唐家強(qiáng) 王星皓 安品臣 胡賓洋

摘? ?要：在對分布式綜合航空電子系統(tǒng)中的信息流進(jìn)行分析評價時，必須構(gòu)建相應(yīng)的信息流模型。體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計語言具有對較為復(fù)雜的系統(tǒng)集成和性能進(jìn)行規(guī)格說明與分析，并可實現(xiàn)硬件的計算資源和軟件構(gòu)件之間相互映射的能力，因此，特別適用于性能關(guān)鍵性嵌入式實時系統(tǒng)的分析與設(shè)計，文章結(jié)合綜合化航電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，闡述了系統(tǒng)信息流的AADL建模方法。

關(guān)鍵詞：綜合模塊化航電;信息流;建模;AADL

綜合化航電系統(tǒng)替代了聯(lián)合式航電系統(tǒng)[1]，成為越來越多飛機(jī)的選擇，但是由于其系統(tǒng)復(fù)雜，給其建模分析帶來了挑戰(zhàn)，體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計語言（Architecture Analysis and Design Language，AADL）以結(jié)構(gòu)化、模塊化的特征引起了各國學(xué)者的注意，開始成為主流建模方法。

1? ? 體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計語言

1.1? AADL標(biāo)準(zhǔn)

SAE標(biāo)準(zhǔn)定義的體系A(chǔ)ADL[2]脫胎于航空電子領(lǐng)域中具有長期的工程應(yīng)用基礎(chǔ)的MetaH語言，應(yīng)用于有實時響應(yīng)要求的、具有挑戰(zhàn)性的資源限制的、必須經(jīng)過認(rèn)證得到高度信任的嵌入式實時系統(tǒng)。

對于被分析的系統(tǒng)，AADL語言能夠正規(guī)地描述體系結(jié)構(gòu)模型，以發(fā)現(xiàn)如調(diào)度、定時、故障冗余等潛在的系統(tǒng)問題。對于設(shè)計中的系統(tǒng)，AADL語言的優(yōu)勢在于多尺度的逼真性：既能對完全規(guī)模的系統(tǒng)進(jìn)行抽象表達(dá)，也可以通過分析部分信息模型來確定設(shè)計是否滿足預(yù)期需求。因此，其特別適用于綜合式模塊化航空電子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)描述。

SAE AS5506標(biāo)準(zhǔn)給出了AADL語言的基本概念和核心模型，主要通過“語法”“語義”“命名規(guī)則”“預(yù)定義屬性”“合法性規(guī)則”以及“處理需求和許可”等幾部分對標(biāo)準(zhǔn)AADL進(jìn)行全面闡述。由于篇幅所限，此處僅簡略介紹部分核心內(nèi)容。

標(biāo)準(zhǔn)AADL模型主要分為兩大類：聲明模型與實例模型。從兩類模型之間的相互關(guān)系來看，聲明模型是生成實例模型的基礎(chǔ)與必要條件，實例模型是將各個層次的聲明模型進(jìn)行綜合并具體化的結(jié)果。

在AADL聲明模型中，最為基本的結(jié)構(gòu)要素是“構(gòu)件”。構(gòu)件的定義分為“構(gòu)件類型”和“構(gòu)件實現(xiàn)”兩部分，其中構(gòu)件類型通過使用特征、屬性指定功能接口以及流規(guī)范來對該構(gòu)件與外界的交互接口進(jìn)行定義。構(gòu)件實現(xiàn)是構(gòu)件類型在當(dāng)前層次（不包含子構(gòu)件的子構(gòu)件）的具體化實現(xiàn)形式，通過“子構(gòu)件”“子構(gòu)件連接”“屬性”“流實現(xiàn)”“子程序調(diào)用序列”和“模式”來對構(gòu)件類型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方式進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。另外需要說明的是，由于構(gòu)件可以根據(jù)不同的特征和連接情況進(jìn)行具體化，一個構(gòu)件類型可以具有多個相應(yīng)的構(gòu)件實現(xiàn)。

構(gòu)件定義中的“特征”，主要用于描述構(gòu)件與外界進(jìn)行交互的功能接口。AADL標(biāo)準(zhǔn)定義了“事件端口”“數(shù)據(jù)端口”“事件數(shù)據(jù)端口”“端口組”“服務(wù)子程序”“數(shù)據(jù)子程序”“子程序參數(shù)”“提供與請求的子構(gòu)件的訪問”等多種構(gòu)件“特征”。構(gòu)件定義中的“連接”主要用來表示不同構(gòu)件之間的數(shù)據(jù)和控制通信連接，可以承載不同線程的端口間、處理器和線程之間或不同設(shè)備構(gòu)件之間的控制和數(shù)據(jù)信息的傳輸。

此外，必須說明的一點是，AADL標(biāo)準(zhǔn)中將所有構(gòu)件劃分為3類：應(yīng)用類別，主要包括“線程”“線程組”“進(jìn)程”以及“數(shù)據(jù)”構(gòu)件等。執(zhí)行平臺類別，包括“處理器”“總線”“設(shè)備”以及“存儲器”構(gòu)件。組成類別，主要指“系統(tǒng)”構(gòu)件。一個構(gòu)件所屬的類別是由其定義中所聲明的類型決定的。

