基于ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式構(gòu)件元模型研究

師麗斌，李蜀瑜

（陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119）

新一代航電系統(tǒng)正朝著高度綜合化、模塊化和系統(tǒng)高度容錯等方向不斷發(fā)展與完善，隨之也帶來航電軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)的工作量變大、難度變高、開發(fā)周期和成本難以控制等問題。急需得到新方法和技術(shù)來支持航電軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

目前，基于AADL（Architecture Analysis and Design Language）的航電系統(tǒng)建模技術(shù)和嵌入式構(gòu)件化方法是最受重視的方法和技術(shù)[1-2]?；贏ADL的建模技術(shù)主要解決航電系統(tǒng)所面臨的空間/時(shí)間確定性、測試與驗(yàn)證等問題，從而提高航電系統(tǒng)軟件的可靠性，降低系統(tǒng)開發(fā)及驗(yàn)證成本[3]。但是，由于目前AADL的語法、語義及擴(kuò)展（Annex）機(jī)制等仍在發(fā)展與完善中，而且AADL十分復(fù)雜，它涉及的計(jì)算機(jī)理論較深，領(lǐng)域工程師和設(shè)計(jì)人員難以在較短時(shí)間內(nèi)熟練掌握，因而難以短時(shí)間內(nèi)推廣。而嵌入式構(gòu)件化技術(shù)[4]是基于面向?qū)ο螅∣bject Oriented，OO）技術(shù)上的更高級抽象，它把已存在的嵌入式構(gòu)件組裝到正在開發(fā)的嵌入式軟件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)中，從而提高軟件開發(fā)效率、降低軟件開發(fā)成本且經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)施，目前已相對成熟。所以文章擬通過嵌入式構(gòu)件化的方法來解決航電系統(tǒng)目前亟待解決的問題。

嵌入式構(gòu)件模型是基于構(gòu)件化開發(fā)的前提，它規(guī)范了嵌入式構(gòu)件必須遵循與其他構(gòu)件實(shí)現(xiàn)正常交互的標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣。目前比較成熟的嵌入式構(gòu)件模型有飛利浦公司用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的Koala、ABB公司用于現(xiàn)場總線技術(shù)的PECOS[5]以及比利時(shí)IWT協(xié)會贊助SEESCOA項(xiàng)目的CCOM模型[6]等等。但是，這些嵌入式構(gòu)件模型均是針對各自專業(yè)領(lǐng)域所作出的設(shè)計(jì)，通過對這些模型的分析，發(fā)現(xiàn)它們并不支持航電軟件系統(tǒng)所廣泛采用的接口規(guī)范ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)[7]。Vanderbilt University通過對CORBA構(gòu)件模型（Cobar Component Model，CCM）進(jìn)行裁剪和修改，提出了適用于ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)的ACM嵌入式構(gòu)件[8]，但是該構(gòu)件模型支持跨分區(qū)間的方法調(diào)用，在運(yùn)行過程可能由于分區(qū)間方法的調(diào)用造成分區(qū)間的相互影響，而這與ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)所強(qiáng)調(diào)的時(shí)空分區(qū)不相符。通過對ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)的研究提出了適用于ARINC 653的嵌入式構(gòu)件元模型ECOM。

1 符合ARINC653的嵌入式構(gòu)件模型ECOM

通過對ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，總結(jié)出符合ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件必須滿足以下4個(gè)條件：

1）構(gòu)件必須滿足實(shí)時(shí)性能的規(guī)定，因?yàn)锳RINC 653是強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；

2）構(gòu)件必須有良好的交互語義，使其能夠從底層的構(gòu)件裝配分析系統(tǒng)的屬性；

3）構(gòu)件必須支持靜態(tài)內(nèi)存分配，因?yàn)樵贏RINC 653中必須事先知道所有可能的任務(wù)以確保它們可以被調(diào)度；

4）構(gòu)件的部署必須滿足ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)空分區(qū)的要求。

