嵌入式系统底层驱动可视化配置映射规则挖掘＊

舒 适，李银国，蒋建春

（1.重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆 400065；2.重庆高校汽车电子与嵌入式系统工程研究中心，重庆 400065）

1 引言

随着汽车电子行业的飞速发展，各种电子控制单元ECU（Electronic Control Unit）硬件层出不穷，过去针对ECU 的软件开发过于依赖系统硬件，严重影响了开发效率。为了提高软件的复用率，全球汽车制造商、零部件供应商及其他电子、半导体和软件系统公司共同制定了AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）[1]规范，它定义了一套支持分布式、功能驱动的汽车电子软件开发方法以及ECU 上的软件架构标准化配置方案。基于AUTOSAR 规范的配置分为应用组件配置、系统配置和ECU 配置[2]。应用组件配置需要定义好组件间的通信接口并提供组件的描述文件[3]，系统配置主要是在整个系统层面上对运行时环境RTE（Real-Time Enviroment）层进行设计[4]；ECU 配置关注当前ECU 软件架构中各个模块的配置及代码生成[5]。目前还没有针对ECU配置中驱动各模块结构体初始化的图形配置工具，其难点在于各种结构体嵌套使映射出的软件界面元素规则复杂化，且扩展芯片各模块结构体的未知性，使得配置工具不易兼容。本文基于AUTOSAR 规范，采用模型驱动体系结构MDA（Model Driven Architecture）[6]的开发方式，提出了一种驱动配置界面潜在规则的挖掘方法，该方法对模型的潜在规则进行挖掘、回溯验证，把驱动模块配置及初始化细节映射到界面上，方便用户对驱动进行配置。最后，基于上述理论，开发了相应的驱动可视化配置软件。

2 驱动配置MDA方法

MDA 方法的思想是使业务逻辑和具体实现分离，更好地达到软件复用的目的。MDA 主要流程[7]如图1所示，其中，PIM（Platform Independent Model）为平台无关模型，PSM（Platform Specific Model）为平台相关模型。驱动配置中的PIM模板是用XML 语言描述的ECU 配置项信息，由PIM 规则组成，PIM 规则为XML语言中结点的包含和并列关系以及这两种关系的各种组合。

Figure 1 MDA-based embedded software development process图1 基于MDA 的嵌入式软件开发过程

驱动配置软件是将含有驱动各模块配置项信息的PIM 模板作为输入，映射成图形界面元素；图形界面元素为软件界面中的一条记录，它代表XML中的一个结点；在图形界面中对每条记录的信息进行配置，然后保存回PIM，再将PIM与PSM 结合生成配置文件。整个过程的难点在于如何使PIM 规则能适用于不同ECU 芯片。这是一个分析问题域、设计和预测问题域规则以满足各种情况的过程。PIM 规则需要从以下几个方面考虑：

（1）简便性：用户易于使用；

（2）完备性：覆盖问题域中的所有现有行为；

（3）预测性：基于当前行为挖掘未来可能的行为；

（4）正确性：验证规则是否符合问题域逻辑。

3 底层驱动可视化配置的PIM 映射规则

3.1 算法描述

PIM 规则的挖掘流程可分为四个步骤：分析问题域行为、转换自然语言、建立森林、潜在规则挖掘。如图2所示。

Figure 2 PIM modeling process图2 PIM 建模流程

步骤1 在问题领域中通过分析了解用户需求，用自然语言列举出问题域中的行为。

步骤2 把步骤1中的自然语言抽象出来，根据下面的定义1和定义2进行转换：

定义1 a 包含b＝（a（b））；

定义2 a 并列b＝（a，b）。

步骤3 将步骤2中的表达式根据下面的定义3和定义4转换成森林：

定义3 （a（b））＝｛a，b｜a，b分别为树的父、子结点｝；

定义4 （a，b）＝｛a，b｜a，b为树的兄弟结点｝。

步骤4 对步骤3中的森林横向挖掘和纵向挖掘，再回溯到步骤1中验证是否符合逻辑，若符合就保留，不符合或者重复，则去掉。

3.2 分析问题域行为

在基于AUTOSAR 的嵌入式系统底层驱动配置中，问题域的行为主要是与驱动资源库各模块的内部实现相关，包括头文件和初始化结构体。下面以实际开发的项目为例，列举出驱动配置问题域中的所有现有行为，每条自然语言描述一种实际的行为：

