一種結合AADL和TPN的系統能耗建模方法

馬 錚，黃連麗，陶冰冰，周海鷹

(湖北汽車工業學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002)

一種結合AADL和TPN的系統能耗建模方法

馬 錚，黃連麗，陶冰冰，周海鷹

(湖北汽車工業學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002)

結構分析設計語言(AADL)可以描述嵌入式系統的實時性、可靠性等關鍵性能特性，是嵌入式領域的體系結構建模、分析和驗證的重要手段。針對嵌入式系統能耗無法預知的問題，提出了一種基于AADL和TPN(時間Petri網)的系統能耗建模與分析方法。該方法利用AADL基本語言建立了系統級架構模型，通過系統能耗相關性能分析，利用AADL屬性集定義了能耗相關屬性。由于AADL只是一種半形式化的語言，對系統的執行不夠精確，而Petri網能較好地描述和模擬離散事件系統的動態行為及過程，為此，定義了AADL到TPN的模型轉換規則，實現了AADL到時間Petri網的模型變換。通過對TPN模型進行嚴格的數學推導分析，得到系統整體能耗。為驗證所提出的建模與分析方法，以某傳感器節點為實例建立了系統能耗模型。實例驗證表明，所提出的嵌入式系統能耗建模與分析方法可行有效。

結構分析設計語言；嵌入式系統；時間Petri網；能耗分析

0 引 言

目前，嵌入式系統在航空航天、智能交通、工業控制、醫療衛生等領域應用廣泛，嵌入式設備每年電力消耗達到1 000億 kw·h以上[1]。在全球提倡“節能減排”的背景下，如何降低嵌入式系統的軟、硬件能耗已成為嵌入式系統設計的熱點問題[2]。

傳統的能量評估技術主要從軟件[3]和硬件兩方面入手，然而僅從硬件或軟件著手分析系統的能耗是不完善的。嵌入式實時系統體系結構分析與設計語言(AADL)[4]可以描述復雜嵌入式系統軟硬件的功能屬性及可靠性、安全性、可調度性等非功能屬性，在航空航天、汽車電子等復雜嵌入式系統中應用廣泛。因此，利用AADL建立系統的軟硬件能耗模型并進行預測分析將會是一重大突破。

在AADL能耗相關的研究中，E.Senn等[5-6]基于AADL以及CAT工具，給出一種進程間通信(IPC)電量和能源消耗的建模方法，并通過建立以太網進程間通信模型進行驗證。羅增等[7]針對AADL行為附件定義了能耗元素，通過元素與處理器虛擬指令之間的映射關系并借助處理器Strong ARM的虛擬指令能耗模型，構建出一種面向AADL語言的移動軟件能耗評估模型。上述方法僅考慮了軟件部分的能耗，而在實際應用中硬件部分能耗是不可忽略的。綜上所述，AADL不僅可以作為模型描述語言還可借助其他工具對其能耗進行分析。

為此，基于AADL嵌入式系統軟硬件的綜合考慮進行建模，由于AADL屬于高層半形式化語言，需要將AADL模型轉換為更底層的形式化模型，而時間Petri網(TPN)[8-9]可以描述和模擬離散事件系統的動態行為及過程。綜合AADL和時間Petri網，根據系統需求分析建立了AADL的系統能耗模型，在利用AADL建模時主要用到了OSATE2建模工具；在定義了轉換規則后，利用Ocarina[10]工具實現了AADL模型到時間Petri網的轉換。基于TPN模型，以某傳感器節點為實例進行了節點能耗仿真驗證。結果表明，所提出的方法可行有效。