針對上述條件提出了符合ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式構(gòu)件模型ECOM，首先采用UML擴(kuò)展機(jī)制定義了構(gòu)件元模型，它是一個(gè)可視化、易讀的模型，但其所表達(dá)的構(gòu)件模型的語法并不嚴(yán)密，文章采用構(gòu)件描述語言（Component Description Language，CDL）對ECOM構(gòu)件模型的標(biāo)準(zhǔn)化描述，采用前后文無關(guān)文法（CFG），并使用巴思諾范式（BNF）進(jìn)行描述[9]，為下一步ECOM構(gòu)件模型的重用和組合提供幫助。由于文章主題及篇幅的原因，在文章中并不詳細(xì)闡述關(guān)于CDL語法等相關(guān)信息。下文主要從ECOM構(gòu)件元模型、構(gòu)件交互和構(gòu)件組合3個(gè)方面對其進(jìn)行描述。

1.1 ECOM構(gòu)件元模型

ECOM構(gòu)件元模型如圖1所示，采用UML擴(kuò)展機(jī)制定義了元模型的所有元素及其相互關(guān)系。圖中的每個(gè)概念在CDL中都有對應(yīng)的關(guān)鍵字。

ECOM構(gòu)件元模型的核心部件是構(gòu)件（Component），其次是具有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)特點(diǎn)的構(gòu)件觸發(fā)器 （Tigger）、屬性（ComAtttibute）、 接口 （Interface）、 端口 （Port） 和構(gòu)件參數(shù)（ComParameter），其他輔助的元對象還有操作（Operation）、結(jié)構(gòu)體（Struct）、聯(lián)合體（Union）、枚舉類型（Enumeration）、基本數(shù)據(jù)類型（Fundamental Types）。下面詳細(xì)介紹結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)特點(diǎn)的元模型部件。

構(gòu)件：它是元模型所要描述的核心部件。構(gòu)件中可以包含零個(gè)或多個(gè)構(gòu)件參數(shù)、零個(gè)或多個(gè)構(gòu)件屬性、零個(gè)或多個(gè)接口、零個(gè)或多個(gè)端口Port。構(gòu)件中所包含的接口分為向構(gòu)件外部提供服務(wù)的接口（Provide接口）和需要外部其它構(gòu)件提供服務(wù)的接口（Require接口）；所包含的端口分為向外部發(fā)布數(shù)據(jù)的端口（Publish端口）和接收其它構(gòu)件所發(fā)布的數(shù)據(jù)的端口（Consume端口）。

構(gòu)件觸發(fā)器：是指構(gòu)件中可以被周期性觸發(fā)的內(nèi)部方法。它可以是由時(shí)鐘觸發(fā)也可以由一個(gè)事件來觸發(fā)這個(gè)內(nèi)部方法，而且必須有一個(gè)有限的、非零的周期。本文提出的構(gòu)件模型通過在模型中加入構(gòu)件觸發(fā)器并通過設(shè)置構(gòu)件觸發(fā)器及其配置屬性來使構(gòu)件滿足系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性能。例如加入周期、截止時(shí)間、構(gòu)件執(zhí)行的的前置條件和后置條件等來判斷構(gòu)件的執(zhí)行與否以及故障反饋等。

圖1 ECOM構(gòu)件元模型Fig.1 Component metamodel of ECOM

構(gòu)件屬性：是指構(gòu)件自身的狀態(tài)。構(gòu)件狀態(tài)是由其自身的屬性值反映的，可以外部觀察到。狀態(tài)的設(shè)置只能由構(gòu)件自身進(jìn)行，外部不得設(shè)置其狀態(tài)，只能通過調(diào)用構(gòu)件關(guān)于屬性的get方法獲取構(gòu)件的狀態(tài)。

