嵌入式系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)可視化配置映射規(guī)則挖掘＊

舒 適，李銀國(guó)，蔣建春

（1.重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400065；2.重慶高校汽車(chē)電子與嵌入式系統(tǒng)工程研究中心，重慶 400065）

1 引言

隨著汽車(chē)電子行業(yè)的飛速發(fā)展，各種電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）硬件層出不窮，過(guò)去針對(duì)ECU 的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)于依賴(lài)系統(tǒng)硬件，嚴(yán)重影響了開(kāi)發(fā)效率。為了提高軟件的復(fù)用率，全球汽車(chē)制造商、零部件供應(yīng)商及其他電子、半導(dǎo)體和軟件系統(tǒng)公司共同制定了AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）[1]規(guī)范，它定義了一套支持分布式、功能驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)電子軟件開(kāi)發(fā)方法以及ECU 上的軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化配置方案?；贏UTOSAR 規(guī)范的配置分為應(yīng)用組件配置、系統(tǒng)配置和ECU 配置[2]。應(yīng)用組件配置需要定義好組件間的通信接口并提供組件的描述文件[3]，系統(tǒng)配置主要是在整個(gè)系統(tǒng)層面上對(duì)運(yùn)行時(shí)環(huán)境RTE（Real-Time Enviroment）層進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]；ECU 配置關(guān)注當(dāng)前ECU 軟件架構(gòu)中各個(gè)模塊的配置及代碼生成[5]。目前還沒(méi)有針對(duì)ECU配置中驅(qū)動(dòng)各模塊結(jié)構(gòu)體初始化的圖形配置工具，其難點(diǎn)在于各種結(jié)構(gòu)體嵌套使映射出的軟件界面元素規(guī)則復(fù)雜化，且擴(kuò)展芯片各模塊結(jié)構(gòu)體的未知性，使得配置工具不易兼容。本文基于AUTOSAR 規(guī)范，采用模型驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)MDA（Model Driven Architecture）[6]的開(kāi)發(fā)方式，提出了一種驅(qū)動(dòng)配置界面潛在規(guī)則的挖掘方法，該方法對(duì)模型的潛在規(guī)則進(jìn)行挖掘、回溯驗(yàn)證，把驅(qū)動(dòng)模塊配置及初始化細(xì)節(jié)映射到界面上，方便用戶(hù)對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置。最后，基于上述理論，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)可視化配置軟件。

2 驅(qū)動(dòng)配置MDA方法

MDA 方法的思想是使業(yè)務(wù)邏輯和具體實(shí)現(xiàn)分離，更好地達(dá)到軟件復(fù)用的目的。MDA 主要流程[7]如圖1所示，其中，PIM（Platform Independent Model）為平臺(tái)無(wú)關(guān)模型，PSM（Platform Specific Model）為平臺(tái)相關(guān)模型。驅(qū)動(dòng)配置中的PIM模板是用XML 語(yǔ)言描述的ECU 配置項(xiàng)信息，由PIM 規(guī)則組成，PIM 規(guī)則為XML語(yǔ)言中結(jié)點(diǎn)的包含和并列關(guān)系以及這兩種關(guān)系的各種組合。

Figure 1 MDA-based embedded software development process圖1 基于MDA 的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程

驅(qū)動(dòng)配置軟件是將含有驅(qū)動(dòng)各模塊配置項(xiàng)信息的PIM 模板作為輸入，映射成圖形界面元素；圖形界面元素為軟件界面中的一條記錄，它代表XML中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)；在圖形界面中對(duì)每條記錄的信息進(jìn)行配置，然后保存回PIM，再將PIM與PSM 結(jié)合生成配置文件。整個(gè)過(guò)程的難點(diǎn)在于如何使PIM 規(guī)則能適用于不同ECU 芯片。這是一個(gè)分析問(wèn)題域、設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)問(wèn)題域規(guī)則以滿(mǎn)足各種情況的過(guò)程。PIM 規(guī)則需要從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）簡(jiǎn)便性：用戶(hù)易于使用；

