1、分类号重庆邮电大学硕士论文摘要摘要汽车电子控制技术的应用带来了汽车制造技术的重大变革，汽车电子控制软件成为汽车产品的核心组成部分，其功能需求日益复杂。但汽车电子控制软件的传统开发方法却存在无法面向汽车领域的问题描述，缺乏有效的软件正确性验证以及缺乏自动生成高质量的代码等问题。基于模型驱动（）的开发方法是通过对软件系统的建模行为来驱动软件系统的开发，能有效地解决软件中的重用性，软件测试，自 动代码生成等方面的难题。基于的嵌入式控制软件开发涉及到控制领域建模和计算机软件领域建模，而控制模型常用来构建，基于开发中的（）却是用（丘）来描述的，如何把模型集成到用构建的中以构建目标系统完整的， 这是成功运
2、用思想开发嵌入式控制软件的关键问题。为了解决模型到模型的转换问题，本文首先对模型驱动方法、基于模型驱动的嵌入式控制软件开发、建模机制、建模机制以及目前主流的模型转换技术进行了研究分析。在此基础上，本文利用范畴论和代数规范理论分别对的静态结 构视图类图、 动态行为结构视图活动图、模型的静态结构特性以及模型的动态行为特性进行了形式化描述，并在形式化描述基础上建立了模型到类图的映射关系以及模型到活动图的映射关系。所建立的转换规则能保证转换一致性和语义一致性，并且转换规则具有很好的重用性。根据上述方法设计的模型到模型的转换规则，本文设计和实现了模型到模型转换工具的原型，包括的需求分析、的系统结构、各子
3、系统的详细设计和实现。最后，本文以电子节气门控制系统作为应用对象来验证本文设计的转换规则和转换工具的有效性。从应用结果看， 转换结果是有效的，可以 实现预定的功能，并且有利于）开发方法在嵌入式控制软件开发中的应用。关键词：嵌入式控制软件；模型驱动结构；形式化描述；模型转换；咖重庆邮电大学硕士论文摘要硼，（），刀砖（），、，够，硼重庆邮电大学硕士论文摘要，圮，旧：，重庆邮电大学硕士论文目录目录摘要目录第一章绪论一课题背景与意义研究现状课题来源以及主要内容课题来源主要内容一论文结构本章小结第二章技术分析相关技术分析架构基于的开发模式在模型驱动中的作用 基于的嵌入式开发方法控制系统建模技术模型转换技
4、术分析第三章模型到模型的转换规则设计基于模型驱动的嵌入式控制软件开发方法转换规则设计的基本概念模型转换框架静态结构转换规则设计静态结构模型及其形式化描述 静态结构模型及其形式化描述转换规则动态行为转换规则设计动态行为模型及其形式化描述 模型的动态行为及其形式化描述重庆邮电大学硕士论文目录转换规则 本章小结第四章模型到模型的转换工具设计 需求分析参与者识别用例图描述总体框架设计子系统的详细设计与实现子系统模型转换子系统本章小结第五章应用分析基于的汽车电子嵌入式控制软件开发工具链在电子节气门控制系统中的应用第六章总结与展望总结未来工作致谢参考文献攻读硕士期间从事的研究工作重庆邮电大学硕士论文第一章
5、绪论课题背景与意义第一章绪论随着经济社会快速发展，人们对汽车的功能提出了自动化、智能化等方面的高要求，而传统 机械制造技术的进步无法满足这些要求。因此，电子技术被广泛地引入汽车制造中。汽 车电子技术是建立在电子与计算机技术快速发展的基础之上的，主要包括电子技术、控制技术、 传感器技术、网 络技术、机 电一体化技术等技术领域。现代汽车 大量应用了汽车电子技术。汽 车电子化程度是衡量现代汽车水平的重要标志。汽车电 子化是用来开发新车型、改 进汽车性能最重要的技术措施。据统计，电子产品目前在整车成本中所占比例普遍为，在高档豪华轿车上更是占到，。今后汽车的发展将更多地由汽车电子技术驱动，可能人们驾驶汽
