復雜電子系統的抽象集成設計方法
【專利摘要】本發明提出的一種復雜電子系統的抽象集成設計方法，旨在提供一種支持新功能插入和方便可擴展模塊插入，集成、測試、驗證效高的開放式體系結構方法。本發明通過下述技術方案予以實現：在復雜電子信息系統中，通過硬件總線和/或軟件總線互聯構建開放的物理硬件平臺和開放式軟件平臺，建立實際物理平臺集合層、軟件邏輯構件集合層和系統功能應用集合層這三種分層抽象集合；在可視化建模環境中對復雜電子系統進行分析、分解，構建出邏輯構件元模型描述的硬件模型、軟件模型和部署配置模型；最后，將邏輯構件運行體統一存儲于文件服務器上或分別存儲于各個硬件節點的非易失存儲器中；目標系統解析運行藍圖文件將邏輯構件部署到預定功能單元的硬件節點上。
【專利說明】
復雜電子系統的抽象集成設計方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種開放式、可成長復雜電子信息系統的分層抽象集成設計方法。
【背景技術】
[0002] 隨著微電子技術不斷發展和創新，大規模集成電路的集成度和工藝水平也隨之不 斷的提高。硅材料與人類智慧的結合，生產出大批量低成本、高質量和高精度的微電子結構 模塊，推動一個全新的技術領域和產業的發展。當前的復雜電子信息系統通常采用"聯合 式"的方式進行系統集成設計，系統由若干獨立的功能設備組成，各功能設備相互獨立，功 能設備之間通過標準總線(如1553B)互連在一起。這種系統集成方法相對簡單，但這種集成 后的系統存在以下缺點：系統的軟硬件資源封閉在各獨立功能設備內部，資源不開放，不能 共享;系統不具備開放性、可成長性，系統一旦設計好后，很難進行更改，很難插入新的功能 需求;系統不能適應技術發展進步的需求，當出現新的器件、新的工藝時，只能對組成系統 的各獨立設備進行整體更改，代價太高;這些缺陷使得傳統的電子系統在系統長生命周期 內整體性能，全生命周期成本、系統體積、重量等方面都存在明顯的缺陷。
[0003] 針對上述問題，新一代復雜電子信息系統，空間站電子信息系統等高性能復雜電 子信息系統，在思維上打破了傳統電子信息系統集成的限制，將多個功能獨立的設備作為 一個整體統一考慮，基于"模塊"而非設備進行高度綜合集成，這種思維的打破對現代電子 裝備系統的發展起到了極大的推動作用。但這種新一代復雜電子信息系統設計難度非常 大，主要是因為在這種系統中，組成系統的各獨立功能設備已經不再存在，取而代之的是各 硬件模塊資源、各功能軟件模塊資源。這些實體資源之間高度耦合，任何一個部件的修改都 可能影響到系統的其它實體資源，牽一發而動全身。同時系統集成設計既要考慮到當前的 技術現狀，又要兼顧技術的未來發展趨勢、系統頂層任務需求的變化等因素，導致系統設計 的難度和復雜性急劇增加，如系統軟件構件資源超過100個，物理硬件可重構部屬處理節點 資源超過400個，則從軟件構件部署到物理節點的部署方案超過Cjg種，傳統的"文檔+文 件"的系統集成設計方法已經很難適應這種全新的高度復雜的電子信息系統設計。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是針對新一代高度復雜電子信息系統，提供一種支持新功能擴展、 方便新的可擴展模塊插入、具有快速適應需求變更能力，集成、測試、驗證高效，分層抽象集 成設計復雜電子信息系統的開放式體系結構方法。
