模型转换技术在复杂实时嵌入式系统中的应用

UML（Unified Modeling Language）是一种通用的
入式系统的功能架构 ；通过 SysML 及其扩展的 FACE 可视化建模语言，是 OMG（Object Management Group）
（Future Airborne Capability Environment）概要文件 在 1997 年发布的一个标准，但是由于 UML 更多是面向
功能架构、逻辑架构和物理架构模型，该方法通过模型
1.2 Profile 技术研究
转换技术，可以自动将 SysML、FACE Profile、MARTE
如前所述，SysML 的设计和实现方法主要是通过重
Profile 对应的嵌入式系统架构模型自动转换为对应的 用 UML 的一个子集并扩展以满足系统工程的设计需要，
AADL（Architecture Analysis and Design Language） Profile 是 UML 的一种扩展能力（它不允许创建新的元
架构模型，切实提高了模型转换的效率和准确性。
模型），目的是提供一种简单的机制，基于模型构造型的
传统绝大多数的复杂实时嵌入式系统研发模式，从 方式来扩展现有的元模型。
AADL 模型
图 1 模型转换技术实现 Fig.1 Model transformation technology implementation
62 Copyright©博看网. All Rights Reserved.
季洪新 陶福星 马洪波：模型转换技术在复杂实时嵌入式系统中的应用
2023 年第 5 期
使用 EMF 技术，在 Eclipse 中开发一个 Ecore 元模 型，用于描述复杂实时嵌入式系统功能架构的 SysML 模 型结构 XMI 文件 ；Ecore 模型生成一个解析器，该解析 器将该 XMI 文件中的表示功能架构的 SysML 模型结构 读取出来，从而在 Eclipse 中创建一个 EMF 模型 ；通过 遍历功能架构 SysML 模型对应的 EMF 模型来创建 EMF 模型中的元素到 AADL 中的元素的映射，在制定的转换 规则的基础上，先创建组件对应的 AADL 对象和 EMF 到 AADL 的映射关系，再用模型连接器来建立各个组件 之间的联系，从而得到 AADL 功能架构模型 ；同样地， 将 SysML 及 FACE Profile 的逻辑架构模型和 SysML 及
61 Copyright©博看网. All Rights Reserved.
第 41 卷
数字技术与应用
在 PDM 中提供了特定的表示细节，在 PDM 中模板和查 询来定义视图，而在 LDM 和 CDM 中，只包含查询来定 义视图。
1.2.2 MARTE Profile 研究 在 OMG 发 布 的 MARTE Profile 标 准 中， 描 述 了 MARTE Profile 的全部扩展概要及构造型模型规范 [4]。 MARTE Profile 包括如下的四部分内容 ： （1）MARTE 基础模型。MARTE 基础模型包括核心 元素（CoreElements）、非功能性属性（NFP）、时间资源 （Time）、通用资源建模（GRM）和分配建模（Alloc）。 （2）MARTE 设计模型。MARTE 设计模型包括通用 组件建模（GCM）、高层级应用程序建模（HLAM）、软 件资源建模（SRM）和硬件资源建模（HRM）。 （3）MARTE 分析模型。MARTE 分析模型包括通用 定量性分析（GQAM）、可调度性分析建模（SAM）和性 能分析建模（PAM）。 （4）MARTE Library。MARTE Library 是预定义 的 MARTE 模型库，描述了为 MARTE 本身定义 UML 概要文件所需的预定义原语和数据类型，但也适用于用 户模型。
第 41 卷 第 5 期 2023 年 5 月
数字技术与应用 Digital Technology &Application
Vol.41 No.5 May 202:10.19695/12-1369.2023.05.19
文章编号:1007-9416(2023)05-0061-03