6、车的感觉就像在操作一台复杂的电子设备。按照对汽车行驶性能的影响程度，汽车电子可被归纳为两大类。一类是车载汽车电子装置。 该类设备与汽车本身性能无直接关联，主要用于提高在汽车环境下的生活舒适度，如车载娱乐系统， 车载环境调控系统，车载信息系统等。另一 类是汽车电子控制设备。它通 过电控单元与车上机械系统配合使用，共同控制汽车的运行，如电子燃油喷射系统、电子悬架系统、制 动防抱死控制系统、电子动力转向系统，电子稳定程序等。 这类设备直接影响汽车本身的性能和安全，是汽车的关键部件，需要具备强实时性和高可靠性。通过采用电子技术，汽车的动力性、可靠性、安全性、舒适性、便利性和能源利用效率等可被明显地改善
7、。由上可知，现 代汽车电子技术已经发展到以采用先进电子控制系统进行综合控制的阶段。在 这个阶段，嵌入式系统和以嵌入式软件为载体的控制技术得到了广泛应用，其势必是未来 发展应用的重点，然而，其技术正面临着来自性能、安全以及环保法规等方面的苛刻要求，控制软件的功能日益复杂，开发周期要求越来越短等。面对这一现状， 传统的汽车电子控制系统软件开发方法遭遇到以下方面的问题：无法面对 汽车领域的描述，即缺乏面向领域的建模语言导致领域工程师难以直接参与开发无法自动 生成高质量的代 码无法有效地验证软件的正确性代码可重用性差 导致系 统开发效率低重庆邮电大学硕士论文第一章绪论研究现状围绕软件开发中出现的问题，
8、出现各种软件开发方法。为了解决软件的可靠性和可维护性，和提出了面向功能的软件开发方法或称为面向数据流的软件方法【；提出了从目标系统的输入、输出数据结构入手，导出程序框架结构，再 补充其它细节，以得到完整的程序结构图的方法 【】：日立公司提出的面向问题分析的软件开发方法，该方法兼顾了上述方法的优点并避免了他们的缺陷，然而这些方法都无法根本解决软件开发中存在的问题。但面向对象的软件开发方法在软件的可靠性和可维护性方面取得了突破，它是一种自低向上和自顶向下相结合的方法，它以对象建模为基础，从而不仅考虑了输入、输出数据结构，还包含了所有 对象的数据结构， 彻底解决了面向问题分析的软件开发方法中存在的缺
9、陷。以上各种开发方法都努力提高软件开发的效率和可靠性，但所有这些方法都无法保证软件设计的正确性、更好的开发效率和良好的可移植性。近几年发展起来的面向方面的软件开发、基于模型的软件开发思想以及基于的软件开发思想，试图从根本上解决上述问题。）面向方面的软件开发方法面向方面的软件开发围绕如何使整个系统更好地模块化，包括功能性需求、非功能性需求、平台特性等关注点的模块化。 该方法关注如何使各模型之间相互独立、使系统结构更容易理解、系统更容易配置和扩展，以满足各种衍生的需求【 】嘲。）基于模型的软件开发思想基于模型的软件开发思想是将模型作为软件设计的中心，通过模型表达出系统的解决方案，并通过采用形式化工
10、具对系统模型进行验证，以保证系统设计的正确性。由此可知，基于模型的软件设计方法的重点是系统的建模和模型的验证。它通过选用模型设计语言和工具准确地建立目标系统的模型，消除系统描述方面的歧义，并通过严 格的验证机制来确保模型的正确性【】）基于模型驱动架构（，）的软件开发思想基于的软件开发方法是基于模型的软件开发思想的进一步发展，它利用构建的平台无关模型和平台相关模型，模型转换机制，以及借助自动化工具来实现模型开发的靠效率， 软件的高可靠性，软件设计的正确性，高可移植性和可维护性。因此该方法更适合用于解决嵌入式控制软件开发中所面临的问题。是（，国际对象管理组织）提出的一种新的软件系统开发方法，模型驱
