AADL 端到端流延迟分析示例项目 Latency-case-study 简述

一、项目概述

latency-case-study 项目是一个增量延迟分析系统。该系统从系统的总体框架开始，逐步迭代增进，最终建立起系统的模型并实现对模型的分析。（个人觉得这个过程有一些类似于“自顶向下，逐步求精”的过程）

示例系统呈现“输入-处理-输出”式结构。主要包含三个主要的功能模块：sensing（检测）、prossing（处理）、actuating（驱动）。即：从传感器等设备对环境进行检测并作为输入的原始数据，然后对其进行数值处理，最后将处理结果传送给设备以对其进行驱动。

示例系统主要涉及了这样的一个端到端流：数据流起源于传感设备，经过处理部件，最终汇集于驱动设备。

本项目的核心是对系统的端到端流延迟进行建模并分析，其具体过程大致如下：

1. 确定各个模块的功能，初步实现系统的总体框架。（见functional.aadl文件）

2. 将各个模块的功能进行细化，建立其软件结构。（见impl.aadl文件）

3. 对系统的硬件执行平台进行建模。（见platform.aadl文件）

4. 建立起系统的完整模型，并实现软件与硬件的绑定。（见integration.aadl文件）

5. 进行系统的端到端流延迟分析。（对所建模的系统实例化，并进行端到端流延迟分析）

之后会结合代码（调整了示例项目源代码的缩进和不同模块的顺序）与项目论文（Incremental Latency Analysis of Heterogeneous Cyber-Physical Systems），对系统的建立进行逐过程的分析。

二、代码规范

1.模型规范

AADL使用软件包对模型进行组织。AADL的核心是组成软件包的组件类型说明和组件实现说明。

组件的类型说明定义了组件的类别，以及组件的接口特征。

组件的实现说明定义了组件内部的结构，描述了组件内部的构成及其交互。

2.组件类别

AADL的组件被分为四类：通用组件（抽象组件）、应用软件组件、硬件组件、复合组件。

3.组件名称

一个合法的AADL标识符是由字母开头并由数字或字母组成的字符串（字母和数字可以使用下划线隔开），该标识符不能是AADL备用字。

组件类型的名称为一个AADL标识符。

组件实现的名称为：由 . 隔开的两个标识符。第一个标识符是该实现的组件类型名称，第二个标识符需要保证该标识符在该类型的实现中唯一。

4.AADL备用字

对本项目中的代码，补充以下AADL备用字：

组件类型说明：

features 用来声明一个组件的接口/端口。

flows 用于流的相关说明，之后提到的流规范、流实现和端到端流就在该模块被声明。

properties 为组件及相关要素的各种属性赋值。

组件实现说明：

subcomponents 用来说明一个组件所包含的子组件。

flows 用于流的相关说明。

connections 定义组件之间的连接

三、流说明

流能够对整个体系结构的逻辑路径进行表述和分析。这里的流可以表示任何逻辑流，比如数据流、控制流、故障事件流等。对于流的说明，可以分为以下三种类型：

1.流规范（flow specification）：明确组件的角色。包含在在组件的类型说明 flows 之中。可以分为以下三种类型。

①流源（flow source）：定义组件中流的起源，流源借助组件的流出特征（exit feature）从组件中流出。

②流汇（flow sink）：定义组件中流的终止，流汇借助组件的流入特征（entry feature）流入组件。

③流路径（flow path）：定义流经组件的一个流，流路径借助组件的流入特征流入组件，然后借助组件的流出特征流出组件。

注：特征（feature），主要对组件的接口进行定义。上述的流入特征和流出特征可以理解为组件的输入端口和输出端口。

2.流实现（flow implementation）：对组件中流经分组件的流规范进行详细说明，这一步是流规范在组件内部实现的细化。它指定了如何在组件内部实现流（如果组件中存在分组件，需要将分组件考虑在内）。比如，一个流路径的流实现描述了数据如何从一个输入端口输入，如何通过连接将其传递到子组件（这里也需要考虑不同子组件间如何进行连接），并最终从输出端口输出。

3.端到端流（end-to-end flow）：对从起始组件到最终组件的完整流路径进行定义。它列出了流的所有元素，包括流涉及的组件以及组件之间的连接。

流规范的代码模板如下（ []内的为可选内容）：

Name :flow source <exit feature> [{properties}];

Name :flow sink <entry feature> [{properties}];

Name :flow path <entry feature> -> <exit feature> [{properties}];

流实现的代码模板如下（ path sequence 为路径序列）：

Name :flow source <source path sequence> -> <exit feature> [{properties}];

Name :flow sink <entry feature> -> <source path sequence> [{properties}];

Name :flow path <entry feature> -> <flow path sequence> -> <exit feature> [{properties}];

端到端流的代码模板如下：

Name :end to end flow <origin> -> <path sequence> -> <destination> [{properties}] [in modes];

四、抽象功能模块与系统顶层模型的建立(functional.aadl)

本系统包含两个检测功能模块（s1和s2），一个处理功能模块（p）以及一个驱动功能模块（a），其功能结构如下图所示。数据流源于s1和s2，经过p进行处理并最终汇集于a。