（1）头文件中宏定义和结构体部分属性初始化，用户可以输入值对其赋值。

（2）头文件中开关函数和结构体部分属性的枚举，用户可以从多个备选中任选其一对其赋值。

（3）头文件中的通道选择，用户可以从多个备选中任选一个或多个。

（4）结构体初始化中，结构体嵌套子结构体，内层子结构体为一个整体组合，组合中包含不同的属性，用户在外层输入数字代表内层组合的重复次数。

（5）结构体初始化中，结构体嵌套子结构体，内层结构体属性和外层相同，根据外层的选择，内层出现相应的某个属性，每次有且仅有一个被选中。

（6）结构体初始化中，结构体嵌套子结构体，内层结构体属性和外层相同，内层中列出子结构体的属性，可以任选一个或多个。

3.3 转换自然语言

从各种芯片的驱动资源库分析可知，其基本界面元素只有编辑框（Edit1，Edit2）、下拉框（Combo）和列表框（List），其它各种复杂的界面行为都是这几种基本界面元素的组合，因此用这几种基本界面元素可以表示各种界面行为。将3.2节问题域中的六条自然语言用界面元素符号分别表示如下：

（1）Edit1。

（2）Combo。

（3）List。

（4）Edit2，包含Edit1、Combo、List、Edit2，内层并列。

（5）Combo包含Combo。

（6）List包含List。

分别令Edit1、Combo、List、Edit2 为树结点a、b、c、e，那么，自然语言抽象如下：

（1）（a）。

（2）（b）。

（3）（c）。

（4）（e（a，b，c，e））。

（5）（b（b））。

（6）（c（c））。

3.4 建立森林

根据3.3节抽象出的表达式，建立如图3所示的森林。

3.5 潜在规则挖掘

问题域中用自然语言列举了全部现有行为，再将自然语言转换为相应表达式，因此在其基础上建立的森林覆盖了现有问题域中的所有行为，再针对森林进行潜在规则的挖掘。

Figure 3 Interface actions of forests图3 界面行为森林

4 基于树拼接的潜在规则挖掘算法

树拼接是对森林中任何两棵树的根结点进行试探性拼接，符合逻辑的保留，不符合的则去掉。树拼接的潜在规则挖掘包括横向挖掘和纵向挖掘。

（1）横向挖掘。

例如，选择的树为a 和b，把b 作为a 的子结点，返回问题域，由于a 在问题域中代表的是Edit1，只接收输入值，不可能在其下出现包含子结点的情况，所以去掉这种分支。若把a作为b 的子结点，返回问题域，b代表的是Combo，可以包含它本身。若包含其他类型的界面元素，如Edit1、List、Edit2，在一个结构体下嵌套另一子结构体，子结构体有多个不同类型的属性，只能选其中之一，是符合问题域逻辑的，所以保留这个分支。图3经过横向挖掘后，得到的森林T 如图4所示。

Figure 4 Horizontal mining forest图4 横向挖掘后的森林

（2）纵向挖掘。

在森林T 中，如果一棵树t1的根结点与森林T 中任何（包括t1）一棵树t2的子结点同类型，那么用树t1取代t2的子结点，且这个过程可递归。对于取代拼接的每一种情况，回溯到问题域中验证是否符合逻辑，符合则保留，不符合则去掉。

例如，在图4d 中，根结点e与子结点e 同类型，所以可用e树取代结点e，虚线表示多层递归，返回到问题域中验证，e代表Edit2，可包含Edit1、Combo、List、Edit2，且中间过程可以一直递归下去，所以符合问题域逻辑，保留该分支，如图5 所示。

Figure 5 Vertical expansion figure 4d图5 纵向扩展图4d

按此方法，图4经纵向挖掘后最终得到的森林如图6所示。

Figure 6 Vertical excavation forest图6 纵向挖掘后的森林

最终的森林包含了问题域的现有行为和扩展行为，依此为PIM 的规则建立PIM 模型，可解析映射出尽可能多的界面行为。

5 底层驱动可视化配置应用实例

以实际项目为例，加入STM8 芯片和XC167芯片到驱动配置软件中，只需要编写描述各自相关配置项信息的PIM 模板，其中有下面四种类型的界面行为。为方便阅读，以下的XML 省略掉了结点的某些属性。编写完PIM 模板，将其导入到配置软件中，通过解析即可映射出相应的界面元素，XML结点映射界面记录，XML 中结点间的包含、并列及各种组合关系也在界面的各条记录中体现。