1 AADL和TPN概述

1.1 AADL

2004年，美國汽車工程師協會(Society of Automotive Engineers，SAE)在MetaH和UML的基礎上，提出了AADL[11]。AADL以組件為核心，將系統軟件及硬件都看作組件的集合，將整個系統描述為一組交互組件的集合。AADL定義了三種組件：軟件組件、執行平臺組件以及系統組件。軟件組件包括數據、線程、線程組、子程序、進程、進程組；硬件組件包括處理器、設備、存儲器、總線。各組件定義為：類型和實現并且可以使用關鍵詞extends進行繼承；組件類型描述輸入輸出接口，組件實現可詳細描述內部結構(子構件、連接、屬性值等)，一個組件類型可以有一個或多個實現。各個組件最終集成于系統實現中，可在系統實現中將軟件綁定硬件中，使軟件正確執行。

1.2 時間Petri網簡介

Petri[12]網具有強大的數學定義、嚴格規范的推導方法和直觀的圖形描述能力，非常適合描述系統的控制流、并發特性和異步行為。TPN通過在基本形式Petri網的變遷節點或位置節點中引入表征時間的參量，不僅能描述系統在邏輯層次上的關系，而且能夠表征系統在時間層次上的關系。結合AADL線程的時間屬性，給出時間Petri網的定義。

定義1：時間Petri網TPN=(P,T,F,K,M0,W,D)是一個一元組，其中：P={p1,p2,…,pn}(n≥0)是一個有限庫所集；T={t1,t2,…,tm}是一個有限變遷集，T=Timmediation∪Tdelay且Timmediation∩Tdelay=?，Timmediation是所有立即事件或變遷集，Tdelay是延時變遷；F?(P×T)∪(T×P)是所有狀態間轉移弧的集合；K是P上的容量函數；M0是初始狀態集或滿足條件的狀態集；W是弧的容量函數；D={D1,D2,…,DM}是一組Tdelay上相聯系的時延參量。

定義2：TPN在t中使能的定義：

{M(pi)≥W(pi,t)}∩{M(pj)+W(t,pj)≤K(pj)},?pi∈*t,?pj∈t*

定義3：立即變遷(Timmediation)即當某一變遷的發生條件滿足時，該變遷立即從相應的輸入庫所中移走相應的托肯，且得到發生后果。定義如下：

當滿足定義2[13]，則：

根據AADL中相關的時間屬性，將延時分為區域值延時與固定延時，其中固定延時是區域值延時的一種特殊情況。對于任意的時延變遷t∈Tdelay，都有一個對偶區間[Tmin,Tmax]與之相對應。當變遷t在時刻b的發生條件成立時，則t可在時間區間[b+Tmin,b+Tmax]內執行，其相應的輸入庫所中的托肯將至少保留Tmin，最大保留Tmax；若超過該時間，則認為變遷不能發生了；若Tmin=Tmax，則為固定值延時。

定義4：Tdelay(延時變遷)，即當某一個變遷的發生條件滿足時，該變遷要延遲一段時間才從相應的輸入庫所中移走相應的token并得到發生后果。在此，不考慮延時變遷，即認為一旦可執行性條件滿足時立即發生。

2 基于AADL的系統能耗建模

基于AADL對系統能耗進行建模和分析，圖1是一個完整的基于AADL的系統能耗與評估框架，其流程如下：首先對系統軟硬件進行需求分析，建立AADL系統模型；然后定義AADL模型到時間Petri網模型的轉換規則，將AADL模型轉換為TPN模型；接著利用已有的TPN模型的分析方法和工具Tina，對轉換生成的TPN模型進行仿真計算和分析。

以某傳感器節點為例，圖2給出了AADL的傳感器節點模型架構方框圖。

圖1 系統能耗評估框架

圖2 傳感器節點的AADL模型方框圖

該系統擁有兩個進程P1和P2，進程P1處理傳感器采集數據，進程P2處理外部接收數據。進程P1包含三個線程：線程unpack1拆數據包；線程process1分析處理數據包；線程pack1壓縮封裝數據包。三個線程具有相同的地址空間，分別綁定在CPU上，進程P2同樣擁有解包、處理、封裝三個線程。傳感器節點架構所對應的AADL系統代碼如下：

system implementation s_ss.impl

subcomponents

s_sensor:device sensor.impl;

p1:process p_sample.impl;

s_rf :device rf.impl;

cpu:processor cpu.impl;

s_rom:memory memory_1.impl;

bus_1:bus bus_1.impl;

p2:process p_receve.impl;

s1:device evt.impl;

connections

cn1:port p2.resout->s1.evt_data;