11、动式软件开发（，简称）重庆邮电大学硕士论文第一章绪论就是一个通过对实际问题进行建模，并转换、精化模型，直至生成可执行代码的过程。强调整个系统的开发过程通过对软件系统的建模行为来驱动，完成系 统需求分析、架构设计、构建、测试、发布和运行维护 工作。因此其能很好地解决软件中的重用性，软件测试，自 动代码生成等方面的难题。把的思想应用到汽车电子嵌入式控制软件的开发中，将能改进传统的汽车电子控制系统软件开发方法，从而提高开发效率。是以模型为中心，模型转换是其中关键技术。而嵌入式控制软件建模涉及到控制领域，计算机软件领域。它的开发需要各领域的团队协作，各领域工程师利用各自领域的建模语言和建模工具构建模型
12、，建立各子系统模型，因此需要把各领域子系统模型进行集成，这就涉及到控制模型到模型之 间的转换，通常控制模型由来构建。模型到切儿模型的转换实现是在嵌入式控制软件开发中成功应用技术的关键，因此研究模型到模型的转换技术具有非常重要的意义。一经提出便受到广泛的关注，虽然现在对方法研究还并不十分成熟，但是国内外已经有一些很不错的工具和平台支持方法。如法国限公司的工具，它是第一个完全支持方法的工具，公司的，等工具。国内如楚凡科技的，它以模型驱动整个软件的开发，但代码自动化生成方面还存在不足。金蝶，它从应用需求、系 统设计、系统构建以及程序的发布都贯彻了的宗旨，并具有统一的过程管理。目前国内外的研究热点主要
13、有以下几个方面：、模型的早期验证方法，动态模型的预测、演化和仿真方面的研究。、模型转换 的验证方法。、基于思想的其它开发方法的研究，如把方法应用到嵌入式领域开发中【。、专用领域建模 【。、通用建模语言的形式化、标准化工作，精确的语义，对进行扩充和改进，以 满足开发中模型自动转换的要求【。、基于的模型转换技术【 】【】【。本文主要关注把方法应用到嵌入式领域所涉及到的专用领域模型到通用模型的转换问题。把应用到嵌入式软件系统开发方面，国内的浙江大学开发的汽车电子控制系统软件平台】【。该平台包含模型设计工具，自 动生成工具，系统调试工具，模型分析验证工具。平台向开发者提供了符合的整体流程工具，从建模到
14、验证，再到代 码自动生成的完整开发流程。在国外，公司的遵重庆邮电大学硕士论文第一章绪论循的基于的软 件开发平台，它能最大限度的 让系统工程师、硬件工程师、软件工程 师和测试工程师以更加灵活和优化的方式协同开发和交流。不仅支持的可视化表示法，将系统各个层次结构完全模型化，还支持模型的执行、实现和 测试。具备全面的与第三方工具软件集成的能力，开发者可以通过构建自己完 备的开发环境。支持三种实现语言：、和，根据客户设计的结构和行为模型，自动产生以上三种语言的代码。是公司开发的基于模型驱动开发方法的软件建模工具。在基于模型驱动开发方法的嵌入式软件开发中，用于构建系统的需求分析模型，目标系统的和，以及框
15、架代码自动生成。公司的是高安全性的嵌入式应用开发环境，它通过图形化建模来实现软件开发的自动化，它涵盖了嵌入式软件开发整个流程，包括需求建模、模型检查、模拟仿真、形式验证、代码 生成、文档生成等。该工具支持主要的，还可以与连接，解决了控制设计模型与相应的软件代码生成相脱节的问题。与其它仅仅生成框架代码的或者原型代码的工具不同，生成可嵌入的软件代码，且与软件需求描述的要求严格一致。环境下的模型转换是近年来的研究热点。将模型的精化和转换作为对模型扩展和加工的基本技术。在中，模型转换是最重要的部分，只有圆满地解决了模型转换的问题，才能够更加便利地实现代码的自动生成，才能够解决不同平台、不同技术路线的集
