嵌入式接口通訊軟件代碼自動(dòng)生成技術(shù)

趙昶宇，胡 平

（1.天津津航計(jì)算技術(shù)研究所，天津300308；2.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢430033）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度也變得越來(lái)越高，嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)部接口和外部接口類型和種類也越來(lái)越豐富，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(jiàn)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(hào)和離散量信號(hào)等。接口通訊代碼程序的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)中的重要方面，它所占的開(kāi)發(fā)比例也越來(lái)越大。一般來(lái)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(shè)計(jì)編制的，也就是說(shuō)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(xì)微改動(dòng)，都有可能需要修改接口通訊軟件代碼。軟件設(shè)計(jì)和編碼人員需要花費(fèi)相當(dāng)大的精力用于維護(hù)該部分代碼，這樣做不僅導(dǎo)致嵌入式接口通訊代碼的開(kāi)發(fā)效率低下，也使得接口通訊代碼的可靠性和可維護(hù)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(jiǎn)稱“ICD”）來(lái)描述和維護(hù)各個(gè)接口之間的關(guān)系，ICD的最大優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，并且獨(dú)立于開(kāi)發(fā)平臺(tái)和任務(wù)[1]。為了解決現(xiàn)有接口通訊軟件代碼開(kāi)發(fā)效率低、可靠性不高的問(wèn)題，本文基于ICD特點(diǎn)提出一種軟件代碼的自動(dòng)生成方法。該方法通過(guò)對(duì)ICD配置文件的讀取和分析，能夠自動(dòng)實(shí)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(wú)需改動(dòng)接口通訊代碼，只需要修改ICD配置文件即可自動(dòng)生成新的接口通訊軟件代碼，極大地提高了軟件開(kāi)發(fā)效率和可靠性。

1 ICD技術(shù)簡(jiǎn)介

ICD通常是一種以數(shù)據(jù)庫(kù)方式的結(jié)構(gòu)化樹(shù)形圖來(lái)進(jìn)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(jìn)行ICD數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)不同的總線類型進(jìn)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(yàn)位和數(shù)據(jù)幀尾。總線類型首先應(yīng)該作為ICD結(jié)構(gòu)樹(shù)中的單獨(dú)一層節(jié)點(diǎn)，總線類型相同但是數(shù)據(jù)幀格式不同的也應(yīng)該單獨(dú)作為ICD結(jié)構(gòu)樹(shù)中的一層節(jié)點(diǎn)。

為了提高后期自動(dòng)生成代碼的效率，將每一個(gè)ICD結(jié)構(gòu)樹(shù)都保存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中[2]。每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立一張表，表中包括建庫(kù)時(shí)間、信號(hào)類型、備注信息等內(nèi)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(hào)類型表，表中包括數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)號(hào)、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(nèi)容、板卡號(hào)、通道號(hào)、接收/發(fā)送狀態(tài)等，將這張表取名為ICD_BusType_Explain。對(duì)于相同總線類型中具有相同數(shù)據(jù)幀格式的報(bào)文建立一張對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，表中包括該數(shù)據(jù)幀的參數(shù)標(biāo)識(shí)號(hào)、參數(shù)名稱、數(shù)據(jù)幀起始位置、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)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(zhǎng)等，將這張表取名為ICD_BusType_FrameName。

上述定義的ICD庫(kù)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(gè)子系統(tǒng)之間、子系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備之間以及設(shè)備內(nèi)部各個(gè)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(kù)文件，代碼的自動(dòng)生成技術(shù)可以很方便地通過(guò)對(duì)通訊協(xié)議的自動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)通訊接口數(shù)據(jù)的自動(dòng)打包和解包處理。一旦通訊協(xié)議發(fā)生變化，無(wú)需修改軟件代碼，只需替換相應(yīng)的ICD數(shù)據(jù)庫(kù)文件即可。接口通訊軟件的ICD配置文件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接口通訊軟件ICD配置文件結(jié)構(gòu)圖

