趙昶宇，胡 平

（1.天津津航計算技術研究所，天津300308；2.海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北 武漢430033）

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，如今的嵌入式系統(tǒng)的復雜程度也變得越來越高，嵌入式系統(tǒng)的內部接口和外部接口類型和種類也越來越豐富，對嵌入式系統(tǒng)的軟件設計和編碼人員也提出了較高的挑戰(zhàn)。目前嵌入式系統(tǒng)常見的接口類型有以太網(wǎng)接口、RS422A接口、RS485接口、CAN總線接口、1553B接口、模擬量信號和離散量信號等。接口通訊代碼程序的開發(fā)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)中的重要方面，它所占的開發(fā)比例也越來越大。一般來講，嵌入式系統(tǒng)軟件中接口通訊代碼是根據(jù)具體的接口通訊協(xié)議設計編制的，也就是說接口通信代碼和通訊協(xié)議之間的耦合度非常高。通訊協(xié)議有細微改動，都有可能需要修改接口通訊軟件代碼。軟件設計和編碼人員需要花費相當大的精力用于維護該部分代碼，這樣做不僅導致嵌入式接口通訊代碼的開發(fā)效率低下，也使得接口通訊代碼的可靠性和可維護性大大降低。

在嵌入式系統(tǒng)接口通訊軟件中，通常使用接口控制文檔（InterfaceControlDocuments，以下簡稱“ICD”）來描述和維護各個接口之間的關系，ICD的最大優(yōu)點是通用性強，并且獨立于開發(fā)平臺和任務[1]。為了解決現(xiàn)有接口通訊軟件代碼開發(fā)效率低、可靠性不高的問題，本文基于ICD特點提出一種軟件代碼的自動生成方法。該方法通過對ICD配置文件的讀取和分析，能夠自動實現(xiàn)并生成接口通訊軟件代碼的功能。后續(xù)接口通訊協(xié)議發(fā)生變化了，無需改動接口通訊代碼，只需要修改ICD配置文件即可自動生成新的接口通訊軟件代碼，極大地提高了軟件開發(fā)效率和可靠性。

1 ICD技術簡介

ICD通常是一種以數(shù)據(jù)庫方式的結構化樹形圖來進行描述，由于不同類型總線采用的通訊協(xié)議不同，或是同一種類型總線的數(shù)據(jù)幀格式不同，因此在進行ICD數(shù)據(jù)庫設計時，需要根據(jù)不同的總線類型進行分別分析，包括數(shù)據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)字段、數(shù)據(jù)校驗位和數(shù)據(jù)幀尾?？偩€類型首先應該作為ICD結構樹中的單獨一層節(jié)點，總線類型相同但是數(shù)據(jù)幀格式不同的也應該單獨作為ICD結構樹中的一層節(jié)點。

為了提高后期自動生成代碼的效率，將每一個ICD結構樹都保存在一個對應的數(shù)據(jù)庫中[2]。每個數(shù)據(jù)庫中建立一張表，表中包括建庫時間、信號類型、備注信息等內容，將這張表取名為ICD_Explain。如果總線類型相同，則需要建立一張信號類型表，表中包括數(shù)據(jù)幀標識號、數(shù)據(jù)幀名稱、數(shù)據(jù)頻率、數(shù)據(jù)塊數(shù)量、數(shù)據(jù)塊內容、板卡號、通道號、接收/發(fā)送狀態(tài)等，將這張表取名為ICD_BusType_Explain。對于相同總線類型中具有相同數(shù)據(jù)幀格式的報文建立一張對應的數(shù)據(jù)表，表中包括該數(shù)據(jù)幀的參數(shù)標識號、參數(shù)名稱、數(shù)據(jù)幀起始位置、數(shù)據(jù)幀長度、數(shù)據(jù)幀類型、LSB、狀態(tài)信息、參數(shù)最小值、參數(shù)最大值以及數(shù)據(jù)幀的步長等，將這張表取名為ICD_BusType_FrameName。

上述定義的ICD庫文件包含了接口通訊軟件中所有的總線接口數(shù)據(jù)規(guī)范[3]，涵蓋各個子系統(tǒng)之間、子系統(tǒng)內部各個設備之間以及設備內部各個模塊之間的數(shù)據(jù)接口格式定義。有了這些ICD數(shù)據(jù)庫文件，代碼的自動生成技術可以很方便地通過對通訊協(xié)議的自動分析，實現(xiàn)對每個通訊接口數(shù)據(jù)的自動打包和解包處理。一旦通訊協(xié)議發(fā)生變化，無需修改軟件代碼，只需替換相應的ICD數(shù)據(jù)庫文件即可。接口通訊軟件的ICD配置文件結構如圖1所示。

