复杂电子系统的抽象集成设计方法
【专利摘要】本发明提出的一种复杂电子系统的抽象集成设计方法，旨在提供一种支持新功能插入和方便可扩展模块插入，集成、测试、验证效高的开放式体系结构方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在复杂电子信息系统中，通过硬件总线和/或软件总线互联构建开放的物理硬件平台和开放式软件平台，建立实际物理平台集合层、软件逻辑构件集合层和系统功能应用集合层这三种分层抽象集合；在可视化建模环境中对复杂电子系统进行分析、分解，构建出逻辑构件元模型描述的硬件模型、软件模型和部署配置模型；最后，将逻辑构件运行体统一存储于文件服务器上或分别存储于各个硬件节点的非易失存储器中；目标系统解析运行蓝图文件将逻辑构件部署到预定功能单元的硬件节点上。
【专利说明】
复杂电子系统的抽象集成设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种开放式、可成长复杂电子信息系统的分层抽象集成设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着微电子技术不断发展和创新，大规模集成电路的集成度和工艺水平也随之不 断的提高。硅材料与人类智慧的结合，生产出大批量低成本、高质量和高精度的微电子结构 模块，推动一个全新的技术领域和产业的发展。当前的复杂电子信息系统通常采用"联合 式"的方式进行系统集成设计，系统由若干独立的功能设备组成，各功能设备相互独立，功 能设备之间通过标准总线(如1553B)互连在一起。这种系统集成方法相对简单，但这种集成 后的系统存在以下缺点：系统的软硬件资源封闭在各独立功能设备内部，资源不开放，不能 共享;系统不具备开放性、可成长性，系统一旦设计好后，很难进行更改，很难插入新的功能 需求;系统不能适应技术发展进步的需求，当出现新的器件、新的工艺时，只能对组成系统 的各独立设备进行整体更改，代价太高;这些缺陷使得传统的电子系统在系统长生命周期 内整体性能，全生命周期成本、系统体积、重量等方面都存在明显的缺陷。
[0003] 针对上述问题，新一代复杂电子信息系统，空间站电子信息系统等高性能复杂电 子信息系统，在思维上打破了传统电子信息系统集成的限制，将多个功能独立的设备作为 一个整体统一考虑，基于"模块"而非设备进行高度综合集成，这种思维的打破对现代电子 装备系统的发展起到了极大的推动作用。但这种新一代复杂电子信息系统设计难度非常 大，主要是因为在这种系统中，组成系统的各独立功能设备已经不再存在，取而代之的是各 硬件模块资源、各功能软件模块资源。这些实体资源之间高度耦合，任何一个部件的修改都 可能影响到系统的其它实体资源，牵一发而动全身。同时系统集成设计既要考虑到当前的 技术现状，又要兼顾技术的未来发展趋势、系统顶层任务需求的变化等因素，导致系统设计 的难度和复杂性急剧增加，如系统软件构件资源超过100个，物理硬件可重构部属处理节点 资源超过400个，则从软件构件部署到物理节点的部署方案超过Cjg种，传统的"文档+文 件"的系统集成设计方法已经很难适应这种全新的高度复杂的电子信息系统设计。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对新一代高度复杂电子信息系统，提供一种支持新功能扩展、 方便新的可扩展模块插入、具有快速适应需求变更能力，集成、测试、验证高效，分层抽象集 成设计复杂电子信息系统的开放式体系结构方法。
