一种对软硬件系统CAD图形化建模的方法

摘要

一种软硬件系统CAD图形化建模的方法，属于图形化建模领域，其特征在于，包括：用户图形操纵界面F1，根据用户的绘图等指令完成建模功能；软/硬件模块库管理装置F2，用于管理参数可配置的软/硬件基本模块；绘图建模装置F3，用软/硬件基本模块搭建软/硬件图形模型；程序任务分配映射装置F4，用于建立软件到硬件的任务分配映射关系；核心数据模块F5，定义该建模系统的各项数据内容；模型和映射文件解析器F6，用于解析按格式存储的文件获得各项数据内容，或将数据内容按格式存储为文件；模型和映射文件F7，按格式存储文件，用户使用本发明的方法可以实现直观高效的软/硬件综合建模，并指定软件任务在硬件上的分配映射方案。

说明书

技术领域

本发明属于软件和硬件系统开发的综合建模领域，具体的说是一种对软件和硬件系统进行图形化建模并建立软件与硬件的任务分配映射关系的装置。 

背景技术

在系统软/硬件开发中，传统的面向软件任务进行逐行代码编写的程序开发方式效率低下、通用性差，软件和硬件开发的紧密耦合对开发人员的水平提出较高要求，而所开发的系统具有模型结构不清晰、复杂度高、难以维护的缺点。 

在进行系统实现之前，首先使用软件和硬件的图形化建模工具建立系统模型，基于结构清晰的模型进行系统开发可部分解决上述问题。常用的图形化建模工具是通过图形用户界面来建立软件程序结构模型和硬件结构模型的CAD（计算机辅助设计）工具。 

在传统的CAD工具中，软硬件模块的接口和属性均由用户自行定义，缺乏对模块的统一接口和封装定义，不利于模块的管理和重用；系统规模较大、结构较复杂时，图形模型非常复杂，难以清晰把握和管理；分别建立的软件模型和硬件模型之间缺乏有效的任务关联和通信路径匹配，使得开发人员在实现系统时仍需处理复杂的软硬件耦合问题，无法实现软硬件开发的有效分工，不能轻易修改软硬件任务关联方案。基于传统CAD工具进行软硬件建模的系统开发过程仍面临很大的困难。 

发明内容

本发明的目的就是针对上述的不足，提供了一种具有良好的建模能力和软硬件模型关联能力的软硬件系统图形化建模方法和装置。 

本发明的特征在于，是在一台计算机中依次按以下步骤实现的： 

步骤（1）计算机初始化 

设置：用户图形操作界面，软/硬件模块库管理模块，模型和映射文件解析模块，绘图建模模块，程序任务分配映射模块和核心数据模块，其中： 

用户图形操作界面，接收用户管理和模块库使用指令，显示可切换的软/硬件模块库，软件数据流图绘图区，可切换的硬件拓扑图，可切换的硬件资源图绘图区，模块和连线参数配置区以及分配映射关系结果显示区，其中： 

可切换的软/硬件模块库，包括：若干个基本模块和若干个复合模块， 

软件数据流图绘图区，用于绘制软件数据流图模型，是通过使用所述软/硬件模块库的软件模块和软件模块间的连线工具绘制的用软件模块表示软件任务，连线表示软件模块间的数据通信关系，连线所附带的参数表示软件模块和连线的属性， 

可切换的硬件拓扑图包括硬件拓扑图绘图区，可切换的硬件资源图包括硬件资源图绘图区，其中 

硬件拓扑图绘图区，含有若干个用以表示硬件计算节点、存储节点或通信接口的硬件基本模块，硬件基本模块间的连线表示所述计算节点间的数据通信路径，所述硬件基本模块间的连线所附带的参数表示硬件基本模块和连线的属性，形成硬件拓扑图模型。 

硬件资源图绘图区，用于绘制硬件资源图模型，其中，硬件基本模块表示的是硬件实物，所附带的参数表示所示硬件实物的属性， 

用户在软件数据流图模型和硬件拓扑图模型进行关联操作，形成了从所选软件基本模块到硬件基本模块间的任务分配映射表。 

模块和连线参数配置区，用于对用户当前选中的硬件基本模块、软件基本模块或硬件基本模块间、软件基本模块间的参数进行配置，所述参数是指所述各自所附带的参数，包括参数名及对应的参数值。 

分配映射关系结果显示区，显示所述软件基本模块到所述硬件基本模块的映射关系。 

软/硬件模块库管理模块，设有软件功能模块库、硬件拓扑模块库和硬件资源模块库，提供软件基本模块、硬件基本模块及所在目录的搜索、添加、修改、删除功能中的任意一项或多项功能。 