每个检测功能模块通过一个数据输出端口输出数据，没有数据输入端口。

处理功能模块通过两个数据输入端口接收数据，通过一个数据输出端口输出处理结果。

驱动功能模块通过一个数据输入端口接收数据，没有数据输出端口。

系统顶层模型包含4个子组件：2个检测功能模块、一个处理功能模块、一个驱动功能模块。系统也包含若干端口之间的连接，进而构成了两条主要的端到端流，如上图所示。

从抽象层次上对传感功能进行定义。该模块属于流源，包含一个数据输出端口，传感功能的执行时间为1ms .. 3ms，代码如下：

从抽象层次上对处理功能进行定义。该模块属于流路径，包含两个数据输入端口和一个数据输出端口。处理功能的执行时间为3ms .. 4ms，代码如下：

从抽象层次上对驱动功能进行定义。该模块属于流汇，包含一个数据输入端口。驱动功能的执行时间为5ms .. 7ms，代码如下：

在以上功能的基础上对系统进行集成。首先进行组件类型说明。然后定义系统的四个子组件，定义各个子组件之间的连接，并且进而对系统的端到端流进行声明，最后声明系统端到端流延迟属性的范围是20ms .. 30ms。

五、抽象功能模块的细化——实现各模块的软件功能(impl.aadl)

首先对原本的模型进行进一步细化，系统处理的数据为坐标数据position，传感器可以获取当前位置的GPS坐标，因此需要对各个端口传输的数据类型进行定义：首先说明position的数据类型，然后实现该数据类型（该data类型组件包含两个子组件，x坐标和y坐标，均为基本数据类型中的64位无符号整数类型），可以将该实现名为 position.实现名称，为了简单且便于理解，取实现名称为 i ，因此数据类型的实现被命名为position.i

既然不同端口的数据类型已经被定义，那么可以对functional.aadl中各个模块的features进行细化。也同时通过extends备用字，完成抽象模块到具体的进程模块的细化过程（为了便于展示，调整了源代码的模块声明顺序），如下：

对传感进程（process）进行实现：该进程中包含一个线程thr_sensing，该线程是周期性线程并且每隔20ms执行一次，执行时长为1ms .. 2ms。首先对线程类型进行说明然后将其作为子组件加入到线程 sensing.i 中，并且实现线程数据输出端口到进程数据输出端口的连接。在将子组件考虑在内之后，还需要将流规范细化为流实现。代码如下：

对处理进程进行实现：该进程包含两个线程。线程tf中包含两条流路径，流从两个输入端口输入，从同一个数据输出端口输出。线程ts包含两个流汇，流从两个输入端口输入，终结于线程内部。两个线程的执行周期都为20ms，执行时长分别为3ms .. 4ms 与 2ms .. 3ms。示意图如下所示：

因此，该部分的进程和线程的代码如下：

对驱动进程进行实现：该进程包含两个线程。线程tc包含一条流路径，流从一个输入端口输入，从一个输出端口输出。线程ts包含一个流汇，流从一个输入端口输入，终结于线程内部。两个线程的执行周期都为20ms，执行时长分别为1ms .. 3ms 与 1ms .. 2ms。示意图如下所示：

因此，该部分的进程和线程的代码如下：

六、硬件执行平台的实现（platform.aadl)

本系统的部署方式主要可以分为两类：分布式部署、集成部署。

分布式部署是将每个进程分配给一个单独的处理器，这些处理器之间通过总线相关联。

集成式部署是将一个处理器划分为若干虚拟处理器，并将虚拟处理器与对应操作系统分区绑定，进而可以将每个进程分配到这些互相隔离的分区上运行。（“分区”用于将实时操作系统中的不同任务和应用程序隔离开，以确保它们互不干扰）。

所以对硬件平台的建模将分为两个部分：对分布式部署的处理器建立模型（generic_cpu），对集成式部署的的处理器建立模型（ima_cpu）。

1. 分布式系统，其部署如下图所示：

对于分布式系统，因为不同处理器（processor）需要使用总线通信，而对总线的访问需求需要在处理器的类型说明中进行定义。CPU与总线的连接是在系统实现内进行说明的。同时也需要完善对处理器中涉及总线的定义。除了对处理器和总线的定义之外，还需要对虚拟总线及相关的属性进行定义。代码如下：

2. 集成式系统，其部署如下图所示：

对于

集成式系统，需要对处理器和虚拟处理器进行定义。因为系统中有4个进程，所以需要在处理器的子组件中定义4个分区。同时在处理器的属性中对分区的主帧周期、调度顺序以及各个分区时长进行初步的定义：主帧周期为200ms，调度的顺序为part1、part2、part3、part4，每个分区的时长均为50ms。代码如下：

七、系统模型的构建（integration.aadl）

系统是软件、硬件执行平台和系统组件的各种各样的组合。可以针对不同的策略实现出多个不同的系统，然后可以根据实际的需求，在这多个候选系统中选择出最佳的系统实现。

在function.aadl中已经简单地定义了系统模块，系统的子组件均为abstract类型。在该部分中需要对系统模块进行进一步的细化完善，首先对软件部分进行完善，这将需要将系统的子组件类型由抽象类型细化为进程类型（在impl.aadl已经实现）。首先进行组件类型说明（继承functional中的integration），然后进行组件实现说明，代码如下：

在实现了系统的通用软件结构（integration.software_generic）之后，接下俩就可以将之部署到不同的系统中去了。

分布式部署，首先需要进行硬件组件的添加，然后对软硬件资源进行绑定。硬件组件的添加，需要在系统的子组件中为每一个进程添加一个处理器，也需要添加两个用于在检测和处理、处理和驱动之间传输数据的总线组件。添加完组件之后还需要对这些硬件组件进行连接（在connections中实现）。最后需要在属性（properties）中对软硬件系统进行绑定，代码如下所示：