一种结合AADL和TPN的系统能耗建模方法

马 铮，黄连丽，陶冰冰，周海鹰

(湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002)

一种结合AADL和TPN的系统能耗建模方法

马 铮，黄连丽，陶冰冰，周海鹰

(湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002)

结构分析设计语言(AADL)可以描述嵌入式系统的实时性、可靠性等关键性能特性，是嵌入式领域的体系结构建模、分析和验证的重要手段。针对嵌入式系统能耗无法预知的问题，提出了一种基于AADL和TPN(时间Petri网)的系统能耗建模与分析方法。该方法利用AADL基本语言建立了系统级架构模型，通过系统能耗相关性能分析，利用AADL属性集定义了能耗相关属性。由于AADL只是一种半形式化的语言，对系统的执行不够精确，而Petri网能较好地描述和模拟离散事件系统的动态行为及过程，为此，定义了AADL到TPN的模型转换规则，实现了AADL到时间Petri网的模型变换。通过对TPN模型进行严格的数学推导分析，得到系统整体能耗。为验证所提出的建模与分析方法，以某传感器节点为实例建立了系统能耗模型。实例验证表明，所提出的嵌入式系统能耗建模与分析方法可行有效。

结构分析设计语言；嵌入式系统；时间Petri网；能耗分析

0 引 言

目前，嵌入式系统在航空航天、智能交通、工业控制、医疗卫生等领域应用广泛，嵌入式设备每年电力消耗达到1 000亿 kw·h以上[1]。在全球提倡“节能减排”的背景下，如何降低嵌入式系统的软、硬件能耗已成为嵌入式系统设计的热点问题[2]。

传统的能量评估技术主要从软件[3]和硬件两方面入手，然而仅从硬件或软件着手分析系统的能耗是不完善的。嵌入式实时系统体系结构分析与设计语言(AADL)[4]可以描述复杂嵌入式系统软硬件的功能属性及可靠性、安全性、可调度性等非功能属性，在航空航天、汽车电子等复杂嵌入式系统中应用广泛。因此，利用AADL建立系统的软硬件能耗模型并进行预测分析将会是一重大突破。

在AADL能耗相关的研究中，E.Senn等[5-6]基于AADL以及CAT工具，给出一种进程间通信(IPC)电量和能源消耗的建模方法，并通过建立以太网进程间通信模型进行验证。罗增等[7]针对AADL行为附件定义了能耗元素，通过元素与处理器虚拟指令之间的映射关系并借助处理器Strong ARM的虚拟指令能耗模型，构建出一种面向AADL语言的移动软件能耗评估模型。上述方法仅考虑了软件部分的能耗，而在实际应用中硬件部分能耗是不可忽略的。综上所述，AADL不仅可以作为模型描述语言还可借助其他工具对其能耗进行分析。

为此，基于AADL嵌入式系统软硬件的综合考虑进行建模，由于AADL属于高层半形式化语言，需要将AADL模型转换为更底层的形式化模型，而时间Petri网(TPN)[8-9]可以描述和模拟离散事件系统的动态行为及过程。综合AADL和时间Petri网，根据系统需求分析建立了AADL的系统能耗模型，在利用AADL建模时主要用到了OSATE2建模工具；在定义了转换规则后，利用Ocarina[10]工具实现了AADL模型到时间Petri网的转换。基于TPN模型，以某传感器节点为实例进行了节点能耗仿真验证。结果表明，所提出的方法可行有效。

1 AADL和TPN概述

1.1 AADL

2004年，美国汽车工程师协会(Society of Automotive Engineers，SAE)在MetaH和UML的基础上，提出了AADL[11]。AADL以组件为核心，将系统软件及硬件都看作组件的集合，将整个系统描述为一组交互组件的集合。AADL定义了三种组件：软件组件、执行平台组件以及系统组件。软件组件包括数据、线程、线程组、子程序、进程、进程组；硬件组件包括处理器、设备、存储器、总线。各组件定义为：类型和实现并且可以使用关键词extends进行继承；组件类型描述输入输出接口，组件实现可详细描述内部结构(子构件、连接、属性值等)，一个组件类型可以有一个或多个实现。各个组件最终集成于系统实现中，可在系统实现中将软件绑定硬件中，使软件正确执行。