……

bn5:bus access bus_1->s_rf.ba1;

properties

Actual_Processor_Binding=>(reference(cpu))applies to p1.th_u,p1.th_p,p1.th_pro,p2.th_u,p2.th_p ,p2.th_pro;

Actual_Memory_Binding=>(reference(s_rom))applies to p1,p2;

end s_ss.impl;

線程unpack、process、pack之間通過數據、事件端口連接。數據、事件存儲于memory中，各設備(Sensor、RF)以及處理器(CPU)、存儲器(Mem)通過總線(Bus)互聯。線程部分代碼實現如下：

thread implementation processing.impl

calls main:{

opg:subprogram handle;};

connections

cn4:parameter RF_data->opg.d_handle ;

properties

Dispatch_Protocol=> periodic;

Period =>50 ms;

Initialize_Deadline =>50 ms;

compute_deadline=>50 ms;

Reference_Processor=>classifier (s_0::cpu);

end processing.impl;

定義線程processing為周期性線程，周期50 ms；compute_deadline為50 ms；initialize_deadline為50 ms。該線程描述了當有數據或任務到來時，激發處理器開始進行拆包處理。

3 AADL到TPN的轉換及計算方法

AADL屬于高層建模語言，不可直接用于能耗計算和分析，因此首先需要將AADL模型轉換到更低層次的形式化模型，進而再進行計算和分析。TPN具有直觀、形象等優點，能夠以圖形化的方式形象地描述一個復雜系統及其動態行為，且具有許多優良的數學性質，適用于描述及分析異步并發系統。TPN的結構元素包括庫所(place)、變遷(transition)和弧(arc)等。鑒于AADL組件與TPN元素間存在的對應關系，定義AADL到TPN的轉換規則成為節點建模分析的首要任務。

3.1 AADL到TPN的轉換規則

AADL行為主要由各組件數據、事件端口之間的交互進行表征。由于線程具備行為描述能力，因此軟件組件轉換主要專注于線程轉換[10]。AADL模型基本元素和各組件狀態之間的變遷可以用有限自動機模型描述，該自動機模型和TPN模型之間存在映射關系，表征如下：

定義5：用有限自動機描述的AADL模型表示為AM=(AS,AE,TR,IAS,F,T)，其中：AS是所有組件狀態的集合，AS=(as1,as2,…,asn);AE是所有事件、動作的集合，AE=AEi∪AEd且AEi∩AEd=?，AEi是所有立即事件、動作集，AEd是所有延遲、周期事件動作集;TR是所有狀態間轉移的集合，轉移函數TR(asi,atj)=ask;IAS是初始狀態集或滿足條件的狀態集;F是AM的終止狀態集合;T是事件相關的時間屬性，包括period、Compute_Deadline、Compute_Execution_Time等。

根據定義5和TPN的定義，可實現AADL模型基本元素到TPN模型所對應的函數TPN_AM的映射，表征如下：

定義6：AADL基本模型元素到TPN模型元素轉換：

(1)TPN_AM(as)=p,TPN_AM(AS)=P實現AADL模型各組件狀態到TPN中庫所之間的轉換。

(2)TPN_AM(at)=t,TPN_AM(ATi)=Ti,TPN_AM(ATd)=Td，即AADL模型中立即事件、動作到TPN的瞬時變遷，AADL中延時事件、動作到TPN中的延時變遷。

