下一代聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)需要快速原型設(shè)計和高性能，同時保持可信賴性和安全性等關(guān)鍵品質(zhì)。然而，安全關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)的部署受到復(fù)雜的軟件工具鏈和工程流程的影響。此外，依賴機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 和人工智能 (AI) 應(yīng)用程序以及故障操作要求的自主系統(tǒng)的當(dāng)前趨勢使這些新系統(tǒng)的驗證和驗證成為一項具有挑戰(zhàn)性的工作。

為了解決這個問題，一個名為 XANDAR 的為期三年的歐盟資助項目旨在提供一個成熟的軟件工具鏈（從需求捕獲到目標(biāo)上的實際代碼集成，包括驗證和確認(rèn)），以滿足對可互操作和自主嵌入式系統(tǒng)的快速原型設(shè)計的需求.

從基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)開始，XANDAR 將利用新穎的自動模型合成和軟件并行化技術(shù)來實現(xiàn)特定的非功能性需求，為新穎的實時、安全和安全構(gòu)建（X-by -構(gòu)造，或 XbC) 范式。

從基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)開始，XANDAR 將利用新穎的自動模型合成和軟件并行化技術(shù)來實現(xiàn)新穎的實時、安全和安全構(gòu)建（X-by-Construction，或XbC)。（來源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院）

安全關(guān)鍵環(huán)境中的多核挑戰(zhàn)

并行處理時代將多核架構(gòu)推向主流，導(dǎo)致幾乎所有應(yīng)用領(lǐng)域都在使用多核架構(gòu)。編程多核架構(gòu)的最初挑戰(zhàn)，主要與并行操作執(zhí)行線程之間的同步和競爭條件有關(guān)，仍未完全解決。

盡管通過并行化編譯器、并行語言、特殊語言結(jié)構(gòu)以及軟件開發(fā)人員習(xí)慣于新的編程范式的整體經(jīng)驗有所緩解，但在安全關(guān)鍵領(lǐng)域，多核尚未成功。在汽車或航空航天等環(huán)境中，驗證和無錯誤操作證明是必不可少的，這與多核編程中增加的復(fù)雜性和新的錯誤來源相沖突。

在汽車或航空航天等環(huán)境中，驗證和無錯誤操作證明是必不可少的，這與多核編程中增加的復(fù)雜性和新的錯誤來源相沖突。（來源：XANDAR 項目）

在這種情況下，基于模型的設(shè)計可能會提供答案并縮小當(dāng)前多核架構(gòu)編程與安全關(guān)鍵領(lǐng)域要求之間的差距。

在過去的幾十年里，基于模型的控制功能設(shè)計受到了越來越多的關(guān)注，特別是在航空航天、汽車和加工行業(yè)，這些行業(yè)越來越多地利用嵌入式電子設(shè)備和軟件。這種趨勢的主要原因是可以從更高層次的角度管理開發(fā)過程，從而從系統(tǒng)的低層次設(shè)計中抽象出來，同時能夠模擬系統(tǒng)行為和建模功能的代碼生成。這會減少開發(fā)時間和成本。

雖然基于模型的設(shè)計越來越多地被用于早期系統(tǒng)規(guī)范、結(jié)構(gòu)建模和設(shè)計空間探索，但關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)的最終軟件實現(xiàn)通常仍然是手動開發(fā)的。

在最近的研究項目（如ARGO ）中，已經(jīng)開發(fā)了意識到隔離嵌入式系統(tǒng)的單一安全方面的端到端解決方案，該項目專注于 WCET（最壞情況執(zhí)行時間）感知代碼生成。近年來，還建立了針對電氣/電子架構(gòu)的基于模型的系統(tǒng)工程方法。他們將架構(gòu)劃分為多個抽象層和視點，以管理整個開發(fā)過程中的復(fù)雜性，從分析和設(shè)計到批量生產(chǎn)。其主要原因可以看作類似于基于模型的功能設(shè)計，但從架構(gòu)和系統(tǒng)的角度來看。