16、成和互操作问题，才能适应不断涌现的新技术和新平台。从模型演化结果角度看，模型转换可分为模型到模型的转换（）和模型到代码的转换（）。目前主流的模型到模型转换技术如下：（）：直接操作方法。该方法使用可以访问和操作模型的对源模型进行转换，从而得到目 标 模型，如。（）：基于关系代数的模型转换。它是一种利用关系代数在元模型级别进行模型转换定义的方法，主要概念是关系代数、声明方法和映射规则【。（），基于图文的转换。该方法将模型视为图，利用形式化的图文法（） 进行转换【。（）砸：结构驱动 的方法。该法主要是先确立了目标模型的层次结构，并 设置属性和引用。用户主要提供转换规贝，。（）基于的模型转换 技术，是
17、组织提出的元模型交换标准。它通过标 准化的文档格式和 为元模型和其它模型定义了一种基于的数据交换格式。的主要作用就是能够利用来连接不同的分析模型和设计模型。重庆邮电大学硕士论文第一章绪论（）基于元模型间映射的模型转换， 该方法利用元模型之 间的映射来进行模型转换【】【】。（）不同建模语言构建的模型之间的转换主要引入第三方组件。如（）【】【】。（）利用与工具软件进行交互。通 过数据接口（）、定时接（）和远程控制接口（）来 协调的行为。中涉及到的模型到代码（） 转换 ：模型到代 码的转换。这一过程主要是生成与目标平台相结合的可编译执行的源代码。目前主流转换方法有：（）：基于访问者的方法，这是一种基
18、本的代码产生方法。该方法提供一些能 访问模型内部表示的访问者，而访问者在访问模型的同时写代码到文本输出流。如，它是一个面向 对象的框架。该框架通过一系列操控模型的和一个访问者机制来产生代码【。（）：基于模板的方法，它是对源模型的每一个元素，都有一个模板将它映射为一段代码。目前大多数工具都支持基于模板的代码产生，如：，。其中模板由读取源模型信息的接口，代码选择器和迭代器组成。与基于 访问者的方法相比，模板的结构更接近于要产生的代码。模板独立于具体的目标编程语言，具有通用性】。（）基于的代码生成方法，是一个基于的代 码生成环境。它首先对源模型进行分析，分析得到的模型描述文件包含了一个等级式结构，该
19、结构记录了系统、模 块及其连接的描述。然后中的目标语言编译器程序读取中间模型描述文件并生成代码。模型到模型的转换在国内还没有相关的文献，这也是本课题的研究内容。在汽车领域，由世界著名汽车制造企业和、伯克利等著名高校联合的高新技术研究工程中实现模型到模型的转换。课题来源以及主要内容课题来源本文的研究课题主要来源于“核高基国家科技重大专项课题“汽车电子控制重庆邮电大学硕士论文第一章绪论器嵌入式软件平台研制与应用（）。主要内容为了在嵌入式控制软件开发中成功运用方法，并且在目标系统的控制算法设计方面使用专用领域建模工具，从而综合利用建模与建模各自的优点来构建目标系统的平台无关模型，本文研究了模型到模型
20、的转换问题。核心内容在于设计了模型到模型的转换规则，设计和实现了模型到模型转换的转换工具（）。主要工作如下：分析了方法在嵌入式系统中的应用以及基于的嵌入式控制软件的开发流程。分析了模型到模型的转换中涉及到的范畴 论和代数规范中的相关理论。利用范畴论和代数规 范对的静态结构模型中的类图和模型的静态结构特性进行了形式化描述，并在形式化描述的基础上，建立了一套模型到类图的映射 规则。利用范畴论和代数规 范对的动态行为模型中的活动图和模型的动态行为特性进行了形式化描述，并在形式化描述的基础上，建立了一套模型到活动图的映射 规则。设计和实现 了模型到模型的转换工具，对的 应用进行了研究，并且进行了正确性
