flow implementation).流规约在构件类型中定义,包含外部可见的源结点(flow source)、目标结点(flow sink)及路径(flow path),源结点和目标结点分别是构件的特征,路径则是构件中从一个特征到另一个特征的连接.流实现在构件实现中定义,包括构件中流路径的具体实现或整个系统的端到端流(end-to-end flow)定义.端到端流的描述可以用于支持端到端延迟分析和可靠性分析.(5) 构件属性属性(property)用于描述体系结构中的约束条件,即非功能属性约束,进而支持验证与分析系统的可靠性、安全性、可调度性等性质,如子程序的执行时间、线程的周期、数据或事件端口的等待队列协议、安全层次等.AADL提供了标准的属性集,用户也可以根据需要定义新的属性.属性和特征的区别在于,特征主要是描述构件功能接口,而属性则是描述系统非功能性质的约束.(6) 模式AADL通过模式(mode)来描述运行时体系结构的动态演化.模式就是系统或构件的操作状态,如汽车巡航控制系统可能包括初始化、人工控制、自动巡航等模式.它们对应了系统功能行为的不同配置,模式变换体现系统体系结构的变化,能够描述体系结构重构及容错等需求.(7) 扩展附件当定义新的属性不能满足用户需要时,AADL引入了附件的概念.它拥有独立的语法和语义,但必须与AADL核心标准保持语义一致.如故障模型附件(error model annex)[10],支持构件、连接的故障事件、故障概率等属性建模;行为附件(behavior annex)[11]增强了AADL对构件实际功能行为的详细描述能力,以更好地支持功能行为验证和自动代码生成.另外,时间正确性是实时系统重要的特征,不仅与AADL属性中定义的时间约束(时限、最坏执行时间等)有关,而且与调度算法、调度属性有关.AADL支持描述周期、非周期、偶发等任务模型,支持抢占与非抢占式调度策略,支持多种固定优先级、动态优先级调度算法,如RM(rate monotonic),DM(deadline monotonic), EDF(earliest deadline first)等.这些调度算法定义在处理器构件的属性中.杨志斌等:复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言:AADL 903 2 AADL的研究现状2.1 AADL语言的研究为了适应不同的应用需求,AADL语言本身还需要进一步完善和扩展.AADL语言扩展及其语义的形式化目的是为了更好地支持系统体系结构建模与分析.2.1.1 AADL语言扩展AADL提供两种扩展方式:引入新属性或符号以及子语言(sub language)扩展.前者与具体应用相关,允许用户和工具提供商为各种构件引入新的属性集,或专用于特殊分析的符号,如可调度分析工具Cheddar[13],通过定义新的属性集扩展AADL对更复杂调度算法的支持;后者则更严格,需要提议、发展以及被核准,才能成为AADL语言的一部分,一般以AADL附件的形式给出,需要提供子语言的语法和语义.已经被核准的附件有[10]: Graphical AADL Notation Annex,AADL Meta-Model and Interchange Formats Annex,Language Compliance and Application Program Interface Annex,Error Model Annex以及UML Profile Annex.正在发展中的附件有:Behavior Annex[11],ARINC653 Annex.下面对AADL扩展附件进行概述.AADL核心标准是文本形式的,Graphical AADL Notation Annex为AADL定义了一系列图形符号,构件、端口通信、数据共享访问、子程序调用、模式变换、端到端的数据流、属性、附件等元素都能用图形符号表示.但Behavior Annex还没有图形化.目前,AADL的主要建模工具OSATE/TOPCASED[14],STOOD[15]都支持图形化建模,而且能够方便地与文本表示相互转换.Meta Model and Interchange Formats Annex定义了AADL元模型以及基于XML的模型交互格式.元模型定义了AADL语言的结构,也就是AADL模型的对象表示.这些对象表示采用XML标准的交互格式保存,以支持不同工具之间的互操作性.自动代码生成是模型驱动开发的关键环节之一.Language Compliance and Application Program Interface Annex为用户提供了AADL到Ada,C语言代码的转换规则.