[0005] 本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种复杂电子系统的抽象集成设计 方法，其特征在于包括如下步骤，在复杂电子信息系统中，将目标系统分为开放式硬件层、 开放式软件层和任务功能层，通过硬件总线和软件总线互联构建开放的物理硬件平台和/ 或开放式软件平台，建立实际物理平台集合层、软件逻辑构件集合层和系统功能应用集合 层这三种分层抽象集合;集合层内的实体资源通过软、硬总线互联在一起，集合层与集合层 之间的实体资源通过映射关系实现关联，建立复杂电子信息系统的开放式体系结构;然后 通过可视化建模工具集对每层实体资源进行抽象化设计和系统蓝图部署，构建抽象资源模 型，抽象出各类资源及关联关系的逻辑构件元模型，并在可视化建模环境中对复杂电子系 统进行分析、分解，构建出逻辑构件元模型描述的硬件模型、软件模型和部署配置模型；可 视化建模环境一方面从软件模型生成软件构件节点上各个逻辑构件的描述文件和框架代 码，另一方面从硬件模型、软件模型和部署配置模型生成硬件描述文件、软件描述文件和部 署描述文件，形成复杂电子系统运行蓝图；最后，将逻辑构件运行体统一存储于文件服务器 上或分别存储于各个硬件节点的非易失存储器中；目标系统解析运行蓝图文件将逻辑构件 部署到预定功能单元的硬件节点上，实现逻辑资源到真实物理资源的映射。
[0006] 本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
[0007] 本发明通过建立实际物理平台集合、软件逻辑构件集合和系统功能应用集合这三 种抽象集合，对每个集合内的实体资源进行抽象化设计，对每层实体资源进行抽象化设计， 集合层内的实体资源通过高性能软、硬总线互联在一起，集合层与集合层之间的实体资源 通过映射关系实现关联，建立复杂电子信息系统的开放式体系结构，支持复杂电子信息系 统的可成长性设计，解决了现有技术软硬件资源封闭在各独立功能设备内部，资源不开放， 不能共享;系统不具备开放性、可成长性，系统很难进行更改，很难插入新的功能需求的问 题。通过这种分层抽象集成设计复杂电子信息系统的开放式体系结构的方法，可以方便的 利用可视化、自动化等现代计算机辅助设计技术，从而大幅度提升新一代高度复杂电子信 息系统设计效率，并具有快速适应需求变更能力。
[0008] 本发明采用分层抽象集成设计复杂电子信息系统，所有应用功能的各软件构件之 间通过具有开放性、可扩展特征的"软总线"进行互连。这种开放式软件平台具有以下优点： a) 本发明采用软件逻辑构件集合，软件采用构件化设计，与具体硬件无关，因此可以部 署在目标系统任意指定的硬件节点上； b) 本发明构件化软件内部的故障、升级、更改等仅限于软件逻辑构件集合模块内部，不 对目标系统其它部件造成影响； c) 本发明采用软件总线互联构建开放式软件平台，从软件模型生成软件构件节点上各 个逻辑构件的描述文件和框架代码，其中涉及的"软总线"可以支持任意数目的软件构件节 点数量，因此，可以方便的插入新的可扩展软件构件模块。新增加的扩展功能软件构件不对 系统的其它软件构件造成影响。
[0009] 本发明通过通过可视化建模工具集对每层实体资源进行抽象化设计，构建抽象资 源模型，抽象出各类资源及关联关系的逻辑构件元模型，并在可视化建模环境中对复杂电 子系统进行分析、分解，构建出逻辑构件元模型描述的硬件模型、软件模型和部署配置模 型，采用可视图示化方法，以直观的方式展示复杂电子信息系统的内部组成，便于项目团队 之间相互理解、沟通、协调；可以以一种图示化的操作方法方便地对系统模型进行修改，从 而快速的适应顶层需求的变化，支持新功能的插入，克服了现有技术实体资源之间高度耦 合，任何一个部件的修改都可能影响到系统的其它实体资源，牵一发而动全身的缺陷。
[0010] 本发明从软件模型生成软件构件节点上各个逻辑构件的描述文件和框架代码，不 仅可以自动生成相关代码，简化工作量，而且提高了复杂电子系统代码质量;本发明另一方 面从硬件模型、软件模型和部署配置模型生成硬件描述文件、软件描述文件和部署描述文 件，形成复杂电子系统运行蓝图，提升了复杂电子系统集成、测试、验证效率。
[0011] 发明效果
【附图说明】
[0012] 图1是本发明复杂电子信息系统抽象模型示意图。
[0013] 图2是本发明物理硬件平台的示意图。
[0014] 图3是本发明开放式软件平台示意图。
