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摘 要
近年來，在嵌入式領(lǐng)域中缺乏一個(gè)成熟的始終一貫的形式化開發(fā)方法，這已成為制約嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸之一。本文結(jié)合統(tǒng)一建模語言UML，對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)
方法進(jìn)行了有益的探索研究，提出了一種基于UML的適合于嵌入式系統(tǒng)的形式化開發(fā)方法，并以嵌入式遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效
性。 關(guān)鍵詞 UML，嵌入式系統(tǒng)，形式化開發(fā)方法 中圖分類號： TP31 文獻(xiàn)標(biāo)示碼： A 1 引言 隨著信息產(chǎn)業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的功能日漸強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)方法已不能滿足開發(fā)要求,人們開始嘗試用一些形式化的開發(fā) 方法進(jìn)行開發(fā)。一種適合于嵌入式系統(tǒng)的形式化開發(fā)方法，不僅能縮短嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的周期，還能減少開發(fā)成本，提高系統(tǒng)質(zhì)量。本文結(jié)合統(tǒng)一建模語言UML， 提出一種嵌入式系統(tǒng)可視化開發(fā)方法，并將其實(shí)際運(yùn)用到了嵌入式遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。 2 基于UML 的嵌入式系統(tǒng)可視化開發(fā)方法 2.1 統(tǒng)一建模語言UML UML(Unified Modeling Language) 是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用的面向?qū)ο蠛突跇?gòu)件的系統(tǒng)建模語言。它擴(kuò)展了現(xiàn)有方法的應(yīng)用范圍，不僅可建立軟件系統(tǒng)的模型，還可建立非軟件系統(tǒng)的模型，可廣泛用于描述系統(tǒng)軟件、嵌入式系統(tǒng)、企業(yè)機(jī)構(gòu)或業(yè)務(wù)過程等。 UML由圖、視圖、模型元素、通用機(jī)制和擴(kuò)展機(jī)制等幾個(gè)部分組成 [2] 。其中圖是UML建模的關(guān)鍵，根據(jù)圖在系統(tǒng)開發(fā)過程中不同階段的應(yīng)用，可以分為用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖、實(shí)現(xiàn)圖等五類，這些圖為系統(tǒng)的開發(fā)提供了多種圖形表達(dá)形式，應(yīng)用于建模的不同階段。 2.2 將UML 語言應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的優(yōu)勢 隨著嵌入式系統(tǒng)的日趨復(fù)雜化，較多的系統(tǒng)都需要由一個(gè)團(tuán)隊(duì)共同完成，因此，團(tuán)隊(duì)成員之間的相互合作，軟硬件之間的協(xié)同開發(fā)，乃至開發(fā)人員和客戶之間的交流 都需要有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)。UML正是這樣一種標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)建模語言。它詳細(xì)描述系統(tǒng)的內(nèi)容和工作方法，先進(jìn)行系統(tǒng)建模后再編寫代碼，在開始階段就保 證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性。UML系統(tǒng)模型包含許多不同框圖，使項(xiàng)目小組可以從不同角度了解整個(gè)系統(tǒng)。另外,UML可以用統(tǒng)一的形式表現(xiàn)軟件和硬件，支持循環(huán) 迭代并可多次修改軟硬件方案直到滿足要求，可實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。 特別的，UML是一種語言，不是方法，它獨(dú)立于開發(fā)過程 [3] ，所以我們可以結(jié)合UML語言提出一套針對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，從而為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供一條新的途徑。 2.3 基于UML 的嵌入式系統(tǒng)可視化開發(fā)方法 文中提出的基于UML的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法支持需求、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試的循環(huán)迭代，使用面向?qū)ο笏枷耄ㄟ^細(xì)化分析和設(shè)計(jì)階段的步驟，使得整個(gè)過程更有條理、充實(shí)，更適合于多任務(wù)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。方法的需求、分析、設(shè)計(jì)過程被細(xì)化后分別包括了以下幾個(gè)步驟： · 需求階段明確了系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能以及所要達(dá)到的性能，是整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)。 