[0005] 本發明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種復雜電子系統的抽象集成設計 方法，其特征在于包括如下步驟，在復雜電子信息系統中，將目標系統分為開放式硬件層、 開放式軟件層和任務功能層，通過硬件總線和軟件總線互聯構建開放的物理硬件平臺和/ 或開放式軟件平臺，建立實際物理平臺集合層、軟件邏輯構件集合層和系統功能應用集合 層這三種分層抽象集合;集合層內的實體資源通過軟、硬總線互聯在一起，集合層與集合層 之間的實體資源通過映射關系實現關聯，建立復雜電子信息系統的開放式體系結構;然后 通過可視化建模工具集對每層實體資源進行抽象化設計和系統藍圖部署，構建抽象資源模 型，抽象出各類資源及關聯關系的邏輯構件元模型，并在可視化建模環境中對復雜電子系 統進行分析、分解，構建出邏輯構件元模型描述的硬件模型、軟件模型和部署配置模型；可 視化建模環境一方面從軟件模型生成軟件構件節點上各個邏輯構件的描述文件和框架代 碼，另一方面從硬件模型、軟件模型和部署配置模型生成硬件描述文件、軟件描述文件和部 署描述文件，形成復雜電子系統運行藍圖；最后，將邏輯構件運行體統一存儲于文件服務器 上或分別存儲于各個硬件節點的非易失存儲器中；目標系統解析運行藍圖文件將邏輯構件 部署到預定功能單元的硬件節點上，實現邏輯資源到真實物理資源的映射。
[0006] 本發明相比于現有技術具有如下有益效果。
[0007] 本發明通過建立實際物理平臺集合、軟件邏輯構件集合和系統功能應用集合這三 種抽象集合，對每個集合內的實體資源進行抽象化設計，對每層實體資源進行抽象化設計， 集合層內的實體資源通過高性能軟、硬總線互聯在一起，集合層與集合層之間的實體資源 通過映射關系實現關聯，建立復雜電子信息系統的開放式體系結構，支持復雜電子信息系 統的可成長性設計，解決了現有技術軟硬件資源封閉在各獨立功能設備內部，資源不開放， 不能共享;系統不具備開放性、可成長性，系統很難進行更改，很難插入新的功能需求的問 題。通過這種分層抽象集成設計復雜電子信息系統的開放式體系結構的方法，可以方便的 利用可視化、自動化等現代計算機輔助設計技術，從而大幅度提升新一代高度復雜電子信 息系統設計效率，并具有快速適應需求變更能力。
[0008] 本發明采用分層抽象集成設計復雜電子信息系統，所有應用功能的各軟件構件之 間通過具有開放性、可擴展特征的"軟總線"進行互連。這種開放式軟件平臺具有以下優點： a) 本發明采用軟件邏輯構件集合，軟件采用構件化設計，與具體硬件無關，因此可以部 署在目標系統任意指定的硬件節點上； b) 本發明構件化軟件內部的故障、升級、更改等僅限于軟件邏輯構件集合模塊內部，不 對目標系統其它部件造成影響； c) 本發明采用軟件總線互聯構建開放式軟件平臺，從軟件模型生成軟件構件節點上各 個邏輯構件的描述文件和框架代碼，其中涉及的"軟總線"可以支持任意數目的軟件構件節 點數量，因此，可以方便的插入新的可擴展軟件構件模塊。新增加的擴展功能軟件構件不對 系統的其它軟件構件造成影響。
[0009] 本發明通過通過可視化建模工具集對每層實體資源進行抽象化設計，構建抽象資 源模型，抽象出各類資源及關聯關系的邏輯構件元模型，并在可視化建模環境中對復雜電 子系統進行分析、分解，構建出邏輯構件元模型描述的硬件模型、軟件模型和部署配置模 型，采用可視圖示化方法，以直觀的方式展示復雜電子信息系統的內部組成，便于項目團隊 之間相互理解、溝通、協調；可以以一種圖示化的操作方法方便地對系統模型進行修改，從 而快速的適應頂層需求的變化，支持新功能的插入，克服了現有技術實體資源之間高度耦 合，任何一個部件的修改都可能影響到系統的其它實體資源，牽一發而動全身的缺陷。
[0010] 本發明從軟件模型生成軟件構件節點上各個邏輯構件的描述文件和框架代碼，不 僅可以自動生成相關代碼，簡化工作量，而且提高了復雜電子系統代碼質量;本發明另一方 面從硬件模型、軟件模型和部署配置模型生成硬件描述文件、軟件描述文件和部署描述文 件，形成復雜電子系統運行藍圖，提升了復雜電子系統集成、測試、驗證效率。
[0011] 發明效果
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明復雜電子信息系統抽象模型示意圖。
[0013] 圖2是本發明物理硬件平臺的示意圖。
[0014] 圖3是本發明開放式軟件平臺示意圖。
[0015]圖4是物理模塊與邏輯構件元模型示意圖。
