基于POOSL的系統(tǒng)級建模及性能分析研究.pdf

1、嵌入式系統(tǒng)設計面臨著系統(tǒng)復雜性的不斷增加以及設計周期的逐漸縮短等問題的挑戰(zhàn),這類挑戰(zhàn)來自于設計初期模糊的設計參數(shù)及非功能性需求(低成本、低功耗等)的不斷增加等。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計方法僅憑個人經(jīng)驗取舍,無法保證產(chǎn)品設計的正確性及合理性,不能適應嵌入式系統(tǒng)日趨復雜的需要。系統(tǒng)級設計方法在嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件實現(xiàn)之前,通過建立系統(tǒng)的可執(zhí)行模型,定性和定量地分析系統(tǒng)的性能,對系統(tǒng)的需求及規(guī)格說明進行有效的評估,從而確定最初設計方案的可行性,并

2、及時發(fā)現(xiàn)設計錯誤,避免了設計過程的反復,降低了開發(fā)成本。 系統(tǒng)級設計方法的核心是系統(tǒng)級建模及性能分析,面向?qū)ο蟮男问交ＵZ言(Parallel Object-Oriented Specification Language,POOSL)是荷蘭愛因霍芬(Eindhoven)大學研究和設計的專門針對復雜實時軟/硬件系統(tǒng)開發(fā)而設計的,基于嚴密的數(shù)學語義,能精確地描述系統(tǒng)的并發(fā)性、分布性、時間、通訊和功能特性,已經(jīng)被證明是一種非常高效的

3、分析和評估工業(yè)級復雜系統(tǒng)的建模語言。本文以POOSL作為系統(tǒng)級建模語言,通過實例分析,研究復雜嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級建模及性能分析方法。 本文針對復雜嵌入式系統(tǒng)的特點,從系統(tǒng)級設計流程、系統(tǒng)級建模的指導原則和方法、性能分析的數(shù)學技術(shù)和POOSL性能分析庫的擴展、工業(yè)級實例的系統(tǒng)級建模和性能分析4個方面進行研究,形成了一套復雜嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級建模及性能分析方法。 (1)詳細分析了基于POOSL的系統(tǒng)級設計方法-SHE(Sof

4、fware/Hardware Engineering)方法,針對復雜嵌入式系統(tǒng)的特點對其設計流程進行了改進,提出了復雜嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級設計流程。在此基礎上,提出了基于POOSL的系統(tǒng)級建模方法(POOSL-Based Hierarchy Modeling Methods,PB-HMM),包括層次化建模、"Top-Down"建模方法、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)和基于Y-Chart的資源建模方法。實踐表明,PB-HMM滿足了復雜嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)級建模

5、的需要。 (2)為了使建模過程工程化,提高模塊的可重用性和可維護性,針對系統(tǒng)級建模中反復出現(xiàn)的數(shù)據(jù)抽象、信號原語抽象、異步并發(fā)處理和進程間通訊等機制的實現(xiàn)過程,提出了通用建模模式(Modeling Patterns)和構(gòu)件式建模方法,以指導具體的建模實現(xiàn)過程,并構(gòu)建了典型的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)件的模型庫。 (3)為了定量分析嵌入式系統(tǒng)的吞吐量、平均延時和處理器的平均利用率等性能指標,本文運用再生周期技術(shù)分析計算這類指標的點估計值

6、和置信區(qū)間,并擴展了建模工具SHESim的構(gòu)件庫,以方便嵌入式系統(tǒng)建模時重用。為了驗證性能分析庫的正確性,建立了選擇重傳滑動窗口協(xié)議的性能分析模型,定量地分析了窗口大小、包大小和超時間隔等參數(shù)對協(xié)議性能的影響。分析結(jié)果表明,擴展的性能分析庫能有效地應用于系統(tǒng)性能指標的定量分析。 (4)以IEEE 802.11協(xié)議棧和無線接入系統(tǒng)的系統(tǒng)級建模和性能分析為例,進一步驗證了所提出的系統(tǒng)級建模方法和性能分析技術(shù)的有效性。建立了IEEE8

7、02.11協(xié)議棧的抽象模型,從行為和數(shù)學分析兩方面驗證了模型的正確性,分析了最小競爭窗口CWmin等參數(shù)對有效吞吐量、平均延時等性能指標的影響,并確定了關鍵參數(shù)的最優(yōu)取值。另外,還建立了基于IEEE 802.11b協(xié)議的無線接入點(Access Point,AP)系統(tǒng)的系統(tǒng)級模型,分析了AP中相關參數(shù)如CWmin對系統(tǒng)性能的影響,確定了AP系統(tǒng)設計中待確定的CPU處理速度。 本文針對復雜嵌入式系統(tǒng)的特點,提出了系統(tǒng)級設計流程和系

8、統(tǒng)級建模的方法；針對建模的具體實現(xiàn)過程,提出了通用的建模模式和構(gòu)件式建模方法,方便了快速建模和模型構(gòu)件的重用；通過POOSL性能分析庫的擴展,完善了系統(tǒng)級建模和性能分析的工具平臺；以IEEE 802.11協(xié)議棧和無線接入系統(tǒng)為例,驗證了系統(tǒng)級建模及性能分析方法的正確性。形成了一套復雜嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級建模及性能分析方法,包括系統(tǒng)概念與需求的獲取、模型的建立和驗證、關鍵參數(shù)的提取和系統(tǒng)瓶頸的確定、設計方案的分析和修改等方面,以便在復雜嵌入