2 XML模板生成、驗(yàn)證和解析

XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）被設(shè)計(jì)用來(lái)傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它具有很強(qiáng)的跨平臺(tái)可移植性，且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)基于文本不需要轉(zhuǎn)換。XML模板生成格式主要采用以下規(guī)則。

XML節(jié)點(diǎn)具有層次化的特點(diǎn)。利用XML的子節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一顆樹(shù)型結(jié)構(gòu)，子節(jié)點(diǎn)的輸出內(nèi)容通常比父節(jié)點(diǎn)要多縮進(jìn)一個(gè)Tab。

節(jié)點(diǎn)名稱具有層次化的特點(diǎn)。同一父節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn)之間如果名稱相同，則在輸出內(nèi)容時(shí)的縮進(jìn)是相同的；如果名稱不相同，則同一父節(jié)點(diǎn)下名稱編號(hào)大的比名稱編號(hào)小的子節(jié)點(diǎn)在輸出內(nèi)容時(shí)要多縮進(jìn)一個(gè)Tab。

節(jié)點(diǎn)內(nèi)容具有層次化的特點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)內(nèi)容中加入一個(gè)“ ”表示一個(gè)縮進(jìn)，加入多少個(gè)“ ”表示輸出內(nèi)容時(shí)縮進(jìn)多少個(gè)Tab。一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)一行目標(biāo)代碼，若輸出新的節(jié)點(diǎn)內(nèi)容時(shí)需增加回車換行。

XML模板驗(yàn)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(gòu)建模塊，后者除了具備前者功能外，還具有良好的可擴(kuò)展性。

XML解析是XML模板生成的逆向過(guò)程，它通過(guò)XML模板生成格式讀取XML模板信息并生成標(biāo)準(zhǔn)格式的目標(biāo)代碼。

圖2為ICD配置文件自動(dòng)生成代碼的原理圖。在圖2中，ICD庫(kù)需要對(duì)RS-422A串口、GJB289A總線、高速總線、開(kāi)關(guān)量和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，找出各種信號(hào)幀數(shù)據(jù)段的規(guī)律，作為生成代碼的依據(jù)；知識(shí)庫(kù)和類型庫(kù)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(shí)確保數(shù)據(jù)一致性；XML模板生成、XML結(jié)構(gòu)定義（XSD）模板驗(yàn)證和XML模板解析用于將ICD庫(kù)中的信息配合知識(shí)庫(kù)自動(dòng)生成XML模板，并采用XSD模板對(duì)XML模板進(jìn)行驗(yàn)證，再通過(guò)解析XML模板得到目標(biāo)代碼。

圖2 ICD配置文件自動(dòng)生成代碼的原理圖

驅(qū)動(dòng)模型。驅(qū)動(dòng)模型根據(jù)ICD庫(kù)的接口描述關(guān)系，對(duì)輸入ICD信息進(jìn)行建模，輸出代碼生成機(jī)理的描述。驅(qū)動(dòng)模型是平臺(tái)無(wú)關(guān)模型，描述了ICD配置文件自動(dòng)生成代碼的機(jī)制，驅(qū)動(dòng)模型的組成和原理如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)模型的組成和原理圖

知識(shí)庫(kù)和類型庫(kù)。知識(shí)庫(kù)用來(lái)存放代碼生成的語(yǔ)法規(guī)則和代碼映射規(guī)則，類型庫(kù)用來(lái)描述代碼生成過(guò)程中所有可能用到的數(shù)據(jù)類型。

詞法分析器。知識(shí)庫(kù)中可變代碼段的XML模板設(shè)計(jì)需要用到詞法分析器。可變代碼段的XML模板的生成是一個(gè)動(dòng)態(tài)建立的過(guò)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(huì)存在多個(gè)變量關(guān)聯(lián)到ICD配置文件的同一個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。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(nèi)存緩沖區(qū)中搜索所有關(guān)聯(lián)到該參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(yàn)證和解析。XXXX軟件根據(jù)ICD配置文件、知識(shí)庫(kù)、類型庫(kù)和詞法分析結(jié)果，并采用XmlWriter設(shè)計(jì)和生成XML模板；采用XMLSchema模板對(duì)生成的XML模板進(jìn)行驗(yàn)證，保證XML模板的語(yǔ)法正確；最后，通過(guò)對(duì)XML模板進(jìn)行解析，生成標(biāo)準(zhǔn)格式的目標(biāo)代碼。

