改進(jìn)型UML在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

在后PC時代，越來越多的領(lǐng)域需要嵌入式系統(tǒng)的支持，傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)手段已不能滿足日益增長的復(fù)雜性和質(zhì)量要求；而UML技術(shù)在軟件領(lǐng)域所取得的巨大成就為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)帶來了希望。因此，如何把基于軟件領(lǐng)域的UML作為通用和完善的方法引入到嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，將成為一個迫切需要考慮和解決的問題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)前的信息社會已從當(dāng)初傳統(tǒng)的個人計(jì)算機(jī)時代進(jìn)入了后PC時代；而后PC時代的主要特征就是以嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展為標(biāo)志的。

關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義雖然有很多種，不過國內(nèi)普遍認(rèn)可的定義是[1]： 以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適合應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)主要是使用微型的芯片及其固化的軟件，嵌入在其他系統(tǒng)中，以達(dá)到對其他系統(tǒng)進(jìn)行智能化或信息化實(shí)時控制等目的。

當(dāng)前，嵌入式系統(tǒng)已在工業(yè)控制、航空航天、國防以及信息家電等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮了重要作用，而且越來越多的領(lǐng)域都迫切需要嵌入式系統(tǒng)的支持。然而，由于嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件、應(yīng)用環(huán)境的千差萬別，因此當(dāng)前有限的嵌入式技術(shù)人員的時間和精力主要花在熟悉不同的硬件、軟件及其代碼的開發(fā)上。這樣不但造成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率和質(zhì)量得不到保證，而且也嚴(yán)重束縛了嵌入式技術(shù)人員進(jìn)行更高層次的研究與開發(fā)。這些都成為日益復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)迅速發(fā)展的瓶頸。

1 UML引入到嵌入式系統(tǒng)中的可行性

20世紀(jì)六七十年代，軟件產(chǎn)業(yè)遇到了危機(jī)。其原因就是軟件越來越龐大和復(fù)雜，而軟件的質(zhì)量和生產(chǎn)率卻越來越低。由此促進(jìn)了軟件工程的誕生，使得軟件開發(fā)的規(guī)范化和效率都得到了很大提高。在20世紀(jì)90年代，隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展，軟件工程向自動化、智能化方向發(fā)展，其突出的標(biāo)志就是UML標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)與發(fā)展。隨后，很多軟硬件廠商相繼開發(fā)出了許多基于UML標(biāo)準(zhǔn)的CASE工具。從此開發(fā)軟件可以借助UML的CASE工具來完成從軟件的分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到測試的一系列軟件工程過程，大大提高了軟件開發(fā)的復(fù)用性和效率，降低了軟件開發(fā)過程中的返工率。

UML突出的特點(diǎn)就是以面向?qū)ο蟮挠^點(diǎn)來分析和設(shè)計(jì)所開發(fā)的系統(tǒng)，它把系統(tǒng)的每個功能都作為一個模塊（以“類”來表示）。在UML中，使用用例視圖、邏輯視圖、組件視圖、并發(fā)視圖和展開視圖來分別對軟件實(shí)現(xiàn)需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、集成和測試等過程；并且每個視圖都包括一系列的圖來具體實(shí)現(xiàn)，上面的5類視圖包括了用例圖、類圖、對象圖、狀態(tài)圖、序列圖、協(xié)作圖、活動圖、組件圖和展開圖。其中，用例圖、類圖、對象圖、組件圖和展開圖屬于靜態(tài)圖，是從靜態(tài)方面對系統(tǒng)進(jìn)行分析和建模的；而狀態(tài)圖、序列圖、協(xié)作圖和活動圖則是從動態(tài)方面對系統(tǒng)進(jìn)行分析，模擬系統(tǒng)動態(tài)交互情況的。

2001年，UML2.0的發(fā)布標(biāo)志著UML技術(shù)進(jìn)一步成熟，也得到了越來越多的硬件和軟件廠商的支持，這也使得UML的發(fā)展前景更加廣闊。面對基于軟件工程的UML在軟件領(lǐng)域所取得的巨大成就，是否可以把UML引入到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中來，用來改變當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)效率低下的局面呢？通過研究分析發(fā)現(xiàn)，UML應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)主要存在以下幾個方面困難：