[0015]图4是物理模块与逻辑构件元模型示意图。
[0016]图5是任务功能层单任务功能可视化模型示意图 图6是任务功能层多任务功能可视化模型示意图 图7是蓝图部署示意图。
[0017]图8是蓝图解析流程不意图。
【具体实施方式】
[0018] 参阅图1。在复杂电子信息系统抽象模型中，涉及目标系统与可视化建模工具集两 个方面，可视化建模工具集实现对目标系统的抽象与描述。依据本发明，在复杂电子信息系 统中，目标系统分为开放式硬件层、开放式软件层和任务功能层。开放式硬件层通过硬件总 线互联构建开放的物理硬件平台构成，开放式软件层通过软件总线互联构建开放式软件平 台构成。软件模型描述了功能线程信息，以及功能线程之间的连接关系。功能线程信息包括 组成该功能线程的逻辑构件以及逻辑构件之间的连接关系。部署配置模型描述了功能线程 的软件构件与硬件模块的功能单元之间的绑定关系。功能应用集合层是系统需要实现的各 种功能特性，这些功能特性由若干个应用功能线程表现出来，应用功能线程之间存在关联 关系，每个应用功能线程的具体实现由若干逻辑构件组合完成，逻辑构件之间存在关联关 系。集合层内的实体资源通过软、硬总线互联在一起，集合层与集合层之间的实体资源通过 映射关系实现关联。然后通过可视化建模工具集对每层实体资源进行抽象化设计和系统蓝 图部署，构建抽象资源模型，抽象出各类资源及关联关系的逻辑构件元模型，并在可视化建 模环境中对复杂电子系统进行分析、分解，构建出逻辑构件元模型描述的硬件模型、软件模 型和部署配置模型。硬件模型描述了各类硬件模块信息，以及硬件模块之间的连接关系;硬 件模块信息包括组成该硬件模块的功能单元以及功能单元之间的连接关系，硬件模块包括 了各类处理模块，控制模块以及扩展模块。物理硬件平台以开放式的结构形式，通过具有 "交换开关"特征的高性能"硬总线"将各硬件模块互连在一起。可视化建模环境一方面从软 件模型生成各个逻辑构件的描述文件和框架代码，另一方面从硬件模型、软件模型和部署 配置模型生成硬件描述文件、软件描述文件和部署描述文件，形成复杂电子系统运行蓝图； 最后，将逻辑构件运行体统一存储于文件服务器上或分别存储于各个硬件节点的非易失存 储器中；目标系统解析运行蓝图文件，将逻辑构件部署到预定功能单元的硬件节点上，实现 逻辑资源到真实物理资源的映射。
[0019] 参阅图2。构建开放式物理硬件平台，对系统物理硬件模块采用通用化设计，通用 化设计是实现资源开放，软件重构的基础。各硬件模块之间通过具有开放性、可扩展特征的 "硬总线"互连，这种硬总线的基本特征是高性能的"开关交换"网络。在具体实现上，可以采 用如工业界的RapidIO开关交换网络。在物理硬件平台中，实际物理平台集合由各类硬件模 块组成，硬件模块包含一个或多个功能单元，硬件模块之间，功能单元之间存在关联关系， 逻辑构件部署运行在硬件模块的功能单元上。物理硬件平台以开放式的结构形式，通过具 有"交换开关"特征的高性能"硬总线"将各硬件模块互连在一起。各硬件模块之间主要由通 过Switch Fabric硬总线进行互连。Switch Fabric硬总线通常采用RapidIO等高速交换总 线，以支持众多硬件模块之间的任意互联，并支持插入可扩展模块。上述物理硬件模块作为 "交换开关"网络的节点，其内部的故障、升级、更改等仅限于模块内部，不对系统其它部件 造成影响。"交换开关"网络可以支持任意数目的节点数量，可以方便的插入新的可扩展模 块，新增加的扩展模块不对系统的其它模块造成影响。
[0020] 参阅图3。构建开放式软件平台，对复杂电子信息系统应用功能软件采用构件化设 计。所谓软件构件化设计，是指将软件功能及对外接口关系封装在构件内部，构件对外接口 为"虚"通道，与具体的物理位置无关。开放式软件平台通过软总线进行互联各类软件功能 构件构建，各类软件功能构件包括软件功能构件1、软件功能构件2、软件功能构件3···软件 功能构件η和可扩展功能构件。开放式软件平台对应目标系统中的开放式软件层，软件构件 包括各类功能构件与扩展功能构件，软总线通常采用CORBA等中间件，一方面实现软件构件 与具体硬件的隔离，另一方面实现软件构件之间的信息交互，并支持软件构件的动态扩展。