1.2 时间Petri网简介

Petri[12]网具有强大的数学定义、严格规范的推导方法和直观的图形描述能力，非常适合描述系统的控制流、并发特性和异步行为。TPN通过在基本形式Petri网的变迁节点或位置节点中引入表征时间的参量，不仅能描述系统在逻辑层次上的关系，而且能够表征系统在时间层次上的关系。结合AADL线程的时间属性，给出时间Petri网的定义。

定义1：时间Petri网TPN=(P,T,F,K,M0,W,D)是一个一元组，其中：P={p1,p2,…,pn}(n≥0)是一个有限库所集；T={t1,t2,…,tm}是一个有限变迁集，T=Timmediation∪Tdelay且Timmediation∩Tdelay=∅，Timmediation是所有立即事件或变迁集，Tdelay是延时变迁；F⊆(P×T)∪(T×P)是所有状态间转移弧的集合；K是P上的容量函数；M0是初始状态集或满足条件的状态集；W是弧的容量函数；D={D1,D2,…,DM}是一组Tdelay上相联系的时延参量。

定义2：TPN在t中使能的定义：

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

定义3：立即变迁(Timmediation)即当某一变迁的发生条件满足时，该变迁立即从相应的输入库所中移走相应的托肯，且得到发生后果。定义如下：

当满足定义2[13]，则：

根据AADL中相关的时间属性，将延时分为区域值延时与固定延时，其中固定延时是区域值延时的一种特殊情况。对于任意的时延变迁t∈Tdelay，都有一个对偶区间[Tmin,Tmax]与之相对应。当变迁t在时刻b的发生条件成立时，则t可在时间区间[b+Tmin,b+Tmax]内执行，其相应的输入库所中的托肯将至少保留Tmin，最大保留Tmax；若超过该时间，则认为变迁不能发生了；若Tmin=Tmax，则为固定值延时。

定义4：Tdelay(延时变迁)，即当某一个变迁的发生条件满足时，该变迁要延迟一段时间才从相应的输入库所中移走相应的token并得到发生后果。在此，不考虑延时变迁，即认为一旦可执行性条件满足时立即发生。

2 基于AADL的系统能耗建模

基于AADL对系统能耗进行建模和分析，图1是一个完整的基于AADL的系统能耗与评估框架，其流程如下：首先对系统软硬件进行需求分析，建立AADL系统模型；然后定义AADL模型到时间Petri网模型的转换规则，将AADL模型转换为TPN模型；接着利用已有的TPN模型的分析方法和工具Tina，对转换生成的TPN模型进行仿真计算和分析。

以某传感器节点为例，图2给出了AADL的传感器节点模型架构方框图。

图1 系统能耗评估框架

图2 传感器节点的AADL模型方框图

该系统拥有两个进程P1和P2，进程P1处理传感器采集数据，进程P2处理外部接收数据。进程P1包含三个线程：线程unpack1拆数据包；线程process1分析处理数据包；线程pack1压缩封装数据包。三个线程具有相同的地址空间，分别绑定在CPU上，进程P2同样拥有解包、处理、封装三个线程。传感器节点架构所对应的AADL系统代码如下：

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;

线程unpack、process、pack之间通过数据、事件端口连接。数据、事件存储于memory中，各设备(Sensor、RF)以及处理器(CPU)、存储器(Mem)通过总线(Bus)互联。线程部分代码实现如下：

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;

定义线程processing为周期性线程，周期50 ms；compute_deadline为50 ms；initialize_deadline为50 ms。该线程描述了当有数据或任务到来时，激发处理器开始进行拆包处理。

3 AADL到TPN的转换及计算方法

AADL属于高层建模语言，不可直接用于能耗计算和分析，因此首先需要将AADL模型转换到更低层次的形式化模型，进而再进行计算和分析。TPN具有直观、形象等优点，能够以图形化的方式形象地描述一个复杂系统及其动态行为，且具有许多优良的数学性质，适用于描述及分析异步并发系统。TPN的结构元素包括库所(place)、变迁(transition)和弧(arc)等。鉴于AADL组件与TPN元素间存在的对应关系，定义AADL到TPN的转换规则成为节点建模分析的首要任务。