（1）Edit1，接收用户输入值。

如图7a所示，属性名纵列的Name1 为XML模板的EditItem 中name值的映射，属性值纵列的1为EditItem 中value值的映射。

（2）Combo，可包含用户输入型Edit1、枚举型Combo、列表型List和综合型Edit2。ComboItem的value值只能是其子结点中的某一个。

如图7b所示，属性名纵列中LIN＿CHNEL映射XML模板第一级ComboItem 的name值，属性值纵列中STD＿ON[]映射第一级ComboItem 的value值。而LIN＿CHNEL 的子结点STD＿ON[]映射第二级ListItem 的name值。子结点LIN＿UART 递归映射第三级EditItem 的name值，LIN＿UART 映射value值。

（3）List，可包含用户输入型Edit1、枚举型Combo、列表型List和综合型Edit2。ListItem 的子结点有selected属性，表示是否选中该结点。

Figure 7 Configuration software graphical interface screenshots图7 配置软件图形界面截图

如图7b所示，属性名纵列中ADC＿ATDx[]映射XML模板第一级ListItem 的name值，而它下面包含子结点ADC＿CT、ADC＿HT、ADC＿ATD0[]和ADC＿ATD1[]为XML 模板第二级结点，前两项为第二级EditItem 的name值映射，后两项为第二级ListItem 的name值映射，而ADC＿ATD0[]和ADC＿ATD1[]下的子结点又分别递归映射第三级EditItem 的name和value值。

（4）Edit2，EditArray 下包含Base结点，Base只起边界限定作用，不代表具体行为。Base下的所有子结点是需要重复地组合，组合中有用户输入型Edit1、枚举型Combo、列表型List和综合型Edit2。重复的次数由用户输入值控制。

如图7a所示，属性名纵列中Name2映射第一级EditArray的name值，属性值纵列中四映射其value值。值4表示其下有4组并列，分别用base0～base3 标识边界，这里只用base0 一组为例，base0为第二级Base结点的name值映射，起边界作用。SpiBufferNumber[0]、SpiChannelTyp[0]、whatever[0]和SpiJobAssignment[0]为base0 下的三级结点，前两项为第三级EditItem 各项值的映射，第三项为第三级ListItem 各项值映射，第四项为第三级EditArray递归映射。Whatever[0]下的子结点Name3、Name4和Name5为第四级EditItem 递归映射的name 属性值。SpiJobAssignment[0]的值为3，说明其下子结点有三组，分别用base00～base02标识，这里以base00为例，base00为SpiJobAssignment[0]下的第五级Base递归映射，而ChannelAssignment[0]为base00下的第六级EditItem 递归映射。

图7a 和图7b 为不同芯片驱动相关模块的XML模板映射界面截图，从图中可知，该方法能完整地将含有配置信息的XML 模板映射到图形界面，且保持XML 模板中结点间的父子和兄弟关系。

6 结束语

通过对嵌入式系统底层驱动的PIM 潜在规则进行挖掘，使驱动配置软件在设计时以更全面的PIM 模型为基础。实际应用证明了在面对不同芯片时，该软件能很好地兼容，大大降低了二次开发的成本。

[1]Autosar＿Specification 4.0 SW＿Architecture[EB／OL].[2009-01-01].http：／／www.autosar.org／.

[2]Xu Xin-peng，Wang Xiang，Lu Jian-hua，et al.Based on the AUTOSAR methodology of application component configuration[J].Computer Engineering，2010，36（18）：240-242.（in Chinese）

[3]Jo H C，Piao S，Jin S H，et al.Software development tool design for automotive applications[C]∥Proc of 2009ICROSSICE International Joint Conference，2009：5645-5648.

[4]Jo H C，Piao S，Cho S R，et al.RTE template structure for AUTOSAR based embedded software platform[C]∥Proc of 2008IEEE／ASME International Conference on Mechtronic and Embedded Systems and Applications，2008：233-237.

[5]AUTOSAR GbR.AUTOSAR specification of ECU configuration R3.0[EB／OL].[2008-01-01].http：／／www.autosar.org／.

[6]Miller J，Mukerji J.MDA guide version 1.0.1[EB／OL].[2003-01-01].http：／／www.omg.com／mda／.

[7]Yuan Feng.MDA dreams and reality-rescue sisyphus[J].Software World，2007（14）：4.（in Chinese）

附中文参考文献：

[2]徐鑫朋，王翔，陆建华，等.基于AUTOSAR 方法论的应用组件配置[J].计算机工程，2010，36（18）：240-242.

[7]袁峰.MDA 的梦想与现实——解救西西弗斯[J].软件世界，2007（14）：4.