[0016]圖5是任務功能層單任務功能可視化模型示意圖 圖6是任務功能層多任務功能可視化模型示意圖 圖7是藍圖部署示意圖。
[0017]圖8是藍圖解析流程不意圖。
【具體實施方式】
[0018] 參閱圖1。在復雜電子信息系統抽象模型中，涉及目標系統與可視化建模工具集兩 個方面，可視化建模工具集實現對目標系統的抽象與描述。依據本發明，在復雜電子信息系 統中，目標系統分為開放式硬件層、開放式軟件層和任務功能層。開放式硬件層通過硬件總 線互聯構建開放的物理硬件平臺構成，開放式軟件層通過軟件總線互聯構建開放式軟件平 臺構成。軟件模型描述了功能線程信息，以及功能線程之間的連接關系。功能線程信息包括 組成該功能線程的邏輯構件以及邏輯構件之間的連接關系。部署配置模型描述了功能線程 的軟件構件與硬件模塊的功能單元之間的綁定關系。功能應用集合層是系統需要實現的各 種功能特性，這些功能特性由若干個應用功能線程表現出來，應用功能線程之間存在關聯 關系，每個應用功能線程的具體實現由若干邏輯構件組合完成，邏輯構件之間存在關聯關 系。集合層內的實體資源通過軟、硬總線互聯在一起，集合層與集合層之間的實體資源通過 映射關系實現關聯。然后通過可視化建模工具集對每層實體資源進行抽象化設計和系統藍 圖部署，構建抽象資源模型，抽象出各類資源及關聯關系的邏輯構件元模型，并在可視化建 模環境中對復雜電子系統進行分析、分解，構建出邏輯構件元模型描述的硬件模型、軟件模 型和部署配置模型。硬件模型描述了各類硬件模塊信息，以及硬件模塊之間的連接關系;硬 件模塊信息包括組成該硬件模塊的功能單元以及功能單元之間的連接關系，硬件模塊包括 了各類處理模塊，控制模塊以及擴展模塊。物理硬件平臺以開放式的結構形式，通過具有 "交換開關"特征的高性能"硬總線"將各硬件模塊互連在一起。可視化建模環境一方面從軟 件模型生成各個邏輯構件的描述文件和框架代碼，另一方面從硬件模型、軟件模型和部署 配置模型生成硬件描述文件、軟件描述文件和部署描述文件，形成復雜電子系統運行藍圖； 最后，將邏輯構件運行體統一存儲于文件服務器上或分別存儲于各個硬件節點的非易失存 儲器中；目標系統解析運行藍圖文件，將邏輯構件部署到預定功能單元的硬件節點上，實現 邏輯資源到真實物理資源的映射。
[0019] 參閱圖2。構建開放式物理硬件平臺，對系統物理硬件模塊采用通用化設計，通用 化設計是實現資源開放，軟件重構的基礎。各硬件模塊之間通過具有開放性、可擴展特征的 "硬總線"互連，這種硬總線的基本特征是高性能的"開關交換"網絡。在具體實現上，可以采 用如工業界的RapidIO開關交換網絡。在物理硬件平臺中，實際物理平臺集合由各類硬件模 塊組成，硬件模塊包含一個或多個功能單元，硬件模塊之間，功能單元之間存在關聯關系， 邏輯構件部署運行在硬件模塊的功能單元上。物理硬件平臺以開放式的結構形式，通過具 有"交換開關"特征的高性能"硬總線"將各硬件模塊互連在一起。各硬件模塊之間主要由通 過Switch Fabric硬總線進行互連。Switch Fabric硬總線通常采用RapidIO等高速交換總 線，以支持眾多硬件模塊之間的任意互聯，并支持插入可擴展模塊。上述物理硬件模塊作為 "交換開關"網絡的節點，其內部的故障、升級、更改等僅限于模塊內部，不對系統其它部件 造成影響。"交換開關"網絡可以支持任意數目的節點數量，可以方便的插入新的可擴展模 塊，新增加的擴展模塊不對系統的其它模塊造成影響。
[0020] 參閱圖3。構建開放式軟件平臺，對復雜電子信息系統應用功能軟件采用構件化設 計。所謂軟件構件化設計，是指將軟件功能及對外接口關系封裝在構件內部，構件對外接口 為"虛"通道，與具體的物理位置無關。開放式軟件平臺通過軟總線進行互聯各類軟件功能 構件構建，各類軟件功能構件包括軟件功能構件1、軟件功能構件2、軟件功能構件3···軟件 功能構件η和可擴展功能構件。開放式軟件平臺對應目標系統中的開放式軟件層，軟件構件 包括各類功能構件與擴展功能構件，軟總線通常采用CORBA等中間件，一方面實現軟件構件 與具體硬件的隔離，另一方面實現軟件構件之間的信息交互，并支持軟件構件的動態擴展。