3.1 AADL到TPN的转换规则

AADL行为主要由各组件数据、事件端口之间的交互进行表征。由于线程具备行为描述能力，因此软件组件转换主要专注于线程转换[10]。AADL模型基本元素和各组件状态之间的变迁可以用有限自动机模型描述，该自动机模型和TPN模型之间存在映射关系，表征如下：

定义5：用有限自动机描述的AADL模型表示为AM=(AS,AE,TR,IAS,F,T)，其中：AS是所有组件状态的集合，AS=(as1,as2,…,asn);AE是所有事件、动作的集合，AE=AEi∪AEd且AEi∩AEd=∅，AEi是所有立即事件、动作集，AEd是所有延迟、周期事件动作集;TR是所有状态间转移的集合，转移函数TR(asi,atj)=ask;IAS是初始状态集或满足条件的状态集;F是AM的终止状态集合;T是事件相关的时间属性，包括period、Compute_Deadline、Compute_Execution_Time等。

根据定义5和TPN的定义，可实现AADL模型基本元素到TPN模型所对应的函数TPN_AM的映射，表征如下：

定义6：AADL基本模型元素到TPN模型元素转换：

(1)TPN_AM(as)=p,TPN_AM(AS)=P实现AADL模型各组件状态到TPN中库所之间的转换。

(2)TPN_AM(at)=t,TPN_AM(ATi)=Ti,TPN_AM(ATd)=Td，即AADL模型中立即事件、动作到TPN的瞬时变迁，AADL中延时事件、动作到TPN中的延时变迁。

(3)TPN_AM(TR)=Ast∪Ats=F，将AADL中状态之间的转换对应于TPN中库所到变迁的弧和变迁到库所的弧。

(5)TPNAM(t)=(tmin,tmax),TPNAM(T)=D将AADL中时间属性转换为TPN的时间延迟。

通过上述规则，可以得出AADL各组件的TPN模型。以传感器节点为例，系统转换如图3所示。

图3 系统转换图

3.2 系统能耗计算方法

假设如下：

(1)节点总能耗Etotal为各个能耗部件Esensor、Ecpu、Erf之和[14-15]：

Etotal=Esensor+Ecpu+Erf

(1)

(2)各个组件能耗为该组件各个状态下能耗之和，对于CPU，如下所示：

Ecpu=Ecpu_run+Ecpu_idle+Ecpu_sleep

(2)

对其他耗能部件，能耗计算方法式(2)类似。

(3)在整个TPN模型中，存在多个库所和变迁，只考虑对该状态有影响的库所和变迁。

(4)在token到达某库所且其他条件都满足时，变迁才可发生；一旦firing之后，token到达下一个库所为瞬时的。

(5)对于某一库所，从token流入到流出时即为此次变迁在该库所停留时间ti；对应的实际含义为此次执行在该状态的消耗时间。在仿真一定时间后，每一库所消耗的所有时间，即为该状态在这段时间内消耗的总时间Tsi，该状态的功率为psi，则该状态的耗能为：

Esi=Tsi*psi

(3)

(4)

(6)对于CPU，在运行时有六个任务，分别用来对传感器采集的数据和RF接收数据进行拆包、处理、封装。能耗计算公式为：

(5)

至此，结合AADL和TPN的能耗建摸已完成，通过Tina工具可对节点TPN模型进行仿真，通过计算出各个耗能部件所有状态中Token所停留的时间，即可计算出整个系统在一定时间内的能耗情况。

4 结束语

为了能及时预测分析嵌入式系统整体能耗，提出了一种结合AADL和TPN的嵌入式系统能耗建模方法。该方法综合考虑系统软硬件，建立了能耗模型，并通过严格的数学推导公式预测整个系统的能耗。以某传感器节点为实例的验证结果表明，所提出的方法有效、可行。该方法在嵌入式系统设计初期对系统架构的能耗分析具有很好的参考价值，方便设计人员根据能耗要求及时调整系统架构，节省设计的时间、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 网络出版时间：2017-04-28

湖北省科技支撑计划项目(对外合作)(2014BHE024)

马 铮(1992-)，女，硕士研究生，研究方向为汽车电子、嵌入式系统设计；周海鹰，教授，研究方向为嵌入式系统、云计算。

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