件 包 括 ：Thread（ 线 程 ）、Process（ 进 程 ）、Data（ 数 据）、Subprogram（子程序）等 ；硬件平台建模组件包括 ： Processor（处理器）、Memory（内存）、Device（外设）、 Bus（总线）等 ；系统集成建模组件包含 System（系统）， 系统对软件建模组件和硬件平台建模组件进行架构设计 建模。 2 SysML、FACE Profile、MARTE Profile 模型到 AADL 模型自动转换方法
规范都是专业领域的建模人员对该领域的理解和应用。 2.2 技术实现 基于上一节提到的 MOF 规范，给出 SysML、FACE
Profile、MARTE Profile 模型到 AADL 模型自动转换的 技术实现，实现方式如图 1 所示。
由于 SysML 模型、FACE Profile 模型、MARTE Profile 模型和 AADL 模型是异构模型，为了实现 SysML 模型、 FACE Profile 模 型、MARTE Profile 模 型 到 AADL 模 型的自动转换，需将 SysML 模型、FACE Profile 模型、 MARTE Profile 模型和 AADL 模型在同一个元元模型体 系下进行同构化，进而进行语义映射和语法转换。异构 模型的转换首先需要解决的问题是将源模型和目标模型 在同一个元元模型体系下进行同构化，即通过相同的元 元模型定义 SysML 模型、FACE Profile 模型、MARTE Profile 模型和 AADL 的元模型。SysML 元模型、FACE Profile 元 模 型、MARTE Profile 元 模 型 和 AADL 的 元 模型通过 MOF 进行构建，上述模型同时在 MOF 体系 下，可以在同一个环境下进行语义映射。然后在 M2 元 模型层定义 SysML、FACE Profile、MARTE Profile 元 模型和 AADL 元模型的语义映射规则，为 AADL 元模 型构造具体语法 [6]，可以由 EMF 框架自动实现。
时嵌入式系统进行架构设计与分析，有助于保证研发系
（1）概念数据模型。概念数据模型（CDM）主要由
统的质量，并有效提高系统的研发效率。而质量属性是 实体、特征和关联组成，它提供了概念、它们的特性和
由系统架构决定的。因此，基于架构模型驱动的复杂实 有关它们的上下文的定义。
时嵌入式系统设计与研发成为该领域的重要研究方向 [1]。
Profile 描述复杂嵌入式系统的逻辑架构 ；通过 SysML 对象的软件领域的支持，为满足在系统设计领域的需求，
及其扩展的 MARTE（Modeling and Analysis of Real 对 描 述 UML 组 成 的 元 类 进 行 了 扩 展，SysML 就 是 通
Time and Embedded Systems）Profile 描述复杂实时嵌 过 UML 的 Profile 扩展机制定义的针对系统工程应用的 入式系统的物理架构。基于创建的复杂实时嵌入式系统 “标准系统建模语言”[2]。
构模型转换方向，大都是通过人工转换完成，目前缺少
（3）平台数据模型。平台数据模型 (PDM) 由实体、
完整的自动转换实现方法。
特征和关联组成，并实现了它们在 LDM 中的对应定义。
收稿日期 ：2023-01-11 作者简介 ：季洪新（1987—），男，山东莱州人，硕士研究生，工程师，研究方向 ：系统工程。
1.3 AADL 技术研究 AADL 是一种体系架构分析与设计的建模语言，描 述它的建模组件是通过 Type（类型）和 Implementation （实现）来实现的。建模组件类型定义了组件之间的通 信接口，而建模组件实现定义了基于类型的组件内部结 构。其中描述 AADL 模型共有 3 类组件 ：硬件平台建模 组件、软件建模组件和系统集成建模组件。软件建模组
架构设计模型
SysML 功能架构 设计建模
功能架构模型 XMI文件
Eclipse
Ecore元模型
SysML及 FACE Profile 逻辑架构设计 建模
SysML及MARTE Profile 物理架构设计 建模
逻辑架构模型 XMI文件