绘图建模模块，利用软件基本模块绘制软件数据流图，利用硬件基本模块绘制硬件拓扑图和硬件资源图，利用设置的参数配置和存储子模块对所述软件数据流图绘图区中的软件基本模块及连线，以及对所述硬件拓扑图硬件资源绘图区中的硬件基本模块及连线配置所述的所附带的参数，并把各种结果都显示在所述用户图形操作界面上对应的各可切换的绘图区中，并供用户使用、存储或修改，所述参数配置和存储子模块则把结果保存在对应的参数配置文件中， 

程序任务分配映射模块，供用户把一个所述软件基本模块及其功能指定分配映射到一个所述硬件计算节点上形成一对一的映射关系，或者把一个以上的软件基本模块形成的所述复合模块及其功能指定分配到同一个所述硬件计算节点上，形成多对一的映射关系，同时设有通信路径自动匹配子模块和通信方式选择子模块，供用户按自己选定的通信方式把各软件基本模块间的数据通信自动匹配到所指定映射的硬件计算节点之间的硬件连线上， 

核心数据模块，含有软件数据流数据、硬件拓扑数据、硬件资源数据以及分配映射关系数据，其中： 

软件数据流数据，支持所述的软件数据流图，包括：功能模块及其数据端口，以及功能模块间的通信连接， 

硬件拓扑数据，支持所述的硬件拓扑图，包括：硬件计算节点及各硬件 计算节点间的互连拓扑， 

硬件资源数据，支持绘图建模装置绘制的硬件资源图的数据， 

分配映射关系数据，支持所述程序任务分配映射模块中的分配映射功能，包括：软件功能模块、硬件计算节点及两者之间的映射关系， 

模型和映射文件的解析模块，包括：软件数据流文件、硬件拓扑文件、硬件资源文件、分配映射关系文件、模型和映射文件以及用于解析所述软/硬件模块库的文件中的一项或多项，其中： 

软件数据流文件，与所述核心数据模块的软件数据流数据对应， 

硬件拓扑文件，与所述核心数据模块的硬件拓扑数据对应， 

硬件资源文件，与所述核心数据模块的硬件资源数据对应， 

分配映射关系文件，与所述核心数据模块的分配映射关系数据对应， 

模型和映射文件，按指定格式存储所述模型和映射文件解析模块中的数据内容及映射关系， 

用于解析所述软/硬件模块库的文件，用于获得所述软/硬件模块库的模块数据，或把所述软/硬件模块库的模块数据按格式保存为模块库文件； 

步骤（2）用户按以下步骤进行图形化建模： 

步骤（2.1）用户图形界面加载并显示所述的各种内设模块， 

步骤（2.2）用户加载所述软/硬件基本模块库，并以目录归类成列表形式显示，供调用或进行管理操作用， 

步骤（2.3）判断用户是否提出加载已有的软/硬件模型的请求： 

若：  不加载已有的软/硬件模型，则执行步骤（2.4）， 

若：  加载已有的软/硬件模型，则调用先前已绘制的软/硬件模型，用所述模型和映射文件解析模块解析后在所述用户图形界面显示，然后执行步骤（2.5）， 

步骤（2.4），用户创建新的软/硬件模型，新建空白的软/硬件模型并显示在所述用户图形界面的对应绘图区中，转入步骤（2.5）， 

步骤（2.5），用户按以下步骤在所述用户图形界面的各绘图区中对已加载的软/硬件模型或新建的软/硬件模型进行绘图建模操作： 

步骤（2.5.1），把软件模块库中的软件基本模块放置到所述软件数据流图绘图区中用户软件数据流图模型绘图， 

步骤（2.5.2），按需要把所述软件数据流图模型的部分软件模型封装为所述软件复合模块并添加到所述软件模块库中， 

步骤（2.5.3），把步骤（2.5.2）中所述的复合模块从所述软件模块库中调到所述软件数据流图绘图区中用于数据流图模型绘图， 

步骤（2.5.4），把所述硬件模块库中的硬件基本模块放置到硬件拓扑图和硬件资源图绘图区中用于硬件拓扑图和硬件资源图模型绘图， 

其中，所述的软件模型是指软件数据流图模型，所述的硬件模型是指硬件拓扑图模型或硬件资源图模型， 

步骤（2.6），用户选中所述软件数据流图中的软件基本模块后，拖放到所述硬件拓扑图的硬件计算节点上，所述程序任务分配映射模块自动把用于指定的分配映射关系显示在所述分配映射关系结果显示区中，或者把所述软件基本模块分配映射到硬件资源图的硬件计算节点上并显示在所述分配映射关系结果显示区中。 