(3)TPN_AM(TR)=Ast∪Ats=F，將AADL中狀態之間的轉換對應于TPN中庫所到變遷的弧和變遷到庫所的弧。

(5)TPNAM(t)=(tmin,tmax),TPNAM(T)=D將AADL中時間屬性轉換為TPN的時間延遲。

通過上述規則，可以得出AADL各組件的TPN模型。以傳感器節點為例，系統轉換如圖3所示。

圖3 系統轉換圖

3.2 系統能耗計算方法

假設如下：

(1)節點總能耗Etotal為各個能耗部件Esensor、Ecpu、Erf之和[14-15]：

Etotal=Esensor+Ecpu+Erf

(1)

(2)各個組件能耗為該組件各個狀態下能耗之和，對于CPU，如下所示：

Ecpu=Ecpu_run+Ecpu_idle+Ecpu_sleep

(2)

對其他耗能部件，能耗計算方法式(2)類似。

(3)在整個TPN模型中，存在多個庫所和變遷，只考慮對該狀態有影響的庫所和變遷。

(4)在token到達某庫所且其他條件都滿足時，變遷才可發生；一旦firing之后，token到達下一個庫所為瞬時的。

(5)對于某一庫所，從token流入到流出時即為此次變遷在該庫所停留時間ti；對應的實際含義為此次執行在該狀態的消耗時間。在仿真一定時間后，每一庫所消耗的所有時間，即為該狀態在這段時間內消耗的總時間Tsi，該狀態的功率為psi，則該狀態的耗能為：

Esi=Tsi*psi

(3)

(4)

(6)對于CPU，在運行時有六個任務，分別用來對傳感器采集的數據和RF接收數據進行拆包、處理、封裝。能耗計算公式為：

(5)

至此，結合AADL和TPN的能耗建摸已完成，通過Tina工具可對節點TPN模型進行仿真，通過計算出各個耗能部件所有狀態中Token所停留的時間，即可計算出整個系統在一定時間內的能耗情況。

4 結束語

為了能及時預測分析嵌入式系統整體能耗，提出了一種結合AADL和TPN的嵌入式系統能耗建模方法。該方法綜合考慮系統軟硬件，建立了能耗模型，并通過嚴格的數學推導公式預測整個系統的能耗。以某傳感器節點為實例的驗證結果表明，所提出的方法有效、可行。該方法在嵌入式系統設計初期對系統架構的能耗分析具有很好的參考價值，方便設計人員根據能耗要求及時調整系統架構，節省設計的時間、物力成本。

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An Embedded System Energy Consumption Modeling Method Using AADL and TPN

MA Zheng,HUANG Lian-li,TAO Bing-bing,ZHOU Hai-ying

(School of Electrical & Information Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China)

Architecture Analysis and Design Language (AADL) can describe key performance features such as the real time and reliability of embedded system,which is an important means of architecture modeling,analysis and verification in embedded field.In view of the unpredictable energy consumption problem of the embedded system,a system modeling and energy consumption analysis method has been put forward based on AADL and TPN (Time Petri Net).It sets up system level structure model with AADL basic language,through analysis of system energy consumption related performance and definition of energy consumption related properties with AADL property set.Since the AADL is just a semi-formal language,the execution of the system is not accurate,but the Petri net can well describe and simulate the dynamic behavior processes of the discrete event system.Therefore,AADL-TPN model transformation rules has been defined,and the transformation between AADL model and time Petri nets model has been realized.The system energy consumption can be obtained through strict mathematical deduction and analysis.For the validation of the proposed modeling and analysis method,a sensor node has been chosen as an example and system energy model has been established.The operation of the example shows that the proposed system modeling and energy consumption analysis method are both feasible and effective.

AADL;embedded systems;TPN;energy consumption analysis

2016-07-06

2016-10-19 網絡出版時間：2017-04-28

湖北省科技支撐計劃項目(對外合作)(2014BHE024)

馬 錚(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為汽車電子、嵌入式系統設計；周海鷹，教授，研究方向為嵌入式系統、云計算。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170428.1703.052.html

TP311

A

1673-629X(2017)06-0151-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.06.031