（2）完備性：覆蓋問(wèn)題域中的所有現(xiàn)有行為；

（3）預(yù)測(cè)性：基于當(dāng)前行為挖掘未來(lái)可能的行為；

（4）正確性：驗(yàn)證規(guī)則是否符合問(wèn)題域邏輯。

3 底層驅(qū)動(dòng)可視化配置的PIM 映射規(guī)則

3.1 算法描述

PIM 規(guī)則的挖掘流程可分為四個(gè)步驟：分析問(wèn)題域行為、轉(zhuǎn)換自然語(yǔ)言、建立森林、潛在規(guī)則挖掘。如圖2所示。

Figure 2 PIM modeling process圖2 PIM 建模流程

步驟1 在問(wèn)題領(lǐng)域中通過(guò)分析了解用戶(hù)需求，用自然語(yǔ)言列舉出問(wèn)題域中的行為。

步驟2 把步驟1中的自然語(yǔ)言抽象出來(lái)，根據(jù)下面的定義1和定義2進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

定義1 a 包含b＝（a（b））；

定義2 a 并列b＝（a，b）。

步驟3 將步驟2中的表達(dá)式根據(jù)下面的定義3和定義4轉(zhuǎn)換成森林：

定義3 （a（b））＝｛a，b｜a，b分別為樹(shù)的父、子結(jié)點(diǎn)｝；

定義4 （a，b）＝｛a，b｜a，b為樹(shù)的兄弟結(jié)點(diǎn)｝。

步驟4 對(duì)步驟3中的森林橫向挖掘和縱向挖掘，再回溯到步驟1中驗(yàn)證是否符合邏輯，若符合就保留，不符合或者重復(fù)，則去掉。

3.2 分析問(wèn)題域行為

在基于AUTOSAR 的嵌入式系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)配置中，問(wèn)題域的行為主要是與驅(qū)動(dòng)資源庫(kù)各模塊的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)相關(guān)，包括頭文件和初始化結(jié)構(gòu)體。下面以實(shí)際開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目為例，列舉出驅(qū)動(dòng)配置問(wèn)題域中的所有現(xiàn)有行為，每條自然語(yǔ)言描述一種實(shí)際的行為：

（1）頭文件中宏定義和結(jié)構(gòu)體部分屬性初始化，用戶(hù)可以輸入值對(duì)其賦值。

（2）頭文件中開(kāi)關(guān)函數(shù)和結(jié)構(gòu)體部分屬性的枚舉，用戶(hù)可以從多個(gè)備選中任選其一對(duì)其賦值。

（3）頭文件中的通道選擇，用戶(hù)可以從多個(gè)備選中任選一個(gè)或多個(gè)。

（4）結(jié)構(gòu)體初始化中，結(jié)構(gòu)體嵌套子結(jié)構(gòu)體，內(nèi)層子結(jié)構(gòu)體為一個(gè)整體組合，組合中包含不同的屬性，用戶(hù)在外層輸入數(shù)字代表內(nèi)層組合的重復(fù)次數(shù)。

（5）結(jié)構(gòu)體初始化中，結(jié)構(gòu)體嵌套子結(jié)構(gòu)體，內(nèi)層結(jié)構(gòu)體屬性和外層相同，根據(jù)外層的選擇，內(nèi)層出現(xiàn)相應(yīng)的某個(gè)屬性，每次有且僅有一個(gè)被選中。

（6）結(jié)構(gòu)體初始化中，結(jié)構(gòu)體嵌套子結(jié)構(gòu)體，內(nèi)層結(jié)構(gòu)體屬性和外層相同，內(nèi)層中列出子結(jié)構(gòu)體的屬性，可以任選一個(gè)或多個(gè)。

3.3 轉(zhuǎn)換自然語(yǔ)言

從各種芯片的驅(qū)動(dòng)資源庫(kù)分析可知，其基本界面元素只有編輯框（Edit1，Edit2）、下拉框（Combo）和列表框（List），其它各種復(fù)雜的界面行為都是這幾種基本界面元素的組合，因此用這幾種基本界面元素可以表示各種界面行為。將3.2節(jié)問(wèn)題域中的六條自然語(yǔ)言用界面元素符號(hào)分別表示如下：