本发明提供的软硬件系统图形化建模装置具有以下有益效果及优点： 

（1）系统通过模块库管理、绘图建模、程序任务分配映射、模型和映射文件解析器等功能，在软/硬件系统建模时，用户可以建立和复用符合开发对象的模块库，并专注于软件模型和硬件模型的实现，方便地建立软件模型和硬件模型之间的关联，极大地简化软/硬件建模工作，减少系统模型调整和维护的难度和风险； 

（2）系统通过绘图建模功能，可将局部模型封装为复合模块，简化复杂的模型总体视图，便于用户把握系统结构，以及对复合模块进行复用； 

（3）系统通过程序任务分配映射功能，可减少软件开发工作和硬件开发工作的耦合程度，用户通过快速调整分配映射方案，可把握软件任务在硬件上实现的可行性，并可进行不同分配映射方案的对比。 

（4）基于本系统进行软/硬件综合建模，使得软硬件系统开发具有直观高效的模式化特点，实现了开发成果的积累和复用，极大地缩短了系统建模周期，对系统开发的后续步骤也提供了有效的指导方案，有利于减少开发风险、开发成本和实施难度，以及有利于提高软/硬件系统实现的质量。 

附图说明

在附图中，各个附图中示出的每个完全相同或近乎完全相同的功能组件用同样的标号表示。 

图1为本发明装置的整体结构框图； 

图2为使用本装置进行软/硬件建模的方法流程； 

图3为图1的软/硬件模块库管理装置的一个实施例，包含其所管理的模块库类型； 

图4为图1的绘图建模装置的一个实施例，包含其所支持的建模图形类型，还包含建模过程的参数配置功能； 

图5为图1的程序任务分配映射装置的一个实施例； 

图6为图1的核心数据模块的一个实施例； 

图7为图1的模型和映射文件解析器的一个实施例，包含其所处理的文件格式类型； 

图8为图1的用户图形操作界面（工具屏幕）的一个实施例。 

具体实施方式

一种对软硬件系统图形化建模的方法，包括如下步骤： 

a)用户图形操作界面加载软/硬件模块库管理装置、绘图建模装置、程序任务分配映射装置以及模型和映射文件解析器； 

b)软/硬件模块库管理装置加载已有的软硬件模块库，并进行库管理； 

c)模型和映射文件解析器解析和加载已有的软硬件模型，否则绘图建模装置创建新的软硬件模型； 

d)绘图建模装置修改已加载或创建的软硬件模型； 

e)程序任务分配映射装置关联软硬件模型，指定软件到硬件的任务分配映射方案； 

模型和映射文件解析器保存软硬件模型和分配映射方案。 

一种对软硬件系统图形化建模的装置，包括： 

a)用户图形操作界面，用于显示该建模装置的各个功能部件，并用于接收外部用户指令，使用本发明装置完成建模及相关功能； 

b)软/硬件模块库管理装置，用于组织和管理软/硬件基本模块和复合模块，形成模块目录，提供模块及所在目录的管理功能； 

c)绘图建模装置，用于完成软硬件的图形化建模； 

d)程序任务分配映射装置，用于建立软件模型和硬件模型的关联，形成软件功能模块到硬件计算节点的任务分配映射关系； 

e)核心数据模块，用于定义本发明建模装置的各项软硬件数据内容； 

f)模型和映射文件解析器，用于解析模型和映射文件获得核心数据模块对应的各项数据内容，或将数据内容按格式存储为模型和映射文件； 

g)模型和映射文件，按格式存储数据内容的文件。 

下面结合附图和实施例对本发明装置的实施方式进行详细说明。 

一种用于对软件和硬件系统进行图形化建模的装置，具体的说是一种通过使用模块和模块间连线工具来绘制软/硬件系统模型的装置，它还可以关联软件模型和硬件模型并形成任务分配映射方案，如图1所示，它包括： 