AADL語言的核心規(guī)范要素如圖1所示。

AADL實例模型是將對應(yīng)的聲明模型中所有的元素全部進(jìn)行實例化后所得的模型。實例模型的主要設(shè)計目標(biāo)是具備如下3種能力：根據(jù)一個具有實現(xiàn)模型的AADL聲明模型來生成實例模型，該實現(xiàn)模型作為實例模型的根。允許在無須加載全部聲明模型的條件下對實例模型進(jìn)行處理。使用同一個實例模型來統(tǒng)一表達(dá)所有模態(tài)的聲明模型，而無須為每個模式組合分別創(chuàng)建一個單獨的實例模型。

1.2? AADL工具環(huán)境：OSATE

目前已經(jīng)面世的AADL建模和處理分析工具有TOPCASED-AADL、OSATE、Cheddar、Ocarina等，其中最具代表性的是開放源碼AADL工具環(huán)境（Open Source Code AADL Tool Environment，OSATE）。

OSATE是一款由美國卡耐基梅隆大學(xué)軟件工程學(xué)院AADL開發(fā)小組開發(fā)并負(fù)責(zé)維護(hù)的基于Eclipse平臺的源碼開放的插件集。該工具通過由具有AADL語法高亮提示功能的文本編輯器、AADL語義檢查器與規(guī)范解釋器以及AAXL對象編輯器與閱讀器等多個插件構(gòu)成的一組工具集對AADL模型進(jìn)行前端處理，以支持AADL模型以文本文件（AADL格式）或?qū)Ｓ玫腦ML格式（AAXL格式）的模型文件形式進(jìn)行存儲、更新與維護(hù)。非常重要的一點是，該工具具備通過AADL源文本自動創(chuàng)建AAXL模型文件以及兩者之一發(fā)生變更后的雙向一致性修改功能。此外，如果用戶需要，還可以對OSATE前端自行進(jìn)行插件形式的擴(kuò)展。

2? ? 信息流模型的構(gòu)建

AADL使用“流（flow）”對通信與信息處理的流量進(jìn)行描述[3]，并據(jù)此靈活地處理具有多逼真度的、層次化的、只有部分詳細(xì)設(shè)計的模型，從而對系統(tǒng)的綜合化處理過程開展基于流模型的實時性能分析。

針對數(shù)據(jù)或事件的傳輸，或任務(wù)處理過程的時延分析，特別是對端到端的時延的分析，都需要以對流的建模為基礎(chǔ)來開展。端到端流量的AADL模型，主要通過“流規(guī)范”“流實現(xiàn)”“端到端流”3種類型的聲明來進(jìn)行描述，其中，后兩種類型可以通過實例化的方式生成相應(yīng)的實例，該實例則稱為“流實例”。

“流規(guī)范（flow specification）”的主要描述對象是通過一個構(gòu)件的應(yīng)用邏輯的外部可見流量。關(guān)于流規(guī)范，AADL定義了3個相關(guān)的保留字“flow source”“flow sink”和“flow path”分別用以表示構(gòu)件中流的起始、終止以及從輸入端口到輸出端口所通過的流的路徑。

“流實現(xiàn)（flow implementation）”主要對通過構(gòu)件的實際的流序列和跨越一段或多段連接的構(gòu)件集合進(jìn)行具體的描述，是流規(guī)范的具體實現(xiàn)。流實現(xiàn)和流規(guī)范之間的關(guān)系，符合前文對構(gòu)件實現(xiàn)與構(gòu)件類型之間關(guān)系的描述。

“端到端流（end-to-end flow）”定義的是一條源于子構(gòu)件、終止于子構(gòu)件的流，是經(jīng)過一連串系統(tǒng)子構(gòu)件，如線程、設(shè)備等的邏輯信息流，由關(guān)鍵字“end-to-end flow”在構(gòu)件實現(xiàn)中進(jìn)行聲明。端到端流其實是流實現(xiàn)的一種特殊情形。對于逼真度較低的模型，在端到端流的描述中，可以直接使用當(dāng)前構(gòu)件下的第一層子構(gòu)件中的流規(guī)范，而無須這些構(gòu)件實現(xiàn)的聲明。同樣，端到端流的聲明中也可以使用子構(gòu)件的構(gòu)件實現(xiàn)中定義的流。

端到端流的聲明顯然只涉及當(dāng)前一層子構(gòu)件，但實際模型中的子構(gòu)件實現(xiàn)中還可以包含子構(gòu)件[4]。因此，按照子構(gòu)件的層次，將端到端流的聲明逐層進(jìn)行實例化[5]，最終即可得到流規(guī)范實例和連接實例共同構(gòu)成的端到端的“流實例（flow instance）”。在圖2所示的典型AADL流模型中，線程構(gòu)件T1，T2和T3分別是進(jìn)程構(gòu)件P1，P2和P3的子構(gòu)件，系統(tǒng)S中由P1發(fā)出，經(jīng)過P2到達(dá)P3的端到端流，具體到線程層次即表現(xiàn)為由T1發(fā)出，經(jīng)過T2到達(dá)T3的端到端流。

3? ? 結(jié)語

綜合航電系統(tǒng)以其高效、安全、模塊化的特點被越來越多的飛機(jī)所采用，系統(tǒng)分析必須選擇合適的方法、工具開展，以保證分析結(jié)果的可信性以及對飛機(jī)安全性的保證。文章分析了AADL語言的特性和平臺工具特性，提出了航電系統(tǒng)流模型的建模方法。

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