接口：獨(dú)立于構(gòu)件之外定義，使接口的定義可以在不同的構(gòu)件中復(fù)用。每一個(gè)構(gòu)件定義必須說明自己對外提供哪些provide接口，以及需要外部提供哪些require接口。接口只有本地接口一種，即只能向同一分區(qū)中的構(gòu)件提供方法調(diào)用服務(wù)。

端口：是指數(shù)據(jù)端口，用于在構(gòu)件間進(jìn)行數(shù)據(jù)或事件的通信。它也獨(dú)立于構(gòu)件之外定義，每一個(gè)構(gòu)件定義必須說明自己對外提供哪些publish端口，以及需要外部提供哪些consumer端口。端口定義關(guān)聯(lián)一個(gè)已定義的數(shù)據(jù)類型，比如可以是一個(gè)枚舉、結(jié)構(gòu)、或者聯(lián)合體。端口定義為本地或遠(yuǎn)程端口，本地端口僅能為同一分區(qū)內(nèi)的各構(gòu)件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而遠(yuǎn)程端口則可以跨分區(qū)甚至跨CPU進(jìn)行通信。

構(gòu)件參數(shù)：用于在初始化過程中配置屬性信息，用于控制構(gòu)件的工作模式。由于ARINC 653中的時(shí)空分區(qū)，構(gòu)件部署必須是靜態(tài)內(nèi)存分配，且不允許動態(tài)的分配內(nèi)存，所以一旦在初始化過程中設(shè)置構(gòu)件的屬性則在該構(gòu)件的生命周期中保持不變。

1.2 構(gòu)件交互

由于ARINC 653規(guī)范所要求分區(qū)間空間的隔離，在分區(qū)間和分區(qū)內(nèi)所采用的通信機(jī)制并不相同，所以定義ECOM構(gòu)件間交互為遠(yuǎn)程交互和本地交互。遠(yuǎn)程交互負(fù)責(zé)分區(qū)間構(gòu)件的交互而本地交互負(fù)責(zé)同一分區(qū)內(nèi)構(gòu)件的交互。

遠(yuǎn)程交互：構(gòu)件間只能通過端口進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)分區(qū)間進(jìn)程的通信。端口交互屬于異步交互，一個(gè)consumer端口只能連接一個(gè)publish端口，但一個(gè)publish端口可被連接到多個(gè)consumer端口。publish端口和consumer端口之間的消息類型需要嚴(yán)格的事件類型匹配。在ECOM構(gòu)件模型中，publish端口和consumer端口都分為周期性和非周期性，因此在構(gòu)件的定義過程中應(yīng)注意端口數(shù)據(jù)有效性，即數(shù)據(jù)停留在端口的時(shí)間小于用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)刷新周期時(shí)間。

本地交互：構(gòu)件間不僅能夠通過上述的端口通信實(shí)現(xiàn)分區(qū)內(nèi)進(jìn)程間的通信，而且能夠通過接口方法調(diào)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步。接口交互屬于同步交互，即采用調(diào)用-返回語義，但是接口可以由關(guān)鍵字oneway指明其是單向的，即調(diào)用者調(diào)用該接口時(shí)，不必等待其返回結(jié)果，也可實(shí)現(xiàn)異步接口調(diào)用。一個(gè)require接口只能關(guān)聯(lián)一個(gè)provide接口。一個(gè)provide接口可以關(guān)聯(lián)多個(gè)require接口。由于這些交互的同步特性，調(diào)用者require接口中的方法的截止期必須大于被調(diào)用者的provide接口中方法的截止期限。

需要注意的是，雖然遠(yuǎn)程交互和本地交互均采用了端口交互，但是在交互的實(shí)現(xiàn)過程中遠(yuǎn)程交互依賴APEX中的分區(qū)間通訊接口實(shí)現(xiàn)，而本地端口則采用APEX分區(qū)內(nèi)通訊接口實(shí)現(xiàn)。