主要涉及线程、进程、数据等软件构件以及端口通信和子程序调用.Error Model Annex定义了构件和连接建立故障模型的声明规则及语义.故障模型也由两部分组成:类型(error model type)和实现(error model implementation).故障类型可以声明故障状态、故障事件以及故障传播等;故障实现则定义故障状态的变迁,即构件在故障事件发生和故障传播过程中,故障状态是如何变化的.故障状态变迁本质上是一个随机自动机,附件提供Occurrence属性定义故障的发生概率.Error Model Annex可以与多种分析方法结合,如MA(Markov analysis)、DD(dependency diagrams)、ETA(event tree analysis)、FTA(fault tree analysis)、随机Petri网等,从而对系统的可靠性、完整性、可用性以及可维护性进行定量分析.系统行为描述与验证是非常重要的.文献[16]提出,系统行为不仅依赖于AADL构件和连接所描述的静态体系结构,而且依赖于运行时环境.因此AADL提供了执行模型[16,17]的概念来描述运行时环境,用于管理和支持构件的执行,分为同步和异步两种,包括构件分发(dispatch)、同步/异步通信、调度、模式变换等行为.AADL核心标准的默认模式为带同步通信的抢占式调度,在这种模式下,执行模型和系统体系结构的结合能够保证系统行为的可预见性(predictability).线程、子程序构件是最小的执行和调度单元,AADL标准仅描述两者的对外功能接口,而构件内部具体执行行为无法描述.这样就导致在异步执行模型情况下,系统行为的可预见性难以保证.为了更好地分析异步模式下的系统行为,法国IRIT提出了Behavior Annex,对线程和子程序构件的具体行为进行详细描述.Behavior Annex通过状态、变迁来描述构件行为,变迁可以定义触发条件及变迁后的动作,条件和动作主要包括接收/发送数据、子程序调用、异步访问、执行时间、延迟时间等,且通过层次、并发状态来支持更复杂的行为描述.目前,AADL建模工具都支持Behavior Annex的描述.我们认为Behavior Annex与执行模型有密切的关系[18].执行模型的分发机制定义了线程、子程序周期性或非周期性地读取数据、计算、发送数据,Behavior Annex则是对计算状态内的执行行为进行详细刻画.也就是说,904 Journal of Software软件学报 V ol.21, No.5, May 2010执行模型定义了Behavior Annex何时执行、哪些数据被执行,而Behavior Annex处于构件内部,对线程、子程序构件的执行进行更精确的描述.因此,静态体系结构、执行模型及Behavior Annex组成一个完整的AADL模型.以线程构件为例,图2给出了三者的关系.Execution modelFig.2 Structure, execution model and behavior annex图2 体系结构、执行模型及行为附件的关系随着AADL在工业界的广泛应用,对AADL扩展的需求会更多.在航空航天领域,ARINC653是重要的航空电子应用软件接口标准,文献[19,20]研究了AADL与ARINC653标准之间的结合.在自动控制领域,AADL可以与该领域的OSEK[21],AutoSAR[22],EAST-ADL[23]等标准结合.2.1.2 AADL形式语义形式化方法能够对语义进行更精确的刻画,有助于体系结构验证与分析.体系结构、执行模型和行为描述构成一个完整的AADL模型,因此AADL语义也涉及这3个方面.AADL采用混成自动机(hybrid automata)对线程、进程、处理器、虚拟处理器构件的执行状态和动作进行了语义描述,但对通信、模式变换、同步/异步访问等执行模型语义以及Behavior Annex语义没有形式化,主要采用自然语言和例子进行解释.因此,AADL形式语义研究主要针对后两者的内容.目前,AADL形式语义描述主要采用转换的方式(translational semantics),大致可以分为两类:采用一种具有精确语义的形式语言来定义AADL语义,再依据语义进行转换;直接将AADL模型转换到另一种形式化模型.我们称前者为显式描述(explicit),可以将不精确的AADL语义形式化,能够更完整地描述语义,这种方式类似于操作语义.我们称后者为隐式描述(implicit),目的是为了直接使用语义模型的现有形式化分析工具,但这种方式有不足之处:仅仅假设转换的语义是一致的,语义描述可能不够精确;模型转换是依据AADL已有语义,而那些用自然语言和例子给出的语义不够精确,可能导致语义转换不够完整.