[0021] 參閱圖4。物理模塊邏輯構件元模型是物理平臺集合的最小抽象單元，所有物理模 塊邏輯構件元模型內部由處理資源和屬性組成，外部由物理端口組成;邏輯構件元模型是 軟件邏輯構件集合的最小抽象單元，所有邏輯構建邏輯構件元模型內部由屬性組成，外部 由虛端口組成。
[0022] 參閱圖5。一個實際的復雜電子信息系統按照實現的功能多少分為兩種，一種是單 任務系統，一種是多任務系統。在單任務系統中，只存在一個功能任務，該任務功能由3種軟 件邏輯構件組合而成，分別是"DBF構件"、"合路構件"和"成像構件"，每種構件完成自身的 功能。構成該單任務需要3個"DBF構件"，1個"合路構件"和2個"成像構件"，通過構件組裝控 制器完成這6個構件的組裝，進而實現系統的該單任務。DBF構件、合路構件和成像構件通過 控制端口連接構件組裝控制器，3個DBF構件通過各自的虛端口分別連接合路構件上的虛端 口 1、虛端口 2和虛端口 2，合路構件輸出端上的虛端口 3、虛端口 4分別連接2個成像構件虛端 口 1、虛端口 2。
[0023] 參閱圖6。一個實際的復雜電子信息系統按照實現的功能多少分為兩種，一種是單 任務系統，一種是多任務系統。在多任務系統中，存在2個或2個以上的單功能任務，多個單 功能經過組合完成系統任務要求。本實施例的多任務功能模型由2個單功能任務組成，其 中，軟件邏輯構= DBF構件、合路構件和成像構件分別通過構件組裝控制器1與構件組裝控制 器2進行組裝。
[0024] 參閱圖7。系統藍圖部署是"系統運行藍圖"的【具體實施方式】。系統藍圖部署包括配 置部署與功能部署，具體通過配置部署視圖與功能部署視圖實現。配置視圖描述了硬件平 臺資源信息與功能信息，硬件資源信息包括各個硬件模塊以及硬件模塊的各個處理資源； 功能信息包括組成功能的各個功能構件。功能部署視圖描述了功能組件與硬件資源的部署 關系。本實施例的配置部署包含硬件平臺資源和Demo功能，其中：（1)硬件平臺資源由信號 處理模塊1、信號處理模塊2、信號處理模塊3,數據處理模塊1、數據處理模塊2和接口模塊1 組成；信號處理模塊3由信號處理設備1、信號處理設備2、信號處理設備3組成，數據處理模 塊1由數據處理設備1、數據處理設備2組成。（2)Demo功能由構件A、構件B、構件C組成。功能 部署視圖描述構件A部署在信號處理模塊3的信號處理設備2上，構件B部署在數據處理模塊 1的數據處理設備1上，構件C部署在接口模塊1的接口設備1上。
[0025]參閱圖8。藍圖解析過程包括解析硬件資源藍圖、解析功能藍圖、解析功能部署藍 圖三個步驟。在解析硬件資源藍圖步驟中，首先獲取硬件模塊資源，然后獲取模塊設備資 源;在解析功能藍圖步驟中，首先獲取邏輯構件，然后獲取邏輯構件之間的邏輯連接;在解 析功能部署藍圖步驟中，通過獲取邏輯構件與設備映射關系的方法實現。
【主權項】
1. 一種復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于包括如下步驟，在復雜電子信 息系統中，將目標系統分為開放式硬件層、開放式軟件層和任務功能層，通過硬件總線和/ 或軟件總線互聯構建開放的物理硬件平臺和開放式軟件平臺，建立實際物理平臺集合層、 軟件邏輯構件集合層和系統功能應用集合層這三種分層抽象集合;集合層內的實體資源通 過軟、硬總線互聯在一起，集合層與集合層之間的實體資源通過映射關系實現關聯，建立復 雜電子信息系統的開放式體系結構;然后通過可視化建模工具集對每層實體資源進行抽象 化設計和系統藍圖部署，構建抽象資源模型，抽象出各類資源及關聯關系的邏輯構件元模 型，并在可視化建模環境中對復雜電子系統進行分析、分解，構建出邏輯構件元模型描述的 硬件模型、軟件模型和部署配置模型；可視化建模環境一方面從軟件模型生成軟件構件節 點上各個邏輯構件的描述文件和框架代碼，另一方面從硬件模型、軟件模型和部署配置模 型生成硬件描述文件、軟件描述文件和部署描述文件，形成復雜電子系統運行藍圖；最后， 將邏輯構件運行體統一存儲于文件服務器上或分別存儲于各個硬件節點的非易失存儲器 中；目標系統解析運行藍圖文件將邏輯構件部署到預定功能單元的硬件節點上，實現邏輯 資源到真實物理資源的映射。2. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于:復雜電子信息 系統抽象模型涉及目標系統和可視化建模工具集。3. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于:軟件模型描述 了功能線程信息，以及功能線程之間的連接關系，功能線程信息包括組成該功能線程的邏 輯構件以及邏輯構件之間的連接關系，部署配置模型描述了功能線程的軟件構件與硬件模 塊的功能單元之間的綁定關系。4. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于:功能應用集合 層是系統需要實現的各種功能特性，這些功能特性由若干個應用功能線程表現出來，應用 功能線程之間存在關聯關系，每個應用功能線程的具體實現由若干邏輯構件組合完成，邏 輯構件之間存在關聯關系。5. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于:在物理硬件平 臺中，實際物理平臺集合由各類硬件模塊組成，硬件模塊包含一個或多個功能單元，硬件模 塊之間，功能單元之間存在關聯關系，邏輯構件部署運行在硬件模塊的功能單元上;物理硬 件平臺以開放式的結構形式，通過具有"交換開關"特征的高性能"硬總線"將各硬件模塊互 連在一起。6. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于:硬件模型描述 了各類硬件模塊信息，以及硬件模塊之間的連接關系;硬件模塊信息包括組成該硬件模塊 的功能單元以及功能單元之間的連接關系，硬件模塊包括了各類處理模塊，控制模塊以及 擴展模塊。7. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于:開放式軟件平 臺對應目標系統中的開放式軟件層，軟件構件包括各類功能構件與擴展功能構件，軟總線 采用CORBA中間件，實現軟件構件與具體硬件的隔離，另一方面實現軟件構件之間的信息交 互，并支持軟件構件的動態擴展。8. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于:邏輯構件元模 型是物理平臺集合的最小抽象單元，所有物理模塊邏輯構件元模型內部由處理資源和屬性 組成，外部由物理端口組成;邏輯構件元模型是軟件邏輯構件集合的最小抽象單元，所有邏 輯構建邏輯構件元模型內部由屬性組成，外部由虛端口組成。9. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于:復雜電子信息 系統按照實現的功能多少分為兩種，一種是單任務系統，一種是多任務系統;在單任務系統 中，只存在一個功能任務，該任務功能由3種軟件邏輯構件組合而成，分別是"DBF構件"、"合 路構件"和"成像構件"，每種構件完成自身的功能。10. 如權利要求1所述的復雜電子系統的抽象集成設計方法，其特征在于：系統藍圖部 署包括配置部署與功能部署，具體通過配置部署視圖與功能部署視圖實現;配置視圖描述 了硬件平臺資源信息與功能信息，硬件資源信息包括各個硬件模塊以及硬件模塊的各個處 理資源;功能信息包括組成功能的各個功能構件。
【文檔編號】G06F17/50GK105844020SQ201610173036
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發明人】陳穎, 李典, 潘靈
【申請人】中國電子科技集團公司第十研究所