圖1 接口通訊軟件ICD配置文件結構圖

2 XML模板生成、驗證和解析

XML（可擴展標記語言）被設計用來傳輸和存儲數(shù)據(jù)，它具有很強的跨平臺可移植性，且存儲數(shù)據(jù)基于文本不需要轉換。XML模板生成格式主要采用以下規(guī)則。

XML節(jié)點具有層次化的特點。利用XML的子節(jié)點創(chuàng)建一顆樹型結構，子節(jié)點的輸出內容通常比父節(jié)點要多縮進一個Tab。

節(jié)點名稱具有層次化的特點。同一父節(jié)點下的子節(jié)點之間如果名稱相同，則在輸出內容時的縮進是相同的；如果名稱不相同，則同一父節(jié)點下名稱編號大的比名稱編號小的子節(jié)點在輸出內容時要多縮進一個Tab。

節(jié)點內容具有層次化的特點。在節(jié)點內容中加入一個“ ”表示一個縮進，加入多少個“ ”表示輸出內容時縮進多少個Tab。一個節(jié)點內容對應一行目標代碼，若輸出新的節(jié)點內容時需增加回車換行。

XML模板驗證包括DTD（文檔類型定義）和XML Schema，前者用于定義XML文檔的合法構建模塊，后者除了具備前者功能外，還具有良好的可擴展性。

XML解析是XML模板生成的逆向過程，它通過XML模板生成格式讀取XML模板信息并生成標準格式的目標代碼。

圖2為ICD配置文件自動生成代碼的原理圖。在圖2中，ICD庫需要對RS-422A串口、GJB289A總線、高速總線、開關量和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行歸納總結，找出各種信號幀數(shù)據(jù)段的規(guī)律，作為生成代碼的依據(jù)；知識庫和類型庫提供生成不同模塊代碼的規(guī)則和算法以及生成代碼需要的數(shù)據(jù)類型；詞法分析器用于將XML模板在更新時確保數(shù)據(jù)一致性；XML模板生成、XML結構定義（XSD）模板驗證和XML模板解析用于將ICD庫中的信息配合知識庫自動生成XML模板，并采用XSD模板對XML模板進行驗證，再通過解析XML模板得到目標代碼。

圖2 ICD配置文件自動生成代碼的原理圖

驅動模型。驅動模型根據(jù)ICD庫的接口描述關系，對輸入ICD信息進行建模，輸出代碼生成機理的描述。驅動模型是平臺無關模型，描述了ICD配置文件自動生成代碼的機制，驅動模型的組成和原理如圖3所示。

圖3 驅動模型的組成和原理圖

知識庫和類型庫。知識庫用來存放代碼生成的語法規(guī)則和代碼映射規(guī)則，類型庫用來描述代碼生成過程中所有可能用到的數(shù)據(jù)類型。

詞法分析器。知識庫中可變代碼段的XML模板設計需要用到詞法分析器。可變代碼段的XML模板的生成是一個動態(tài)建立的過程，XML模板所需要的部分信息由ICD配置文件確定。XML模板中會存在多個變量關聯(lián)到ICD配置文件的同一個參數(shù)數(shù)據(jù)結構。在ICD配置文件更新后，利用此法分析器在XML模板所需要的內存緩沖區(qū)中搜索所有關聯(lián)到該參數(shù)數(shù)據(jù)結構并全部更新，這樣就可以保證XML模板的數(shù)據(jù)一致性。

XML模板生成、驗證和解析。XXXX軟件根據(jù)ICD配置文件、知識庫、類型庫和詞法分析結果，并采用XmlWriter設計和生成XML模板；采用XMLSchema模板對生成的XML模板進行驗證，保證XML模板的語法正確；最后，通過對XML模板進行解析，生成標準格式的目標代碼。