（1）Edit1。

（2）Combo。

（3）List。

（4）Edit2，包含Edit1、Combo、List、Edit2，內(nèi)層并列。

（5）Combo包含Combo。

（6）List包含List。

分別令Edit1、Combo、List、Edit2 為樹(shù)結(jié)點(diǎn)a、b、c、e，那么，自然語(yǔ)言抽象如下：

（1）（a）。

（2）（b）。

（3）（c）。

（4）（e（a，b，c，e））。

（5）（b（b））。

（6）（c（c））。

3.4 建立森林

根據(jù)3.3節(jié)抽象出的表達(dá)式，建立如圖3所示的森林。

3.5 潛在規(guī)則挖掘

問(wèn)題域中用自然語(yǔ)言列舉了全部現(xiàn)有行為，再將自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為相應(yīng)表達(dá)式，因此在其基礎(chǔ)上建立的森林覆蓋了現(xiàn)有問(wèn)題域中的所有行為，再針對(duì)森林進(jìn)行潛在規(guī)則的挖掘。

Figure 3 Interface actions of forests圖3 界面行為森林

4 基于樹(shù)拼接的潛在規(guī)則挖掘算法

樹(shù)拼接是對(duì)森林中任何兩棵樹(shù)的根結(jié)點(diǎn)進(jìn)行試探性拼接，符合邏輯的保留，不符合的則去掉。樹(shù)拼接的潛在規(guī)則挖掘包括橫向挖掘和縱向挖掘。

（1）橫向挖掘。

例如，選擇的樹(shù)為a 和b，把b 作為a 的子結(jié)點(diǎn)，返回問(wèn)題域，由于a 在問(wèn)題域中代表的是Edit1，只接收輸入值，不可能在其下出現(xiàn)包含子結(jié)點(diǎn)的情況，所以去掉這種分支。若把a(bǔ)作為b 的子結(jié)點(diǎn)，返回問(wèn)題域，b代表的是Combo，可以包含它本身。若包含其他類(lèi)型的界面元素，如Edit1、List、Edit2，在一個(gè)結(jié)構(gòu)體下嵌套另一子結(jié)構(gòu)體，子結(jié)構(gòu)體有多個(gè)不同類(lèi)型的屬性，只能選其中之一，是符合問(wèn)題域邏輯的，所以保留這個(gè)分支。圖3經(jīng)過(guò)橫向挖掘后，得到的森林T 如圖4所示。

Figure 4 Horizontal mining forest圖4 橫向挖掘后的森林

（2）縱向挖掘。

在森林T 中，如果一棵樹(shù)t1的根結(jié)點(diǎn)與森林T 中任何（包括t1）一棵樹(shù)t2的子結(jié)點(diǎn)同類(lèi)型，那么用樹(shù)t1取代t2的子結(jié)點(diǎn)，且這個(gè)過(guò)程可遞歸。對(duì)于取代拼接的每一種情況，回溯到問(wèn)題域中驗(yàn)證是否符合邏輯，符合則保留，不符合則去掉。

例如，在圖4d 中，根結(jié)點(diǎn)e與子結(jié)點(diǎn)e 同類(lèi)型，所以可用e樹(shù)取代結(jié)點(diǎn)e，虛線(xiàn)表示多層遞歸，返回到問(wèn)題域中驗(yàn)證，e代表Edit2，可包含Edit1、Combo、List、Edit2，且中間過(guò)程可以一直遞歸下去，所以符合問(wèn)題域邏輯，保留該分支，如圖5 所示。

Figure 5 Vertical expansion figure 4d圖5 縱向擴(kuò)展圖4d

按此方法，圖4經(jīng)縱向挖掘后最終得到的森林如圖6所示。

Figure 6 Vertical excavation forest圖6 縱向挖掘后的森林

最終的森林包含了問(wèn)題域的現(xiàn)有行為和擴(kuò)展行為，依此為PIM 的規(guī)則建立PIM 模型，可解析映射出盡可能多的界面行為。

5 底層驅(qū)動(dòng)可視化配置應(yīng)用實(shí)例

以實(shí)際項(xiàng)目為例，加入STM8 芯片和XC167芯片到驅(qū)動(dòng)配置軟件中，只需要編寫(xiě)描述各自相關(guān)配置項(xiàng)信息的PIM 模板，其中有下面四種類(lèi)型的界面行為。為方便閱讀，以下的XML 省略掉了結(jié)點(diǎn)的某些屬性。編寫(xiě)完P(guān)IM 模板，將其導(dǎo)入到配置軟件中，通過(guò)解析即可映射出相應(yīng)的界面元素，XML結(jié)點(diǎn)映射界面記錄，XML 中結(jié)點(diǎn)間的包含、并列及各種組合關(guān)系也在界面的各條記錄中體現(xiàn)。