（1）用户图形操作界面F1，用于显示该建模装置的各个功能部件，并用于接收外部用户指令，使用本发明装置完成建模及相关功能。 

图8所示为用户图形操作界面F1的一个实施例。 

用户图形操作界面F1可以显示软/硬件模块库F29，并接收用户管理和使用模块库的指令。 

用户图形操作界面F1还可以显示模型绘图区，用户在该绘图区中使用模块库的模块和模块间连线工具绘制模型。模型绘图区可以包含软件数据流图绘图区F31，用于绘制软件数据流图模型，软件的不同任务被表示为不同模块，并用模块间连线表示模块间的数据通信关系，其中模块和模块间连线可选择附带参数用于表明模块和连线的属性；还可以包含硬件模型绘图区F32，用于绘制硬件模型。硬件模型绘图区F32可以包含硬件拓扑图绘图区，用于绘制硬件拓扑图模型，用硬件模块表示硬件计算节点，用模块间连线表示计算节点间的数据通信路径，其中硬件模块和模块间连线可选择附带参数用于表明模块和连线的属性；硬件模型绘图区F32还可以包含硬件资源图绘图区，用于绘制硬件资源图模型，用硬件模块表示硬件的计算节点、存储节点、通信接口等硬件实物，其中硬件模块可选择附带参数用于表明模块的属性。当用户图形操作界面F1中同时显示软件数据流图绘图区F31和硬件拓扑图绘图区的时候，用户可以在软件数据流图模型和硬件拓扑图模型之间进行关联操作，形成从软件模块到硬件模块的任务分配映射方案。 

用户图形操作界面F1还可以显示模块和连线参数配置区F30，用于对用户当前选中的模块或连线进行参数配置。如果软件流程图模型中的模块和连线附带有可配置参数，可在模块和连线参数配置区F30中进行参数配置；如果硬件拓扑图模型中的模块和连线附带有可配置参数，可在模块和连线参数配置区F30中进行参数配置；如果硬件资源图模型中的模块附带有可配置参数，可在模块和连线参数配置区F30中进行参数配置。 

用户图形操作界面F1还可以显示分配映射关系结果显示区F33，用于显示软件数据流图模型和硬件拓扑图模型之间的关联结果，即从软件模块到硬件模 块的任务分配映射方案。 

（2）软/硬件模块库管理装置F2，用于组织和管理软/硬件基本模块和复合模块，形成模块目录，提供模块及所在目录的管理功能。 

图3所示为软/硬件模块库管理装置F2的一个实施例，包含对软件功能模块库F8和硬件模块库的管理。其中硬件模块库管理可以包含硬件拓扑模块库F9管理和硬件资源模块库F10管理。 

软/硬件模块库管理装置F2可以提供模块及所在目录的搜索、添加、修改、删除功能中的一项或多项功能。软/硬件模块库管理装置F2对模块库的存储可以使用数据库来实现，上述模块库管理功能也可以通过操作数据库来实现。在开发和运行过程中，用户可以1、通过系统管理工具或文本编辑器及数据库管理工具直接修改模块或管理模块库，2、在运行过程中通过本发明装置提供的软/硬件模块库管理装置F2对模块库进行管理。 

（3）绘图建模装置F3，用于完成软硬件的图形化建模。通过绘图建模装置F3，软/硬件模块库中的模块可以放置在模型绘图区中显示，并调整模块位置和大小。在放置模块时，用户可以选中模块库中的模块后，直接拖拉到模型绘图区中再释放模块，该模块的一份实例就会出现在模型绘图区中，同一模块可以有多份实例。绘图建模装置F3提供模块连线工具，通过画连接线将模型绘图区中的模块连接起来，表示数据通信路径。 

图4所示为绘图建模装置F3的一个实施例，包含使用软件模块绘制软件数据流图F11功能和使用硬件模块绘制硬件模型图功能。其中绘制硬件模型图功能可以包含绘制硬件拓扑图F12功能和绘制硬件资源图F13功能。 

绘图建模装置F3还可包含参数配置和存储装置F14，用于对绘图区中的模块实例以及连线所附属的参数进行配置。绘图区中用户选中的模块或连线的参数和参数值出现在用户图形操作界面F1的模块和连线参数配置区F30，用户可以修改参数值。参数配置和存储装置F14将模型图内所有模块和连线的参数和 参数值保存在参数配置文件F15中，同一个模型图可以配置和保存多个参数配置文件F15。用户可以1、在运行过程中通过参数配置和存储装置F14对参数进行配置和保存，2、通过系统管理工具或文本编辑器直接修改参数配置文件F15。 

（4）程序任务分配映射装置F4，如图5所示，用于建立软件模型和硬件模型的关联，形成软件功能模块F16到硬件计算节点F17的任务分配映射关系。用户可以将软件模型中的各个软件功能模块F16指定分配映射到硬件模型中的硬件计算节点F17上。不同的软件功能模块F16可以指定到同一个硬件计算节点F17上，实现多对一映射关系。 