功能性需求：明確系統(tǒng)應(yīng)該提供什么功能。 非功能性需求：明確系統(tǒng)的特定特性或者約束。 · 分析階段主要是精化和結(jié)構(gòu)化需求，清楚地描述系統(tǒng)內(nèi)部，是設(shè)計(jì)階段的基礎(chǔ)。分為兩個(gè)步驟： 系統(tǒng)架構(gòu)分析：運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)行為分析：從動態(tài)的角度描述系統(tǒng)的對象間相互作用的特性。 · 設(shè)計(jì)階段是在對系統(tǒng)各方面有了解的基礎(chǔ)上來確定特定的解決方案。分為兩個(gè)步驟： 分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：確定了具體實(shí)現(xiàn)時(shí)軟件和硬件的最佳分界。 詳細(xì)設(shè)計(jì)：在軟件方面是深入到了系統(tǒng)低層信息，如操作的屬性、類的流程等；硬件方面則是到了設(shè)計(jì)具體電路板的階段。 本方法利用面向?qū)ο蟮母拍顚⑾到y(tǒng)分成了相互關(guān)聯(lián)卻又較獨(dú)立的模塊，一方面方便了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)的迭代過程以及系統(tǒng)的后期維護(hù)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)不同的新的需要 對各個(gè)步驟中相應(yīng)部分進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)，這樣就可以大量減少重復(fù)分析或設(shè)計(jì)的過程；另一方面，對象概念可以和嵌入式系統(tǒng)中的任務(wù)概念很好的映射起來。任 務(wù)可看成是由一個(gè)或多個(gè)對象協(xié)作而成的，在分析、設(shè)計(jì)過程中確立對象的同時(shí)也就確定了系統(tǒng)的多個(gè)任務(wù)，為嵌入式系統(tǒng)的多任務(wù)特性提供了很好的支持。 本文后續(xù)部分將以嵌入式遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)為例，簡單闡述和驗(yàn)證此方法。 3 系統(tǒng)需求 3.1 功能性需求 功能性需求是系統(tǒng)功能的陳述。在UML中是應(yīng)用用例圖來描述系統(tǒng)功能的。如圖1所示，系統(tǒng)大致由下述幾個(gè)角色和用例組成:
五個(gè)用例：當(dāng)前溫度信息顯示、更改最高警戒溫度、更改最低警戒溫度、修改測溫儀工作狀態(tài)以及登陸服務(wù)器（身份驗(yàn)證）。 以上的各個(gè)用例只是對系統(tǒng)功能的大致劃分，主要目的是為后面的系統(tǒng)分析作基礎(chǔ)。 3.2 非功能性需求 非功能性需求是系統(tǒng)的特定特性。本系統(tǒng)的非功能性需求是： 溫度測量范圍要求0-400℃，顯示精度 為0.2℃。 在工業(yè)現(xiàn)場，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)字式測溫儀實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控。 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為Internet遠(yuǎn)端用戶提供統(tǒng)一開放的平臺， 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)每秒自動更新提供給用戶的溫度信息。 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也為本地用戶提供友好的人機(jī)交互界面。 可以看出，這些非功能性需求為確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)選用的技術(shù)等進(jìn)行了約束。 4 系統(tǒng)分析 在系統(tǒng)分析階段，通過細(xì)化和結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)需求，可將系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)、類、對象和關(guān)系等實(shí)體元素，并從靜態(tài)和動態(tài)兩個(gè)角度來清楚描述這些實(shí)體元素。 4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析是對系統(tǒng)元素靜態(tài)的描述，它在系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)的總體架構(gòu)及內(nèi)部對象。 首先用部署圖來描述系統(tǒng)的物理架構(gòu)，如圖2所 示，其中帶有陰影的為處理器，未帶有陰影的是外部設(shè)備；系統(tǒng)采用了目前遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中比較流行的瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S）。這樣系統(tǒng)的4個(gè)功能用例都 將主要由嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。此外，根據(jù)非功能性需求中的無線監(jiān)控約束，在工控現(xiàn)場，運(yùn)用了藍(lán)牙技術(shù)。