3 接口通訊軟件代碼自動(dòng)生成模型

接口通訊軟件代碼的自動(dòng)生成技術(shù)包含以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：ICD數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模型建立、知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)、類型庫(kù)設(shè)計(jì)以及代碼生成單元設(shè)計(jì)。其中，ICD數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是代碼自動(dòng)生成的基礎(chǔ)和依據(jù)，它將系統(tǒng)中的各種類型總線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總，并找尋出各個(gè)數(shù)據(jù)幀的規(guī)律；驅(qū)動(dòng)模型基于ICD數(shù)據(jù)庫(kù)中描述的數(shù)據(jù)接口關(guān)系，對(duì)每種輸入數(shù)據(jù)元素進(jìn)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(shí)庫(kù)中用于存放生成目標(biāo)代碼的映射規(guī)則、語(yǔ)法規(guī)則和算法等；類型庫(kù)用于存放自動(dòng)生成目標(biāo)代碼過(guò)程中所使用的各種數(shù)據(jù)類型；代碼生成單元是自動(dòng)生成代碼技術(shù)的核心，它根據(jù)ICD數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和類型庫(kù)中的信息，并基于代碼自動(dòng)生成機(jī)理產(chǎn)生最終的目標(biāo)代碼。接口通訊軟件自動(dòng)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(huì)隨著ICD數(shù)據(jù)庫(kù)的變化而改變。②專用代碼。需要根據(jù)每種數(shù)據(jù)幀進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)操作的函數(shù)。

通過(guò)讀取ICD數(shù)據(jù)庫(kù)配置文件，并基于上述驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)體，并生成相應(yīng)的打包和解包函數(shù)，從而構(gòu)建接口通訊軟件的專用代碼。在生成專用代碼的同時(shí)，可以分析并構(gòu)建接收代碼和發(fā)送代碼，通用代碼可以通過(guò)知識(shí)庫(kù)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(dòng)生成流程

為了實(shí)現(xiàn)接口通訊軟件代碼自動(dòng)生成技術(shù)的通用化，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)為任何一個(gè)數(shù)據(jù)幀保存一個(gè)對(duì)應(yīng)的配置文件。在自動(dòng)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(yīng)的結(jié)構(gòu)體內(nèi)，并基于知識(shí)庫(kù)中的語(yǔ)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(yīng)配置文件內(nèi)容后，重新加載一遍配置文件即可。然后通過(guò)對(duì)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(nèi)容，針對(duì)每種數(shù)據(jù)幀生成相應(yīng)的打包和解包函數(shù)；同時(shí)，通過(guò)對(duì)類型庫(kù)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(dòng)生成的流程如圖5所示。

圖5 接口通訊軟件代碼自動(dòng)生成流程圖

針對(duì)不同總線類型的報(bào)文或是同一種總線類型但數(shù)據(jù)幀格式不同的報(bào)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(dòng)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(duì)相同總線類型不同數(shù)據(jù)幀格式的報(bào)文采用通用的自動(dòng)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(dāng)作一個(gè)總線處理函數(shù)庫(kù)，通過(guò)設(shè)計(jì)并不斷優(yōu)化該總線處理函數(shù)庫(kù)，使得該總線類型下的所有數(shù)據(jù)幀格式的報(bào)文均能夠采用上述的總線處理函數(shù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終使得接口通訊軟件的代碼自動(dòng)生成技術(shù)具有更廣泛的適用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種嵌入式接口通訊軟件代碼的自動(dòng)生成方法，進(jìn)行了ICD數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模型建立、知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)、類型庫(kù)設(shè)計(jì)以及代碼生成單元設(shè)計(jì)。該方法已經(jīng)在某航空監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，大大提高了軟件代碼的開(kāi)發(fā)效率和軟件可靠性。