复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言:AADL

首先归纳了AADL(architecture analysis and design language)的发展历程及其主要建模元素.其次,从模型驱动设计与实现的角度综述了AADL在不同阶段的研究与应用,总结了研究热点,分析了现有研究的不足,并对AADL的建模与分析工具、应用实践进行了概述.最后,探讨了AADL的发展与研究方向.     

AADL建模工具的设计

设计一种架构分析与设计语言(AADL)建模工具,便于用户建立AADL模型.基于模型驱动体系结构思想,在Eclipse插件开发平台上开发可扩展的插件集合AADL模型设计工具.用户根据该工具建立的嵌入式系统AADL架构模型,通过XML文档保存,分析与验证工具以第三方插件的形式集成到该工具中,提取系统的AADL架构模型.通过应用实例验证了该工具的有效性.     

基于AADL的无线传感器网络的建模与分析

利用结构分析与设计语言AADL(Architecture Analysis and Design Language)对无线传感器网络进行建模,并对其中一个节点进行了详细的分析.介绍AADL语言以及它在嵌入式系统中建模的优势,展示了无线传感器网络的特征和关键技术.结合AADL,针对温度传感器案例,对温度传感器的结构及功能进行了详细描述,充分体现了此传感器节点的工作原理与内部结构,有助于提高其结构上的可改进性和扩展性,以进一步应用到传感器网络中.     

AADL进程子集行为语义研究

AADL是一种基于组件的半形式化建模语言,采用结构化方法对大型复杂软件系统的软硬件进行统一建模,有效描述系统的功能行为、非功能属性以及运行时的体系结构动态演化,但其许多问题需要进一步研究与完善。本文首先分析了AADL形式语义研究现状,然后定义了AADL进程子集的形式语言,建立了AADL进程子集通信模型,通过对事件的形式化定义和分析体现了事件在系统状态转变过程中的重要作用,对AADL进程子集行为语义进行了研究。与相关研究成果的对比说明了本文的优势。本文为AADL语言及其形式语义的发展提供了一种有益的参考,进一步完善大型复杂软件系统体系结构建模与分析技术。     

AADL模型的形式化研究

在嵌入式系统建模领域,AADL以其软硬件协同建模的特点已经逐渐成为业界的标准。围绕AADL的形式化特点,国内外众多学者展开了热烈的讨论。为了帮助系统开发人员深入了解AADL,指导软件开发进程,提高基于AADL模型的软件开发效率,分别从AADL模型可靠性分析、可调度性分析以及AADL模型测试这三个不同角度综述了已经出现的各种AADL形式化验证理论,对比分析了它们的优点和不足。简要介绍有关AADL验证工具,研究基于AADL模型的嵌入式开发平台的构建。     

AADL模型的形式化研究

在嵌入式系统建模领域,AADL以其软硬件协同建模的特点已经逐渐成为业界的标准。围绕AADL的形式化特点,国内外众多学者展开了热烈的讨论。为了帮助系统开发人员深入了解AADL,指导软件开发进程,提高基于AADL模型的软件开发效率,分别从AADL模型可靠性分析、可调度性分析以及AADL模型测试这三个不同角度综述了已经出现的各种AADL形式化验证理论,对比分析了它们的优点和不足。简要介绍有关AADL验证工具,研究基于AADL模型的嵌入式开发平台的构建。     

ARINC653航空电子系统AADL建模技术研究

随着ARINC653系统在我国航空领域的广泛应用,研究ARINC653系统建模方法将为进一步研究基于模型的ARINC653系统可靠性、可调度性分析奠定基础.详细研究了ARINC653系统AADL建模的方法,具体描述了ARINC653系统、分区、进程、进程通信和健康监控等核心元素的AADL建模映射机制,并进行实例说明.     