每個(gè)類可以設(shè)置屬性和操作，但我們在這個(gè)步驟中并沒有定義，而僅僅是對嵌入式Web服務(wù)器的 對象結(jié)構(gòu)作靜態(tài)描述，類的屬性和操作的定義將隨著完整的類圖在后文中出現(xiàn)。 4.2 系統(tǒng)行為分析 系統(tǒng)行為分析就是從多個(gè)角度來描述所研究系統(tǒng)的動態(tài)部分。我們可用狀態(tài)圖描述系統(tǒng)的狀態(tài)行為，然后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部所具有的行為來定義和精化類的操作，另外也可用順序圖和協(xié)作圖從不同的角度來顯示動態(tài)的信息流。 這里采用嵌入式Web服務(wù)器的狀態(tài)圖來簡單說明（如圖3所示）。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，在此處，狀態(tài)圖不但包括嵌套層次結(jié)構(gòu)狀態(tài)的概念，還可用并發(fā)的概念來表示那些可以和其他狀態(tài)同時(shí)處于活動狀態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)，圖中用虛線表示。
5 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)階段是在對系統(tǒng)各方面都有充分了解的基礎(chǔ)上確定特定的解決方案。 5.1 層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 我們在系統(tǒng)的分析階段，一直使用統(tǒng)一的標(biāo)識來描述系統(tǒng)，但系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)時(shí)還是需要將軟、硬件分開實(shí)現(xiàn)，所以我們要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對軟硬件層次進(jìn)行劃分。若這次的劃分最終不能滿足要求，也可以通過迭代在以后的循環(huán)中嘗試多種方案，直到滿足要求。 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中用類圖所作的統(tǒng)一描述涵蓋了軟件層和硬件層共同組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所有軟件層和硬件層都是由類圖中提取而來的，但類圖中既可由軟件實(shí)現(xiàn)又可 由硬件提供的一部分內(nèi)容則要根據(jù)性能、價(jià)格、規(guī)格大小等因素來加以選擇。如本系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，就即可通過軟件編程，也可選擇購買提供 TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)卡芯片，相比較而言，自帶TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)卡芯片提供的性能更高、更穩(wěn)定，但成本也較高，但本系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)并沒有特別高的 要求，所以從成本上考慮，還是選擇了軟件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。這樣，TCP/IP協(xié)議棧也就將在軟件層中描述而不在硬件層中出現(xiàn)。
5.2 詳細(xì)設(shè)計(jì) 詳細(xì)設(shè)計(jì)是一次循環(huán)中需求、分析、設(shè)計(jì)的最后一步，指定了細(xì)節(jié)問題，明確了單個(gè)對象的范圍、內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的實(shí)現(xiàn)等。 先前已對類的屬性和操作作了定義，而在詳細(xì)設(shè)計(jì)中，為了編寫代碼，必須對每個(gè)類中定義的操作的各個(gè)屬性（包括它的類型和初始值等）填補(bǔ)完整。因?yàn)榇藭r(shí)的類 圖是為軟件編程準(zhǔn)備的，所以應(yīng)根據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中組件圖的內(nèi)容重新進(jìn)行整理，保留并細(xì)化由軟件實(shí)現(xiàn)的所有類。完整的類圖如圖5所示。
6 結(jié)束語 通過對UML語言的分析，文中提出了一種基于UML的嵌入式系統(tǒng)可視化開發(fā)方法，并實(shí)際應(yīng)用到嵌入式遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中。此方法面向?qū)ο?，步驟清晰流暢，并全部由UML的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)符號加以描述，有效的提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，也有利于系統(tǒng)以后的維護(hù)和升級。 參考文獻(xiàn) [1] Bruce Powel Douglass 著 . 《實(shí)時(shí)UML——開發(fā)嵌入式系統(tǒng)高效對象（第2版）》.中國電力出版社，2003年12月 [2] Wendy Boggs, Michael Boggs著，邱仲潘 等譯 . UML與Rational Rose 2002從入門到精通. 2002年7月，電子工業(yè)出版社，北京 [3] 唐英，李志蜀 . 使用UML分析設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng) . 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002年，5，p117-p120 |
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