物理架构模型 XMI文件
自动生成 的解析器
EMF 模型
转换EMF 模型到AADL
2.1 MOF（Meta Object Facility）规范 MOF 规范实际上是一个元模型（Meta-Meta-Dodel）， 它定义了描述元模型的语言，Ecore 就是这个元模型的一 个 Java 实现。Ecore 的简化子集用来描述元模型需要 4 个 Ecore 类 ：EClass、EAttribute、EReference、EDataType， 这些类的名称与 UML 术语紧密对应，因为 Ecore 是完 整 UML 的小型简化子集，所以可以使用 Ecore 中定义的 类实例来描述系统架构的元模型类结构 [5]。 在具体实现中我们使用 MOF 只是把它作为一个规范 去实例化和扩展以此为基础的 UML 元模型。在 MOF 标 准中，MOF 分为 4 个抽象层次，即元元模型 M3 层、元 模型 M2 层、模型 M1 层和现实对象 M0 层。M3 层的抽 象层次最高，Mn 用来描述 Mn-1，目前使用最为广泛的 统一建模语言 UML 属于 M2 层。本文中研究的模型使 用的 SysML 语言是通过扩展已有的 UML 元模型来定义 的建模语言。UML 提供了 Profile 来支持扩展基于 UML 的已有元素，添加新的元素和属性。这种扩展方案虽然 受到 UML 元模型的局限，但也使元模型的扩展变得更 加规范和有迹可循，因为通过 Profile 进行的元模型扩展
于开放协会标准的样式，组织各利益攸关方共同参与编制 的面向航电系统的软件架构标准 [3]。FACE Profile 是基于
的各项成本大大增加，这是复杂实时嵌入式系统设计研 MOF 数据架构，由 UML 扩展定义，符合 FACE 技术标
发的瓶颈。而模型驱动开发方法能够提早介入对复杂实 准（V3.0），其具体包括的数据模型如下 ：
MARTE Profile 的物理架构模型分别转换为 AADL 逻辑 架构模型和 AADL 物理架构模型。 3 结语
SysML 是系统工程的标准建模语言，但针对嵌入 式系统架构设计与分析建模，从早期的需求捕获到最终 的嵌入式系统的生成，工业界的一个实际复杂嵌入式系 统进行嵌入式系统架构设计与分析，基于架构模型的模 型转换基本都是人工完成，这样既费时费力，同时准确 度又比较低，本文基于复杂实时嵌入式系统研发的业务 过 程， 提 出 的 模 型 转 换 方 法， 可 以 实 现 SysML 模 型、 FACE Profile 模型、MARTE Profile 模型到 AADL 模 型的转换，后续可以使用 EMF 框架技术和 Eclipse 插件 技术，实现模型转换插件的开发，自动实现了 SysML 模 型、FACE Profile 模型、MARTE Profile 描述的架构模 型向 AADL 架构模型转换，显著提升了模型转换效率和 准确度。
需求分析、系统设计、系统实现到系统测试的研发流程
1.2.1 FACE Profile 研究
中，由于涉及的环节很多、过程文档多，经常导致各研
未来机载能力环境（FACE）标准是美海军倡导提出，
发流程之间存在很多问题，一旦有需求变更或设计差错 美空军、洛马、波音、霍尼韦尔、柯林斯航空等赞助，基
出现在最终的实现系统，这样的结果只能从每个研发流 程依次排查、纠错，这样使得复杂实时嵌入式系统研发
模型转换技术在复杂实时嵌入式系统中的应用
金航数码科技有限责任公司 季洪新 陶福星 马洪波
本文提出了一种面向复杂实时嵌入式系统的模型转 1 模型转换技术相关研究
换方法，该方法以架构模型作为权威数据真相源，通过
1.1 SysML 技术研究
SysML（System Modeling Language）描述复杂实时嵌
（2）逻辑数据模型。逻辑数据模型 (LDM) 由实体、
虽然基于功能、逻辑、物理的框架开展基于模型的系统 特性和关联组成，这些元素实现 CDM 中相应元素的定
架构设计与分析逐渐成为共识，然而在复杂实时嵌入式 义。LDM 中元模型中还定义了转换元素来支持在两个测
系统架构设计与分析领域，仍然存在如下的缺陷 ：在架 量、测量系统或单位之间的转换定义。