21、和有效性的验证。论文结构本论文一共六章，各章节的内容组织如下：第一章介绍本课题的背景和研究意义、国内外的研究现状、主要工作和论文的结构。第二章分析了模型驱动架构的相关技术，着重研究了的核心构件、的整体框架以及基于的嵌入式开发方法；分析了控制系统建模技术以及建模机制；分析了目前主流模型转换技术。第三章研究了模型到模型转换规则设计的理论基础，给出了模型转换的整体框架。利用范畴论和代数规范理论分别对的静态结构视图类视图、动态行为结构视图活动图、模型的静 态结构以及模型的动态行为进行了形式化分析描述，并在形式化描述基础上建立了模重庆邮电大学硕士论文第一章绪论型到类图的映射关系以及模型到活动图的映射关系
22、。第四章设计和实现了模型到模型转换工具的原型，包括：的需求分析、的系统结构、各子系统的详细设计和实现。第五章对转换工具的应用进行了探讨，通过实例验证了现有的功能。第六章主要对本课题的研究工作进行了总结，同时，指出进一步的科研工作。本章小结本章首先研究了课题的研究背景，嵌入式控制软件开发中存在的问题以及目前的解决方法。研究了、在嵌入式开发中的应用以及模型转换技术这三方面的现状。最后介 绍了本课题研究的主要内容和论文的组织结构。重庆邮电大学硕士论文第二章技术分析第二章技术分析为了研究基于的嵌入式控制软件开发中的模型到模型的转换规则和设计模型到模型的转换工具，本章分析了当前软件开发技术、基于的嵌入式
23、软件开发方法以及模型转换技术。本章分为三节：第一节分析了的相关技术以及基于的嵌入式开发方法；第二节分析了控制系统建模以及建模机制；第三节分析了当前主流的模型转换技术。相关技术分析模型驱动架构是对象管理组织 发布的一个 软件开发框架，是一套新的软件开发方法学。其有利于实现系统集成和提高互操作，有利于适应业务逻辑的迅速变更并缩短开发时间，有利于提高软件开发的效率，因此模型驱动的软件开发正在逐渐成为软件领域的主流发展方向。架构从互操作性和可移植性角度出发对中的核心概念、技 术框架给出了统一的标准。本 节将通过分析的一般性概念、核心构件、整体结构等方面内容来概述架构。）通用概念与核心构件为了便于理解模
24、型驱动的核心思想，本节结合的核心标准介绍了的基本概念和核心构件。模型：模型（）是系统结 构、功能和行为的一种抽象表示。它从系统中提炼出关键的“结构和重要的“现象”，以便人们能够更全面的认识和理解系统各部分的静态和动态关系【】。平台：平台（）是由一系列通过以接口或者指定用法的形式提供相关功能的技术和子系统组成的集合【】。运行在平台之上的应用只需调用相关接口或者按照指定方式使用相关功能，不需要关注平台所提供功能的具体内部细节。：重庆邮电大学硕士论文第二章技术分析平台无关模型（，）是独立于任何实现技术的模型，具有高抽象层次【。它从系统如何才能更好，更有效地支撑业务的角度对系统进行建模，不关心系统具体