[0021] 参阅图4。物理模块逻辑构件元模型是物理平台集合的最小抽象单元，所有物理模 块逻辑构件元模型内部由处理资源和属性组成，外部由物理端口组成;逻辑构件元模型是 软件逻辑构件集合的最小抽象单元，所有逻辑构建逻辑构件元模型内部由属性组成，外部 由虚端口组成。
[0022] 参阅图5。一个实际的复杂电子信息系统按照实现的功能多少分为两种，一种是单 任务系统，一种是多任务系统。在单任务系统中，只存在一个功能任务，该任务功能由3种软 件逻辑构件组合而成，分别是"DBF构件"、"合路构件"和"成像构件"，每种构件完成自身的 功能。构成该单任务需要3个"DBF构件"，1个"合路构件"和2个"成像构件"，通过构件组装控 制器完成这6个构件的组装，进而实现系统的该单任务。DBF构件、合路构件和成像构件通过 控制端口连接构件组装控制器，3个DBF构件通过各自的虚端口分别连接合路构件上的虚端 口 1、虚端口 2和虚端口 2，合路构件输出端上的虚端口 3、虚端口 4分别连接2个成像构件虚端 口 1、虚端口 2。
[0023] 参阅图6。一个实际的复杂电子信息系统按照实现的功能多少分为两种，一种是单 任务系统，一种是多任务系统。在多任务系统中，存在2个或2个以上的单功能任务，多个单 功能经过组合完成系统任务要求。本实施例的多任务功能模型由2个单功能任务组成，其 中，软件逻辑构= DBF构件、合路构件和成像构件分别通过构件组装控制器1与构件组装控制 器2进行组装。
[0024] 参阅图7。系统蓝图部署是"系统运行蓝图"的【具体实施方式】。系统蓝图部署包括配 置部署与功能部署，具体通过配置部署视图与功能部署视图实现。配置视图描述了硬件平 台资源信息与功能信息，硬件资源信息包括各个硬件模块以及硬件模块的各个处理资源； 功能信息包括组成功能的各个功能构件。功能部署视图描述了功能组件与硬件资源的部署 关系。本实施例的配置部署包含硬件平台资源和Demo功能，其中：（1)硬件平台资源由信号 处理模块1、信号处理模块2、信号处理模块3,数据处理模块1、数据处理模块2和接口模块1 组成；信号处理模块3由信号处理设备1、信号处理设备2、信号处理设备3组成，数据处理模 块1由数据处理设备1、数据处理设备2组成。（2)Demo功能由构件A、构件B、构件C组成。功能 部署视图描述构件A部署在信号处理模块3的信号处理设备2上，构件B部署在数据处理模块 1的数据处理设备1上，构件C部署在接口模块1的接口设备1上。
[0025]参阅图8。蓝图解析过程包括解析硬件资源蓝图、解析功能蓝图、解析功能部署蓝 图三个步骤。在解析硬件资源蓝图步骤中，首先获取硬件模块资源，然后获取模块设备资 源;在解析功能蓝图步骤中，首先获取逻辑构件，然后获取逻辑构件之间的逻辑连接;在解 析功能部署蓝图步骤中，通过获取逻辑构件与设备映射关系的方法实现。
【主权项】
1. 一种复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于包括如下步骤，在复杂电子信 息系统中，将目标系统分为开放式硬件层、开放式软件层和任务功能层，通过硬件总线和/ 或软件总线互联构建开放的物理硬件平台和开放式软件平台，建立实际物理平台集合层、 软件逻辑构件集合层和系统功能应用集合层这三种分层抽象集合;集合层内的实体资源通 过软、硬总线互联在一起，集合层与集合层之间的实体资源通过映射关系实现关联，建立复 杂电子信息系统的开放式体系结构;然后通过可视化建模工具集对每层实体资源进行抽象 化设计和系统蓝图部署，构建抽象资源模型，抽象出各类资源及关联关系的逻辑构件元模 型，并在可视化建模环境中对复杂电子系统进行分析、分解，构建出逻辑构件元模型描述的 硬件模型、软件模型和部署配置模型；可视化建模环境一方面从软件模型生成软件构件节 点上各个逻辑构件的描述文件和框架代码，另一方面从硬件模型、软件模型和部署配置模 型生成硬件描述文件、软件描述文件和部署描述文件，形成复杂电子系统运行蓝图；最后， 将逻辑构件运行体统一存储于文件服务器上或分别存储于各个硬件节点的非易失存储器 中；目标系统解析运行蓝图文件将逻辑构件部署到预定功能单元的硬件节点上，实现逻辑 资源到真实物理资源的映射。2. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于:复杂电子信息 系统抽象模型涉及目标系统和可视化建模工具集。3. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于:软件模型描述 了功能线程信息，以及功能线程之间的连接关系，功能线程信息包括组成该功能线程的逻 辑构件以及逻辑构件之间的连接关系，部署配置模型描述了功能线程的软件构件与硬件模 块的功能单元之间的绑定关系。4. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于:功能应用集合 层是系统需要实现的各种功能特性，这些功能特性由若干个应用功能线程表现出来，应用 功能线程之间存在关联关系，每个应用功能线程的具体实现由若干逻辑构件组合完成，逻 辑构件之间存在关联关系。5. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于:在物理硬件平 台中，实际物理平台集合由各类硬件模块组成，硬件模块包含一个或多个功能单元，硬件模 块之间，功能单元之间存在关联关系，逻辑构件部署运行在硬件模块的功能单元上;物理硬 件平台以开放式的结构形式，通过具有"交换开关"特征的高性能"硬总线"将各硬件模块互 连在一起。6. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于:硬件模型描述 了各类硬件模块信息，以及硬件模块之间的连接关系;硬件模块信息包括组成该硬件模块 的功能单元以及功能单元之间的连接关系，硬件模块包括了各类处理模块，控制模块以及 扩展模块。7. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于:开放式软件平 台对应目标系统中的开放式软件层，软件构件包括各类功能构件与扩展功能构件，软总线 采用CORBA中间件，实现软件构件与具体硬件的隔离，另一方面实现软件构件之间的信息交 互，并支持软件构件的动态扩展。8. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于:逻辑构件元模 型是物理平台集合的最小抽象单元，所有物理模块逻辑构件元模型内部由处理资源和属性 组成，外部由物理端口组成;逻辑构件元模型是软件逻辑构件集合的最小抽象单元，所有逻 辑构建逻辑构件元模型内部由属性组成，外部由虚端口组成。9. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于:复杂电子信息 系统按照实现的功能多少分为两种，一种是单任务系统，一种是多任务系统;在单任务系统 中，只存在一个功能任务，该任务功能由3种软件逻辑构件组合而成，分别是"DBF构件"、"合 路构件"和"成像构件"，每种构件完成自身的功能。10. 如权利要求1所述的复杂电子系统的抽象集成设计方法，其特征在于：系统蓝图部 署包括配置部署与功能部署，具体通过配置部署视图与功能部署视图实现;配置视图描述 了硬件平台资源信息与功能信息，硬件资源信息包括各个硬件模块以及硬件模块的各个处 理资源;功能信息包括组成功能的各个功能构件。
【文档编号】G06F17/50GK105844020SQ201610173036
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】陈颖, 李典, 潘灵
【申请人】中国电子科技集团公司第十研究所