基于AADL的建模和验证技术应用研究

随着嵌入式系统规模、复杂度和性能需求的提升,嵌入式系统开发的重点从代码级提前到模型级;体系结构分析和设计语言AADL能够在模型级对系统进行建模,并通过一系列验证尽早发现系统设计中的问题,在航空航天等嵌入式系统中具有广阔的应用前景;全面系统地介绍了基于AADL的建模、验证的具体方法步骤、实现手段和工具,并以简化的飞行控制系统为例具体讲述了AADL的建模和验证技术的实际应用,从而为AADL技术在我国嵌入式软件中的应用奠定了基础。     

基于时间抽象状态机的AADL模型验证

提出了一种基于时间抽象状态机(timed abstract state machine,简称TASM)的AADL(architecture analysis and design language)模型验证方法.分别给出了AADL子集和TASM的抽象语法,并基于语义函数和类ML的元语言形式定义转换规则.在此基础上,基于AADL开源建模环境OSATE(open source AADL tool environment)设计并实现了AADL模型验证与分析工具AADL2TASM,并基于航天器导航、制导与控制系统(guidance,navigation and control)进行了实例性验证.     

飞行管理系统AADL建模与分析

航空电子系统软件的建模与分析是保证军用和民用飞机高可靠、高性能的重要手段,也是模型驱动软件体系结构的重要组成部分。飞行管理系统作为航空电子系统的重要组成部分,传统上,对该系统的可调度性分析是在系统设计完成后,在实现与验证阶段进行的,这使得系统无法进行的准确地软硬件需求分析。采用先进的建模方法AADL对其进行建模,为飞行管理系统的可调度性分析、可靠性分析以及通信延迟等分析提供了可能,使得在系统需求分析阶段就可以准确确定系统的软硬件需求,并能大大降低系统的更改验证成本。首先论述了建模语言AADL的基本构成以及与航空电子应用接口规范ARING653的对应关系;然后描述了飞行管理系统的功能构成,并建立了飞行管理系统的AADL模型;最后详细论述了系统调度理论,AADL工具,飞管系统AADL模型的仿真分析。通过仿真分析为飞管系统的处理器选型、系统设计、软件设计与优化提供了依据。     

嵌入式软件系统体系结构可靠性分析方法

AADL是嵌入式领域对SA进行建模、评估的常用方法,但其属于一种半形式化开发语言,无法直接对SA的可靠性进行验证。为此,提出一种基于AADL的可靠性分析框架,对SA的可靠性进行形式化验证。首先通过分析系统体系结构的元素关系,建立AADL可靠性模型;然后设计转换模型及其规则,将AADL模型转换为连续时间马尔科夫链模型;最后采用概率模型检验工具对连续时间马尔科夫链模型进行可靠性定量分析。仿真结果表明,与现有可靠性分析方法相比,该方法在计算效率和转换效率上都有明显的提高。基于AADL的可靠性分析框架实现在软件系统开发早期对SA进行可靠性定量计算,为AADL在嵌入式软件系统可靠性定量分析方面提供了一种新的验证思路。     

AADL+: a simulation-based methodology for cyber-physical systems

AADL (architecture analysis and design language) concentrates on the modeling and analysis of application system architectures. It is quite popular for its simple syntax, powerful functionality and extensibility and has been widely applied in embedded systems for its advantage. However, it is not enough for AADL to model cyber-physical systems (CPS) mainly because it cannot be used to model the continuous dynamic behaviors. This paper proposes an approach to construct a new sublanguage of AADL called AADL+, to facilitate the modeling of not only the discrete and continuous behavior of CPS, but also interaction between cyber components and physical components. The syntax and semantics of the sublanguage are provided to describe the behaviors of the systems. What’s more, we develop a plug-in to OSATE (open-source AADL tool environment) for the modeling of CPS. And the plug-in supports syntax checking and simulation of the system model through linking with modelica. Finally, the AADL+ annex is successfully applied to model a lunar rover control system.     