25、的实现平台。在建模过程中，建模者会根据实际的应用需求等因素来构建、精细系统的，从而更加精确地描述客 户需要的系统。：平台相关模型（，）是与特定的实现技术和平台相关联的模型。该模型是为某种特定的实现技术量身定做的。在构造完成后，被变换为一个或多个平台相关模型，为每个特定的技术平台生成一个单独的。只对了解相应平台的开发者有意义。的核心构件有元对象设施（，）、元数据交换，）、多个阶段的转换（，）、动作语言（）、各种核心模型、模型标示以及可执行的卅。其中，定义了一种抽象语言和一个框架用于描述、管理、构造元模型，即构造元模型的模型。的所有建模规范都是根据来定义的，在机制中，它提供了标准建模、变换的构造块
26、。的体系架构被分 为层，如 图所示：实例层包含数据和对象，实际系统所运行的程序就位于这一层，是模型层的实例化。模型 层包含抽象描述实例层中实际系统所需的各种模型，即分析、设计和开发人员构建或处理的模型，在中主要是札模型。元模型层为模型层提供建模符号，这 些建模符号是由结构定义的元模型。在元模型层可以添加针对不同领域的建模语言符号。元元模型层是，它的元素是为定义元模型提供的结构集，其具有自描述性。该层元素为框架中的所有模型提供统一的语义基础。：元元模型层：元模型层：模型层图中的四元层重庆邮电大学硕士论文第二章技术分析是与具体实现平台无关的建模 语言，它利用图形符号标示系统中的对象和关系，在中能精
27、确、全面表达目标系统的静态结构和动态行为。是基于的元数据交换，是的映射，可使模型、 组件间，建模工具等在分布、异构的环境下相互进行数据交换。在中，规范支持任何用标准描述的数据，这些数据既可以是元数据也可以是元模型信息，是不同工具之间互操作的基础。在中，只要使用正确的工具就可以通过模型间的转换来获取可在指定平台上运行的源代码。在 这个过程中涉及到多个阶段的转换如到的转换，到代码的转换等。在某些情况下，有必要手工配置中间产品以控制转换阶段，这种配置就是模型标识【。）的整体框架的核心思想是抽象出与实现技术无关、完整描述业务功能的核心模型，然后根据具体实现 技术和系统运行支持平台制定映射 规则，并通过
28、映射规则和辅助工具实现到具体 实现技术和系统运行支持平台相关的自动转换，最后利用代码生成工具在一定程度上将自动转换 成能在目标系统上运行的代码。的整体结构如图所示，从图上可知，不仅包含了已 经建立的一系列重要的标准如、等，而且还 涵盖了所制定的普通服 务，例如事件处理、安全性等，并且 还支持特定行业的标准化领域模型的建立，例如电信行业、运输 行业等。整体上看可分为三个依次包含的圈层。由里向外分别是核心技术层、中 间件技术层、公共服 务层。图框架【 】重庆邮电大学硕士论文第二章技术分析核心技术层由、等构成，这些技术直接面对系统结构。中间件技术层由、等技术构成，系统开发人员通过建立转换规则和借助恰
29、当的转换工具可将由核心技术描述出的系统结构模型直接转换成中间层代码。公共服务层包含从 业务系统提取的公共服 务，这些服务可方便的集成到最终的应用系统中。）中的模型体系结构最为重要的核心就是消除业务功能模型与运行平台的紧耦合。从这个角度可把分成两个层次：平台无关的模型层和平台相关模型层，如图所示。其中平台无关的模型层是利用中的核心技术层中的技术结合实际应用领域中的应用需求建立的，这一过程必然涉及到公共服务层中的相关技术内容：平台相关模型层则是根据实际的实现技术和运行支撑平台需要，结合中间件层中的相关技术借助转换工具由平台无关模型转换得到。图中的模型体系基于的开发模式）传统软件开发模式中的常见问题传统软件开发依靠系统设计和编码来驱动，典型的开发模式是需求分析、功能分析与设计、编码、 测试 和部署，如图所示。迭代过程图传统软件开发过程踟在这样的软件开发过程中，随着时间推移系统不断地被修改，各类文档、设计图表与代码的距离越来越远。它