1.3 構(gòu)件組合

根據(jù)ARINC 653系統(tǒng)所要求的應(yīng)用軟件分區(qū)部署提出將構(gòu)件的組合分為3類。

1）子構(gòu)件：構(gòu)件內(nèi)部不包含其他構(gòu)件的構(gòu)件；

2）分區(qū)內(nèi)組合構(gòu)件：在ARINC 653系統(tǒng)中同一分區(qū)內(nèi)部，由多個(gè)構(gòu)件通過本地端口和接口組裝而成的構(gòu)件，使多個(gè)功能簡單的構(gòu)件構(gòu)成一個(gè)功能更為復(fù)雜的構(gòu)件；

3）系統(tǒng)構(gòu)件：在ARINC 653系統(tǒng)中不同分區(qū)，各分區(qū)內(nèi)組合構(gòu)件通過構(gòu)件容器端口組合成的一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)件是閉合的，所以該系統(tǒng)構(gòu)件中的所有為其他構(gòu)件提供數(shù)據(jù)端口必須綁定到其實(shí)現(xiàn)上，而需要其他構(gòu)件提供數(shù)據(jù)的端口必須注意其數(shù)據(jù)類型的匹配。圖2描述了構(gòu)件層次及其端口連接。其中端口和接口的實(shí)心代表本地端接口，空心代表遠(yuǎn)程端口

圖2 構(gòu)件組合及端口/接口連接Fig.2 Component combination and Port/Interface interaction

構(gòu)件組合的原則是：

1）在復(fù)合構(gòu)件中提供的端口與接口是由其子構(gòu)件的遠(yuǎn)程端口和遠(yuǎn)程接口提供的，復(fù)合構(gòu)件本身盡量避免提供在子構(gòu)件沒有的端口和接口；

2）復(fù)合構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)件的交互如果是分區(qū)內(nèi)構(gòu)件交互通過本地端口或本地接口直接交互；

3）復(fù)合構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)件的交互如果是不同分區(qū)構(gòu)件的交互，則必須通過構(gòu)件容器所提供的端口進(jìn)行交互。

2 CDL/標(biāo)準(zhǔn)C++框架代碼的生成

將上文定義的ECOM構(gòu)件模型利用CDL語言進(jìn)行描述并將其映射成能夠運(yùn)行在ARINC 653系統(tǒng)的C++應(yīng)用成為驗(yàn)證ECOM構(gòu)件元模型正確性和可用性的重要標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是采用構(gòu)件化開發(fā)航電系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵點(diǎn)之一。目前，為提高效率、降低難度，采用Windows平臺下Vxworks 653仿真系統(tǒng)對模型的正確性等進(jìn)行驗(yàn)證，開發(fā)環(huán)境為VS2010。將構(gòu)件模型的CDL文件經(jīng)CDL編譯器編譯映射為C++框架代碼，構(gòu)件實(shí)現(xiàn)人員只需添加構(gòu)件的業(yè)務(wù)邏輯處理代碼就可編譯運(yùn)行在仿真系統(tǒng)中。

標(biāo)準(zhǔn)C++中存在操作、結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體以及基本數(shù)據(jù)類型的關(guān)鍵字，所以只需將CDL中的這些元素的關(guān)鍵字直接映射為C++中的關(guān)鍵字即可，在此并不詳述。文章列舉了ECOM構(gòu)件關(guān)鍵元素的CDL文法到標(biāo)準(zhǔn)C++代碼框架映射規(guī)則。

規(guī)則1：CDL中的每一個(gè)構(gòu)件類型映射為C++中的一個(gè)頭文件和一個(gè)CPP文件。一個(gè)構(gòu)件（Compent）映射的C++的一個(gè)class，在相應(yīng)的頭文件中存放所映射的C++類的申明，其中聲明部分包括構(gòu)件參數(shù)、構(gòu)件屬性、端口以及接口的聲明。在CPP文件中，放置該類中相關(guān)方法的實(shí)現(xiàn)代碼；