① 嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，不同廠商的硬件千差萬別，在某個嵌入式芯片中能正確運(yùn)行的軟件在另外一個嵌入式硬件平臺上就不一定能正常運(yùn)行。

② 嵌入式系統(tǒng)軟件平臺也千差萬別，各自對開發(fā)的要求差異較大。

③ 大部分嵌入式系統(tǒng)對實(shí)時性要求嚴(yán)格。

④ 嵌入式平臺的軟件一般不是采用面向?qū)ο笳Z言開發(fā)的，主要采用C語言甚至是匯編語言編寫。

所有以上這些特點(diǎn)，導(dǎo)致在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)中UML模型很難被構(gòu)建。即使構(gòu)建出模型，其正確性、實(shí)時性能也很難得到驗(yàn)證和保證。

雖然如此，各國的研究者和開發(fā)商為把UML引入到嵌入式系統(tǒng)中都做出了不懈的努力，并取得了一些成果，主要包括：

① 為了使所建立模型的正確性能夠得到驗(yàn)證，有人提出采用形式化的方法。例如William和H. C. Cheng使用VHDL作為模型的形式化描述語言，通過分析UML模型中的類圖和狀態(tài)圖得到嵌入式系統(tǒng)的VHDL描述，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為，并進(jìn)行模型驗(yàn)證[2]。還有學(xué)者使用有限狀態(tài)自動機(jī)與UML相結(jié)合來完成系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[3]。

② 對于實(shí)時性要求，提供的解決方法主要包括： 使用標(biāo)準(zhǔn)的UML及其構(gòu)造型概念設(shè)計(jì)實(shí)時系統(tǒng)[4]，以及擴(kuò)充UML或改造UML以使其滿足實(shí)時系統(tǒng)的要求[5]。

③ 對于語言的問題，主要有以下兩種解決方法： 一種是使用面向?qū)ο蟮腃++語言開發(fā)，如SystemC[6]；另一種是使用可以與C語言結(jié)合的UML開發(fā)環(huán)境，如美國ILogix公司推出的Rhapsody。

由以上3種解決方案可知，UML應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)所產(chǎn)生的可驗(yàn)證性、實(shí)時性以及語言的問題，都是可以解決的，因而有可能廣泛使用UML來分析、設(shè)計(jì)與指導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，以解決嵌入式系統(tǒng)開發(fā)效率低下的問題。

2 一種改進(jìn)的通用嵌入式系統(tǒng)UML方案

由于目前對UML應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的研究往往都是側(cè)重于解決嵌入式系統(tǒng)的某一方面，因而不具有通用性，很難成為嵌入式系統(tǒng)建模的標(biāo)準(zhǔn)。為了解決UML在嵌入式系統(tǒng)中的建模問題，本文提出了一種通用的UML嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案。

為了給嵌入式系統(tǒng)建模必須考慮以下方面：

◆ 時間。在序列圖中描述時間及其約束信息。

◆ 并發(fā)性。用活動類來描述并發(fā)?；顒宇惖膶傩裕ㄈ鐑?yōu)先級）可以定義成類的標(biāo)簽值，可通過組件版類﹤﹤Process﹥﹥和﹤﹤Thread﹥﹥將它們映射到實(shí)現(xiàn)環(huán)境中。

◆ 異步通信。UML支持線程間發(fā)送異步消息。

◆ 同步通信。定義信號量、監(jiān)視器或關(guān)鍵區(qū)的類/版類來描述同步。

由此，可以得出嵌入式系統(tǒng)建模的一般過程如下：

① 首先確定系統(tǒng)需求。在此階段既不考慮哪部分是軟件，也不考慮哪部分是硬件，只根據(jù)調(diào)研和與用戶的交流得出系統(tǒng)應(yīng)具有的功能，并通過角色與用例的關(guān)系表現(xiàn)出來，從而得出用例圖和系統(tǒng)最終需求。