3 接口通訊軟件代碼自動生成模型

接口通訊軟件代碼的自動生成技術包含以下幾個關鍵技術：ICD數(shù)據(jù)庫設計、驅動模型建立、知識庫設計、類型庫設計以及代碼生成單元設計。其中，ICD數(shù)據(jù)庫設計是代碼自動生成的基礎和依據(jù)，它將系統(tǒng)中的各種類型總線數(shù)據(jù)進行分析匯總，并找尋出各個數(shù)據(jù)幀的規(guī)律；驅動模型基于ICD數(shù)據(jù)庫中描述的數(shù)據(jù)接口關系，對每種輸入數(shù)據(jù)元素進行建模，并將ICD參數(shù)和數(shù)據(jù)塊輸出給代碼生成單元；知識庫中用于存放生成目標代碼的映射規(guī)則、語法規(guī)則和算法等；類型庫用于存放自動生成目標代碼過程中所使用的各種數(shù)據(jù)類型；代碼生成單元是自動生成代碼技術的核心，它根據(jù)ICD數(shù)據(jù)庫、知識庫和類型庫中的信息，并基于代碼自動生成機理產生最終的目標代碼。接口通訊軟件自動生成模型如圖4所示。

接口通訊軟件通常由以下幾部分組成：①通用代碼。一般為固定代碼，以基本函數(shù)的形式存在，它不會隨著ICD數(shù)據(jù)庫的變化而改變。②專用代碼。需要根據(jù)每種數(shù)據(jù)幀進行結構體定義、打包和解包處理。③發(fā)送代碼。定義執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)幀相關操作的函數(shù)。④接收代碼。定義執(zhí)行接收數(shù)據(jù)幀相關操作的函數(shù)。

通過讀取ICD數(shù)據(jù)庫配置文件，并基于上述驅動模型生成各種ICD數(shù)據(jù)幀和ICD參數(shù)，提取不同總線類型的數(shù)據(jù)幀結構體，并生成相應的打包和解包函數(shù)，從而構建接口通訊軟件的專用代碼。在生成專用代碼的同時，可以分析并構建接收代碼和發(fā)送代碼，通用代碼可以通過知識庫中的規(guī)格和算法生成，這樣就輸出了接口通訊軟件的所有類型代碼。

4 接口通訊軟件代碼自動生成流程

為了實現(xiàn)接口通訊軟件代碼自動生成技術的通用化，在軟件設計時會為任何一個數(shù)據(jù)幀保存一個對應的配置文件。在自動生成接口通訊軟件代碼前，先將所有的配置文件加載到程序中，分析提取其中的數(shù)據(jù)幀到相應的結構體內，并基于知識庫中的語法規(guī)格和代碼映射規(guī)則生成通用代碼。這樣做的好處是一旦通訊協(xié)議發(fā)生變化，在修改完相應配置文件內容后，重新加載一遍配置文件即可。然后通過對不同數(shù)據(jù)幀的解析，根據(jù)該數(shù)據(jù)幀的ICD數(shù)據(jù)塊和參數(shù)內容，針對每種數(shù)據(jù)幀生成相應的打包和解包函數(shù)；同時，通過對類型庫中總線類型和數(shù)據(jù)類型的解析，生成不同數(shù)據(jù)幀的接收代碼和發(fā)送代碼。接口通訊軟件代碼自動生成的流程如圖5所示。

圖5 接口通訊軟件代碼自動生成流程圖

針對不同總線類型的報文或是同一種總線類型但數(shù)據(jù)幀格式不同的報文，雖然它們各自有各自的通訊協(xié)議和處理函數(shù)，但是這些代碼自動生成的流程是相同的。為了提高接口通訊軟件的通用性和可靠性，對相同總線類型不同數(shù)據(jù)幀格式的報文采用通用的自動生成流程和處理方法，將它們各自的數(shù)據(jù)處理函數(shù)當作一個總線處理函數(shù)庫，通過設計并不斷優(yōu)化該總線處理函數(shù)庫，使得該總線類型下的所有數(shù)據(jù)幀格式的報文均能夠采用上述的總線處理函數(shù)庫進行數(shù)據(jù)處理，最終使得接口通訊軟件的代碼自動生成技術具有更廣泛的適用性。

5 結束語

本文提出了一種嵌入式接口通訊軟件代碼的自動生成方法，進行了ICD數(shù)據(jù)庫設計、驅動模型建立、知識庫設計、類型庫設計以及代碼生成單元設計。該方法已經(jīng)在某航空監(jiān)控設備系統(tǒng)中得到了應用，大大提高了軟件代碼的開發(fā)效率和軟件可靠性。