在显式语义描述方面,文献[24]采用UML Marte对同步执行模型中周期性线程之间基于数据端口的即时与延迟通信(immediate and delayed communication)机制进行了语义描述,UML Marte具有显式的时间模型,能够同时描述逻辑时间和物理时间,方便定义线程的时间属性和通信协议.同时,AADL的通信语义本质上就是实时任务的时钟约束关系,对系统调度和可调度分析有直接的影响.但UML Marte难以支持形式化验证和分析.文献[25]则对AADL数据端口通信语义进行了描述,提出端口连接可以看作对共享数据变量的访问,采用消息缓冲区模型来定义任务之间的交互,并提出了基于共享缓冲区的分析框架,对端口通信进行优化.文献[26]则采用UML Marte对异步执行模型中事件端口通信进行语义描述,事件端口都带有队列以支持异步访问,但这样可能会导致数据或事件的传输延迟,因此该文献基于语义描述对端到端的延迟进行了分析.文献[27,28]采用动作时序逻辑描述语言TLA+(temporal logic of actions plus)对AADL执行模型的部分语义做了初步研究,包括端口通杨志斌 等:复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言:AADL 905 信、共享变量的构件间通信、抢占式调度策略以及模式的语义,但TLA+的模型检测工具分析能力不足.文献[29]采用Fiacre 和时间抽象状态机(timed abstract state machine,简称TASM)两种方法从不同角度对AADL 同步执行模型进行语义描述,并进行分析与比较.Fiacre [30]是一种能够描述实时系统行为和时间的形式化中间语言,目的是为了支持多种高层建模语言(如AADL,UML,SDL)到不同验证工具(如CADP,TINA)的建模语言的转换.TASM [31]则是抽象状态机的实时扩展,能够支持时间、资源、同步、并发等行为的描述.文献[18]采用时间抽象状态机对AADL 同步执行模型以及Behavior Annex 的语义进行形式描述,并采用UPPAAL [32]进行时间属性验证.在隐式语义描述方面,法国Verimag 实验室提出AADL 到BIP(behavior interaction priority)的语义转换[33],如AADL 线程转换到BIP 原子构件、数据端口连接转换到BIP 的连接器,仅描述了AADL 线程、进程、处理器构件以及Behavior Annex 的部分语义,采用Aldebaran 工具进行死锁、安全性的验证.BIP [34]是Verimag 提出的实时系统建模语言,采用自动机的方式描述行为,并支持异构构件之间的组合.英国Leicester 大学研究AADL 到重写逻辑Maude 语言的模型转换[35],支持行为验证,并实现了MOMENT2-AADL 工具.文献[36]研究AADL 转换到IF 语言进行形式化验证,采用Kermeta 元模型语言作为转换工具,支持静态结构、Behavior Annex 、执行模型到IF 的转换,但目前只进行了部分转换.IF 语言是Verimag 实验室提出的实时系统描述语言,扩展了通信时间自动机来描述实时系统的功能与非功能行为[37].文献[38]提出AADL 到时间进程代数ACSR(algebra of communicating shared resources)[39]的语义转换,然后进行可调度性分析,但其分析工具VERSA [40]只能支持简单的分析.文献[41]研究了AADL 到实时演算(real time calculus,简称RTC)[42]的语义转换,以支持端到端的时间延迟分析.文献[43]研究AADL 到随机Petri 网的转换.模型转换是AADL 语义描述的关键.文献[44]采用B 语言和高阶逻辑HOL(higher-order logic)形式刻画AADL 元模型,以支持AADL 模型转换的正确性.我们认为,可以采用定理证明的方式来保证模型转换的语义一致性.我们对部分AADL 形式语义描述语言进行比较,见表1.Table 1 Comparison of AADL semantics models表1 AADL 语义模型比较 Methods Fundamental formalism Verification and analysis tools StrengthsWeaknessesTLA+ Logic Model checker: TLC General and abstract expressions The verification tool support simple simulationTASM Abstract state machine Model checker: UPPAAL Analysis tool: TASMToolset Describe real time, resource and concurrency well readability Less time and data types of expressionFiacre Process algebra Model checker: TINA, CADP Offers a rich set of structuring techniques and concurrency patterns Less powerful construct, such as resource expressionMaude Rewrite logic Proving tool: ITP Analysis tool: MTT General and abstract expressions Don’t support real time descriptionBIP Automata Model checker: Aldebaran Powerful for components interaction and priority The verification tool only support deadlock detectionACSR Process algebra Analysis tool: VERSA Describe real time, resource strongly The verification tool only support simple analysisUML Marte UML None Explicit time model Don’t support formal verification AADL 能够描述系统功能行为、非功能属性以及运行时的体系结构动态演化,尤其是AADL 的可扩展性,使得AADL 建模机制越来越复杂,很多语义还需要形式化.本文认为可以对多种语义描述进行比较,从不同角度来刻画AADL 的语义与性质.2.2 AADL 建模方法的研究AADL 是嵌入式实时系统领域的体系结构设计与分析标准,而MDD 正在成为主流的开发过程.文献[45]提出AADL 与MDD 结合,能够使AADL 得到更广泛的使用.MDD 定义了3个层次的抽象:平台独立模型(platform independent model,简称PIM)、平台特定模型(platform specific model,简称PSM)以及应用代码.PIM 是模型驱动设计的初始抽象模型,是设计过程中最为重要的环节之一.因此,AADL 建模方法的研究主要涉及AADL PIM 的906 Journal of Software软件学报 V ol.21, No.5, May 2010构造.我们归纳为3类:(1) 从需求模型到AADL模型的转换由于UML,SysML,xUML(executable UML)[46],HOOD等描述语言已经广泛应用于需求的描述,因此结合这些描述语言的优势是必要的,从需求模型到AADL模型的转换就成为重要的研究内容.文献[47]采用UML作为需求模型,提出需求模型到AADL模型的转换规则,如UML类转换为AADL构件类型,类之间的组合连接转换为AADL子构件,类之间的直接连接转换为AADL端口等.Feiler提出将xUML和AADL集成到统一的模型驱动开发过程,通过一些经验规则来完成需求模型到AADL模型的转换[48],其中xUML对UML增加了更精确的执行语义.文献[49]采用SysML作为需求模型,并研究了SysML到AADL的模型转换.文献[50]则采用UML,HRT-HOOD(hard real time HOOD)[51]作为需求模型,提出将带有属性和操作的UML类图转换到AADL的包,每个包由数据构件类型、数据构件实现、子程序构件类型组成,前两者表示属性,后者表示操作,同时将HRT-HOOD的周期性对象、非周期性对象、保护对象分别转换到AADL的周期性线程、非周期性线程、数据构件,并在STOOD[15]工具中实现了这些转换.其中,HOOD是欧洲航空防务航天公司(European Aeronautic Defense and Space,简称EADS)提出的复杂系统建模方法,HRT-HOOD则是HOOD在嵌入式实时系统领域的扩展,而STOOD是建立在HOOD,AADL之上的商业建模工具.(2) AADL常用于构造系统的PSM模型,因为AADL能够同时描述系统的软、硬件体系结构,两者映射即可构成PSM模型.同时,也可以采用AADL单独建立系统的软件体系结构模型,作为AADL PIM模型.(3) 采用AADL与UML结合的方式,文献[52]基于AADL UML Profile Annex,将AADL原型(stereotype)标注在UML模型上,作为AADL PIM模型.