每個領(lǐng)域的基于模型的開發(fā)通常是獨立的運行過程，其中架構(gòu)決策和信息需要在基于模型的功能設(shè)計工具中手動建模，反之亦然。盡管系統(tǒng)的各個方面（例如通信矩陣）存在交換格式，但導(dǎo)入/導(dǎo)出過程往往容易出錯，從而導(dǎo)致架構(gòu)和互補(bǔ)行為模型之間的不一致，特別是在考慮模型上的分布式和并發(fā)協(xié)作時。

現(xiàn)有方法和研究使用簡單的有限狀態(tài)機(jī)行為描述修改架構(gòu)模型，并處理生成可執(zhí)行架構(gòu)規(guī)范以進(jìn)行基于仿真的驗證。然而，這需要進(jìn)一步發(fā)展成一種整體方法，使用單一源元模型在集成開發(fā)環(huán)境中捕獲所有設(shè)計和驗證步驟。

這尤其包括分布式網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)建模、其詳細(xì)的集成行為建模、其合成為跨層仿真模型以及必要的驗證步驟和后續(xù)代碼生成。

XANDAR 著手實現(xiàn)這樣一種整體方法，其中代碼生成器提供所需的 X-by-construction (XbC) 保證并保留輸入模型的相關(guān)非功能屬性。XANDAR 將通過提供與平臺無關(guān)的代碼生成支持，包括為關(guān)鍵服務(wù)生成監(jiān)控可運行文件以及用于 AI 和 ML 應(yīng)用程序的非確定性加速器，從而在該領(lǐng)域引入新的創(chuàng)新。

解決這些挑戰(zhàn)需要新概念、自動決策算法、正式檢查和程序優(yōu)化，不僅要提高性能和能源效率，還要確保非功能性保證。整個過程需要在實時性能、能源效率、非功能性保證和運行時的靈活性之間進(jìn)行權(quán)衡。協(xié)同優(yōu)化所有這些方面的高質(zhì)量代碼生成器和轉(zhuǎn)換需要新的專業(yè)解決方案。

XANDAR 聯(lián)盟合作伙伴

XANDAR 是一個在 Horizon 2020 框架下由歐盟資助的項目，由卡爾斯魯厄理工學(xué)院的 Jürgen Becker 教授領(lǐng)導(dǎo)的八個財團(tuán)合作伙伴組成。（來源：fenISS）

XANDAR 項目是一項為期三年的計劃，于 2023 年 12 月結(jié)束，由歐盟在 Horizon 2020 框架下提供 500 萬歐元的資金。由卡爾斯魯厄理工學(xué)院的 Jürgen Becker 教授領(lǐng)導(dǎo)的工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聯(lián)盟的合作伙伴是：

卡爾斯魯厄理工學(xué)院（德國）

伯羅奔尼撒大學(xué)（希臘）

德國航空航天中心

AVN創(chuàng)新技術(shù)解決方案有限公司（塞浦路斯）

Vector Informatik GmbH（德國）

貝爾法斯特女王大學(xué)（北愛爾蘭）

寶馬集團(tuán)（德國）

fenISS（西班牙）

Vector 是 XANDAR 聯(lián)盟的八個合作伙伴之一。該公司基于其作為嵌入式軟件專家的專業(yè)知識以及其高性能開發(fā)環(huán)境 PREEvision 和 TA 工具套件，正在為實現(xiàn)該項目的宏偉目標(biāo)做出貢獻(xiàn)

Vector 正在協(xié)助構(gòu)建 XANDAR 框架，以利用其嵌入式軟件能力和技術(shù)進(jìn)行自主系統(tǒng)的 XbC 設(shè)計。（來源：矢量）。

在這里，PREEvision 可以協(xié)作指定連接的嵌入式系統(tǒng)，并且基于模型，并具有集成所有系統(tǒng)級別的明確語義。TA Tool Suite 可用于指定、模擬和驗證復(fù)雜實時系統(tǒng)的時間行為。這兩個環(huán)境為設(shè)置 X-by-Construction 設(shè)計框架提供了基礎(chǔ)。

審核編輯 黃昊宇