程序任务分配映射装置F4还可以包含通信路径自动匹配装置F18，用户用程序任务分配映射装置F4指定软件到硬件的任务分配映射方案后，通信路径自动匹配装置F18将软件模型的模块间数据通信连接自动匹配到硬件模型的模块间可用的硬件连线上。 

程序任务分配映射装置F4还可以包含通信方式选择装置F19，上述通信连接所使用的通信方式可以在可用的通信方式列表中选择。 

（5）核心数据模块F5，用于定义本发明的建模装置的各项软硬件数据内容，对本发明的建模装置的其它装置和功能部件提供后台数据内容支持。如图6所示，核心数据模块F5可以包含如下一项或多项数据：软件数据流数据F20，用于支持绘图建模装置F3绘制的软件数据流图F11；硬件拓扑数据F21，用于支持绘图建模装置F3绘制的硬件拓扑图F12；硬件资源数据F22，用于支持绘图建模装置F3绘制的硬件资源图F13；分配映射关系数据F23，用于支持程序任务分配映射装置F4的分配映射功能。 

在图6所示的实施例中，软件数据流数据F20包含功能模块、模块的数据端口、模块间通信连接；硬件拓扑数据F21包含计算节点、节点间互连拓扑；硬件资源数据F22；分配映射关系数据F23包含待映射的功能模块，被映射的计算节点、映射关系。 

（6）模型和映射文件解析器F6，用于解析模型和映射文件F7获得核心数据模块F5对应的各项数据内容，或将数据内容按格式存储为模型和映射文件F7。 

图7所示为模型和映射文件解析器F6的一个实施例，所解析的文件类型包括以下一项或多项：软件数据流文件F24，与核心数据模块F5的软件数据流数据F20对应；硬件拓扑文件F25，与核心数据模块F5的硬件拓扑数据F21对应；硬件资源文件F26，与核心数据模块F5的硬件资源数据F22对应；分配映射关系文件F27，与核心数据模块F5的分配映射关系数据F23对应。 

模型和映射文件解析器F6还可以包含解析模块库文件F28获得软/硬件模块库的模块数据，或将软/硬件模块库的模块数据按格式保存为模块库文件F28。 

（7）模型和映射文件F7，按格式存储含有数据内容的文件，如图7所示。 

而这种对软件和硬件系统进行图形化建模的方法的流程如图2所示，为： 

过程开始于步骤S1，用户图形界面F1加载各个装置，并显示在用户图形界面F1中，如图8所示； 

然后进入步骤S2，加载和管理软硬件模块库，所加载的模块库以目录归类和列表的形式显示，准备供用户调用，用户也可以对所加载的模块库进行管理操作； 

步骤S3，用户选择是否加载已有模型。若选择加载，则调出先前已绘制的模型，经过模型和映射文件解析器F6进行解析后在用户图形界面F1的绘图区中显示出来，然后进入步骤S5，若用户选择不加载已有模型，则进入步骤S4；  

步骤S4，用户创建新模型，即新建空白的软/硬件模型显示在用户图形界面F1的绘图区中； 

步骤S5，用户修改模型，即用户在绘图区中对已加载的模型或新建的模型进行绘图建模操作，修改绘图区中的模型。图8显示了步骤S5的一个实施例， 可包括如下一项或多项操作：操作X1，将软件模块库F29中的基本模块放置到软件数据流图绘图区F31中用于数据流图模型绘图；操作X2，将数据流图模型的部分模型封装为软件复合模块并添加到软件模块库F29中；操作X3，将软件模块库F29中的复合模块放置到软件数据流图绘图区F31中用于数据流图模型绘图；操作X4，将硬件模块库F29中的基本模块放置到硬件拓扑图/资源图绘图区F32中用于硬件拓扑图/资源图模型绘图。步骤S5还可以包括如下操作：将硬件拓扑图模型的部分模型封装为硬件复合模块并添加到硬件模块库F29中； 

步骤S6，用户进行软件程序的任务分配映射，即建立软件模型和硬件模型的关联，形成软件功能模块F16到硬件计算节点F17的任务分配映射关系。如图8显示的实施例，操作X5为用户选中软件数据流程图的软件基本模块后，拖放到硬件拓扑图的硬件基本模块（表示硬件计算节点）上，表示指定该软件基本模块分配映射到该硬件基本模块上；操作X6为程序任务分配映射装置F4自动将用户指定的分配映射方案显示在分配映射关系结果显示区F33中。在操作X5中也可以将软件基本模块分配映射到硬件资源图的硬件基本模块上； 

步骤S7，保存模型和映射，即将用户绘制的软/硬件模型和指定的分配映射方案保存为模型和映射文件F7。使用本发明的方法建模过程结束。