一种结合AADL和IMC的系统可靠性建模方法

随着嵌入式软件在安全关键领域广泛应用,系统可靠性随着其规模、复杂度和性能需求的不断提升而愈显重要。结构分析设计语言AADL是应用于嵌入式领域的体系结构建模、分析和验证的重要手段。由于AADL是一种半形式化模型,需要精确描述其语义才能进行定量分析。提出一种基于AADL的系统可靠性建模方法。首先,结合AADL模型和AADL错误模型附件,得到AADL可靠性模型;然后,提出一种模型转换方法,将AADL可靠性模型的基本元素和错误传播等特殊元素转换到交互式马尔科夫链模型IMC,进行可靠性定量分析;最后,结合法国空中交通控制系统的实例,证明该方法的可行性和有效性。     

一种SysML模型到AADL模型的自动转换方法

安全关键系统的实现需要通过需求、设计、集成、验证和测试等多个阶段。近年来,模型驱动开发方法逐渐成为安全关键系统设计与开发的重要手段。由于还没有一个建模语言能够支持整个安全关键系统开发生命周期,因此选择集成使用2种广泛使用的标准语言:系统建模语言(SysML)和嵌入式实时系统体系结构分析与设计语言(AADL)。SysML和AADL提供了同一系统的2个不同视图,SysML模型为系统工程师提供了一个系统视图,AADL为架构设计师建立一个较低层次的设计视图,它结合了实现所有功能的硬件、操作系统和代码。提出一种SysML模型到AADL模型的自动转换方法。首先,定义SysML子集SubSysML,主要包括模块定义图(BDD)、内部模块图(IBD)、活动图(ACT)子集和从IBD和BDD扩展的AADL Profile;其次,定义SubSysML到AADL的转换规则并设计转换算法;然后,对生成的AADL初始模型进行精化;最后,使用EMF框架技术实现SubSysML到AADL的模型转换工具并通过雷达案例验证所提方法的有效性。     

面向CPS时空性质验证的混成AADL建模与模型转换方法

随着信息物理融合系统CPS （Cyber Physical System）研究的深入,CPS的安全性问题越来越受到人们的广泛关注,如何验证CPS时空不一致的安全性问题已经成为研究热点.本文针对该问题提出了面向CPS时空性质验证的混成AADL （Architecture Analysis&Design Language）建模与模型转换方法.首先,扩展AADL行为附件的时空描述能力,提出混成AADL （Hybrid Architecture Analysis&Design Language）,用于建模CPS的时空性质;其次,在进程代数中引入微分方程以及位置描述提出HP-TCSP,能够验证CPS的时空性质;再次,通过模型转换将混成AADL转换为HP-TCSP,从而可以将混成AADL描述的CPS模型在HP-TCSP中进行时空一致性验证;最后通过一个飞机避撞系统实例,验证该方法的有效性.     

采用AADL的软件系统可靠性建模与评估方法

结构分析与设计语言(architecture analysis and design language,AADL)是应用于嵌入式领域的体系结构建模、分析和验证的重要手段。针对系统可靠性随着其规模、复杂度和性能需求的不断提升而愈显突出的问题,给出了一个基于AADL的软件系统可靠性建模与评估框架:首先建立AADL可靠性模型,然后将其转换为广义随机Petri网(generalized stochastic Petri net,GSPN)模型后再进行分析,最后根据分析结果判断是否需要进行模型改进。在研究已有的基本转换规则的基础上,重点讨论了系统中组件之间错误传播以及表示系统发生模式转换的Guard_Transition属性到GSPN的转换规则。以某飞行控制系统中数据发送和处理单元为实例,验证了所提转换规则和可靠性建模与评估框架的有效性。     

基于Uppaal的实时系统AADL数据流模型的转换与验证

体系结构分析设计语言AADL是一种可支持软硬件一体化建模及同一模型多元分析的形式化与图形化建模语言。采用时间自动机形式化模型检验方法对AADL模型中的数据流进行转换和验证。考虑到单一数据流与混合数据流的差异性,分别设计了数据流到时间自动机模型的转换规则,并通过时间自动机网络实现数据流的综合分析。设计开发了自动化模型转换的插件AADLToUppaal Plug-in,将其嵌入到OSTATE工具中,使用时间自动机建模与验证工具Uppaal对转换得到的时间自动机进行模拟和验证,等价地验证所设计的AADL模型数据流时延是否满足系统实时性要求。仿真实验结果表明,所设计的数据流模型转换方法能有效地将AADL模型转换到时间自动机模型,并能在Uppaal中正确地分析原模型的数据流时延特性。