如,构件用UML 类图表示,并标注AADL构件类型.模型驱动设计的建模一般在需求分析之后进行,为了保持需求规约与系统设计之间的一致性,可以研究基于AADL的需求建模.文献[53,54]提出了面向软件体系结构的需求工程方法,这些可以借鉴到基于AADL的需求规约当中,而且AADL V2.0的新概念将更有助于AADL直接应用于需求工程.需求阶段的AADL研究与应用,为整个生命周期提供完整的需求和概念.2.3 AADL模型转换模型转换是MDD的核心,同时也是AADL模型验证与分析的重要基础.根据嵌入式实时系统的需求,文献[52]给出了基于AADL的模型驱动开发过程:(1) 获得AADL PIM模型,如,基于AADL UML Profile Annex,将AADL原型(stereotype)标注在UML模型上,作为AADL PIM;(2) 利用功能转换规则,转换成AADL PSM;(3) 利用非功能转换规则,将PSM转换成AADL分析模型,进行可调度、性能等分析;(4) 基于正确的AADL模型转成可执行代码.模型转换关键在于转换规则及工具的研究.文献[55]对常见的模型转换方法进行了分类,按转换规则分为变量型、模式型、关系型以及逻辑型;按转换方法可以分为模型到模型的转换以及模型到代码的转换,前者包括手动转换、关系转换、图转换、结构转换、元模型转换等方法,后者则包括基于访问的转换以及基于模板的转换.在模型转换工具方面,QVT(query/view/transformation)[56]是由OMG定义的模型转换标准;ATL(Atlas transformation language)[57]是由法国INRIA开发的一种基于元模型转换方法的模型转换语言;Kermeta[58]是法国INRIA Triskel Team开发的模型转换语言,能够对元模型的结构、行为进行描述;GreAT(graph rewriting and transformation)[59]则是一种将图形转换和重写技术应用到模型转换过程中的方法.ATL和Kermeta在AADL模型转换研究中比较常用.同时,本文认为AADL模型转换的正确性验证与证明也是需要重点研究的内容.2.4 AADL模型的验证与分析在早期阶段进行体系结构验证与分析,能够尽早发现系统设计的潜在错误.目前,AADL模型验证与分析主要采用仿真和形式化方法.仿真方法需要设定体系结构模型中的初始参数,通过执行体系结构模型,对每个元素的行为进行分析与评价.ADeS(architecture description simulation)[60]是一个事件驱动的AADL行为仿真工具,支持执行时间、时限、。
1-软件工程与UML概述1-软件工程与UML概述软件工程的定义和概念软件工程是一门研究和应用如何以系统化、可预测和可控制的方法来开发和维护软件的学科。
它包含了软件开发的全过程，从需求分析、设计、编码、测试到维护和升级。
软件工程的目标是通过有效地管理和组织软件开发过程来提高软件的质量、可靠性、可维护性和可重用性。
它强调系统化和规范化的方法，以减少软件开发中的风险和错误。
软件工程的核心原则和技术包括需求工程、软件设计、软件编码、软件测试和软件维护等。
它还涉及到项目管理、配置管理、版本控制、文档管理等方面的知识和技术。
UML的概念和作用UML（Unified Modeling Language）是一种用于描述、设计、构造和交流软件系统的标准建模语言。
它是一种图形化的语言，用于可视化和表达软件系统中的结构、行为和交互。
UML提供了一组统一的符号和规则，用于描述和表示软件系统的各种视图和模型。
它包括了类图、对象图、用例图、活动图、状态图、序列图等不同类型的图表，每种图表都有特定的目的和应用场景。
UML的主要作用是帮助软件开发团队在系统分析和设计阶段进行沟通和交流。
它能够提供一个可视化的模型，使开发人员能够更好地理解软件系统的结构和行为，并在此基础上进行进一步的设计和开发工作。
软件工程与UML的关系软件工程和UML是紧密相关的。
软件工程提供了一套规范和方法，用于管理和组织软件开发过程，而UML提供了一种标准的建模语言，用于描述和表示软件系统的不同视图和模型。
软件工程的核心过程和方法可以被UML所支持和应用。
在软件开发的各个阶段，开发人员可以使用UML的各种图表和模型来进行需求分析、系统设计、模块设计、编码和测试等工作。
UML作为一种通用的建模语言，可以适用于各种不同类型和规模的软件系统。
它的标准化和广泛应用使得不同开发团队之间可以更好地进行沟通和协作，促进了软件开发过程的规范化和系统化。
，软件工程与UML密切相关，二者相互支撑和补充，共同为软件开发提供了一套系统化、可预测和可控制的方法和工具。