規(guī)則2：CDL中每一個(gè)端口類型（Port）映射為C++的一個(gè)頭文件，將CDL該類型的一個(gè)端口映射為該頭文件中的一個(gè)class，該類包含protect數(shù)據(jù)成員，用于記錄端口所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是要發(fā)布數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。在實(shí)現(xiàn)該端口的cpp文件中，若端口為本地端口，調(diào)用APEX中的分區(qū)內(nèi)通訊接口，否則，調(diào)用APEX中分區(qū)間通訊接口實(shí)現(xiàn)。

規(guī)則3：CDL的每一個(gè)接口類型（Interface）映射為C++的一個(gè)頭文件，將CDL該類型的一個(gè)接口映射為C++頭文件中的一個(gè) class，其中接口中的操作（Operation）映射為類中public的純虛函數(shù)。在實(shí)現(xiàn)該端口的cpp文件中，調(diào)用APEX中的分區(qū)內(nèi)通訊接口。

規(guī)則 4：CDL構(gòu)件的參數(shù) （ComParamater）和屬性（ComAttribute）由于均只能是基本數(shù)據(jù)類型或枚舉類型，對構(gòu)件中的每個(gè)參數(shù)或?qū)傩詫⑺鼈冇成錇镃++中對應(yīng)的基本類型或枚舉類型，并自動生成對應(yīng)的set（）和get（）方法對其進(jìn)行設(shè)定和讀取。

規(guī)則5：CDL構(gòu)件的觸發(fā)器（Tigger）映射為C++的一個(gè)頭文件，將CDL該類型映射為C++頭文件的一個(gè)class，其中的方法映射為類中public的純虛函數(shù)。在實(shí)現(xiàn)該方法中，調(diào)用APEX中時(shí)間管理接口來實(shí)現(xiàn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

以一個(gè)簡化的導(dǎo)航系統(tǒng)為例，介紹ECOM構(gòu)件模型及其自動生成標(biāo)準(zhǔn)C++代碼框架的具體實(shí)現(xiàn)。

首先，為導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)件模型定義名為Navigation.cdl的文本文件，描述GPS構(gòu)件模型經(jīng)傳感器構(gòu)件獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，加工處理傳遞給導(dǎo)航構(gòu)件處理的功能，其CDL定義如圖3左部構(gòu)件模型CDL描述所示，根據(jù)映射規(guī)則，將CDL文件中結(jié)構(gòu)體、端口以及接口映射到名為DataType的文件中，將Sensor、GPS、NaviDIsply三個(gè)構(gòu)件模型映射分別映射到以其命名的文件中，Navigation.cdl文件經(jīng)編譯后自動生成如下的代碼框架，如圖3右部給出了GPS構(gòu)件的CDL描述映射為C++代碼。

圖3 CDL描述構(gòu)件模型及映射為C++代碼Fig.3 CDL description of component model and mapping to C++code

4 結(jié) 論

文章利用構(gòu)件化思想提出了一個(gè)適用于ARINC 653的構(gòu)件元模型ECOM，并設(shè)計(jì)其交互規(guī)范及構(gòu)件間的組合，通過將構(gòu)件模型轉(zhuǎn)化為C++代碼框架并運(yùn)行在仿真環(huán)境下，驗(yàn)證了構(gòu)件模型的正確性，使構(gòu)件開發(fā)人能夠?qū)Ｗ⒂跇?gòu)件內(nèi)部的邏輯實(shí)現(xiàn)，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)難度。在后續(xù)的工作中，還將研究在構(gòu)件模型實(shí)例化時(shí)確定構(gòu)件的實(shí)時(shí)特性，以滿足構(gòu)件開發(fā)人員靈活的定義航電系統(tǒng)應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)性要求，以及研究利用WorkBench工具使用ECOM構(gòu)件在VxWorks653系統(tǒng)上開發(fā)出更加實(shí)際和復(fù)雜的航電系統(tǒng)應(yīng)用。

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