（1）Edit1，接收用戶(hù)輸入值。

如圖7a所示，屬性名縱列的Name1 為XML模板的EditItem 中name值的映射，屬性值縱列的1為EditItem 中value值的映射。

（2）Combo，可包含用戶(hù)輸入型Edit1、枚舉型Combo、列表型List和綜合型Edit2。ComboItem的value值只能是其子結(jié)點(diǎn)中的某一個(gè)。

如圖7b所示，屬性名縱列中LIN＿CHNEL映射XML模板第一級(jí)ComboItem 的name值，屬性值縱列中STD＿ON[]映射第一級(jí)ComboItem 的value值。而LIN＿CHNEL 的子結(jié)點(diǎn)STD＿ON[]映射第二級(jí)ListItem 的name值。子結(jié)點(diǎn)LIN＿UART 遞歸映射第三級(jí)EditItem 的name值，LIN＿UART 映射value值。

（3）List，可包含用戶(hù)輸入型Edit1、枚舉型Combo、列表型List和綜合型Edit2。ListItem 的子結(jié)點(diǎn)有selected屬性，表示是否選中該結(jié)點(diǎn)。

Figure 7 Configuration software graphical interface screenshots圖7 配置軟件圖形界面截圖

如圖7b所示，屬性名縱列中ADC＿ATDx[]映射XML模板第一級(jí)ListItem 的name值，而它下面包含子結(jié)點(diǎn)ADC＿CT、ADC＿HT、ADC＿ATD0[]和ADC＿ATD1[]為XML 模板第二級(jí)結(jié)點(diǎn)，前兩項(xiàng)為第二級(jí)EditItem 的name值映射，后兩項(xiàng)為第二級(jí)ListItem 的name值映射，而ADC＿ATD0[]和ADC＿ATD1[]下的子結(jié)點(diǎn)又分別遞歸映射第三級(jí)EditItem 的name和value值。

（4）Edit2，EditArray 下包含Base結(jié)點(diǎn)，Base只起邊界限定作用，不代表具體行為。Base下的所有子結(jié)點(diǎn)是需要重復(fù)地組合，組合中有用戶(hù)輸入型Edit1、枚舉型Combo、列表型List和綜合型Edit2。重復(fù)的次數(shù)由用戶(hù)輸入值控制。

如圖7a所示，屬性名縱列中Name2映射第一級(jí)EditArray的name值，屬性值縱列中四映射其value值。值4表示其下有4組并列，分別用base0～base3 標(biāo)識(shí)邊界，這里只用base0 一組為例，base0為第二級(jí)Base結(jié)點(diǎn)的name值映射，起邊界作用。SpiBufferNumber[0]、SpiChannelTyp[0]、whatever[0]和SpiJobAssignment[0]為base0 下的三級(jí)結(jié)點(diǎn)，前兩項(xiàng)為第三級(jí)EditItem 各項(xiàng)值的映射，第三項(xiàng)為第三級(jí)ListItem 各項(xiàng)值映射，第四項(xiàng)為第三級(jí)EditArray遞歸映射。Whatever[0]下的子結(jié)點(diǎn)Name3、Name4和Name5為第四級(jí)EditItem 遞歸映射的name 屬性值。SpiJobAssignment[0]的值為3，說(shuō)明其下子結(jié)點(diǎn)有三組，分別用base00～base02標(biāo)識(shí)，這里以base00為例，base00為SpiJobAssignment[0]下的第五級(jí)Base遞歸映射，而ChannelAssignment[0]為base00下的第六級(jí)EditItem 遞歸映射。

圖7a 和圖7b 為不同芯片驅(qū)動(dòng)相關(guān)模塊的XML模板映射界面截圖，從圖中可知，該方法能完整地將含有配置信息的XML 模板映射到圖形界面，且保持XML 模板中結(jié)點(diǎn)間的父子和兄弟關(guān)系。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)嵌入式系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)的PIM 潛在規(guī)則進(jìn)行挖掘，使驅(qū)動(dòng)配置軟件在設(shè)計(jì)時(shí)以更全面的PIM 模型為基礎(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用證明了在面對(duì)不同芯片時(shí)，該軟件能很好地兼容，大大降低了二次開(kāi)發(fā)的成本。

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