② 進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,也就是根據(jù)用例圖得出的需求來設(shè)計(jì)類圖。這個階段需要確定哪些功能由硬件完成，哪些功能由軟件完成。軟件類圖的設(shè)計(jì)與純軟件建模方法基本一樣，在此不再贅述。對硬件的處理一般由硬件包裝類來實(shí)現(xiàn)，硬件包裝類提供訪問硬件的接口。這些硬件包裝類處理到設(shè)備的通信和設(shè)備產(chǎn)生的中斷，通過這樣的硬件類可以隱藏低級協(xié)議的細(xì)節(jié)，并且很方便、快速地將低級中斷轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中其余部分的高級事件。包裝類是屬于活動的還是靜態(tài)的類，主要取決于硬件的屬性。

③ 如果類圖中所描述的軟件類或硬件類比較復(fù)雜，難以描述清楚，那么可以采用對象圖來細(xì)化，使之更加具體和明確。

④ 對于實(shí)時性要求，需要在序列圖中進(jìn)行定義和描述；如果想知道不同對象之間的鏈接,以及鏈接對象間如何發(fā)送消息，可以建立協(xié)作圖；通過建立狀態(tài)圖,可以了解到某個對象所能到達(dá)的所有狀態(tài),以及對象收到的事件對該對象狀態(tài)的影響等。

⑤ 最后,使用組件圖和展開圖來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成與驗(yàn)證。

以上過程可以在Rhapsody軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵撥浖梢援a(chǎn)生嵌入式系統(tǒng)常用的C語言，更接近通常的嵌入式開發(fā)環(huán)境。

3 實(shí)例分析與討論

這里以一個報(bào)警系統(tǒng)為例，說明如何使用UML來設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)。一個報(bào)警系統(tǒng)一般由傳感器（包括聲音傳感器、圖像傳感器和熱傳感器），報(bào)警器（包括聲音報(bào)警器、電話報(bào)警器和光報(bào)警器），鍵盤，LCD顯示器，系統(tǒng)處理器，以及用于存儲系統(tǒng)配置信息和日志信息的存儲器等部件組成。

當(dāng)傳感器接收到某個信號，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換把信息送到系統(tǒng)處理器中后，系統(tǒng)處理器根據(jù)設(shè)定的配置信息條件，判斷是否需要報(bào)警。若需要，則會向報(bào)警器發(fā)出報(bào)警命令。鍵盤和LCD顯示器用于人機(jī)對話，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定報(bào)警條件和方式。

該系統(tǒng)的序列圖如圖1所示。從圖1中可以看出，該系統(tǒng)要求從傳感器返回信息到發(fā)出報(bào)警的時間間隔小于3 s。這就是序列圖中對嵌入式實(shí)時系統(tǒng)時間要求的一個例子。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)序列圖

在類圖中，把系統(tǒng)處理器設(shè)計(jì)成活動類，負(fù)責(zé)處理通過帶有LCD 顯示的控制面板與用戶的交互。通過控制面板，可以配置、激活和關(guān)閉系統(tǒng)。所有的配置變化均保存在系統(tǒng)配置信息類中。系統(tǒng)處理器接收傳感器的信息，并把它與系統(tǒng)配置信息比較，從而決定是否報(bào)警。 為了查詢和了解報(bào)警系統(tǒng)歷史信息，系統(tǒng)處理器將所有事件保存在日志中。系統(tǒng)處理器、傳感器和報(bào)警器的類圖的簡單關(guān)系如圖2所示。

圖2 報(bào)警器系統(tǒng)組成的類圖

結(jié)語

為嵌入式系統(tǒng)引入一個通用、完善的UML技術(shù)，必將對當(dāng)前高速發(fā)展的嵌入式系統(tǒng)的研究與開發(fā)產(chǎn)生積極的影響。而本文所提出的思想和方法，對于擺脫UML技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域的困境起到了有益的探索和建議作用。