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UML 在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用
摘要：介紹了ＵＭＬ及將ＵＭＬ應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的作用和意義；分析了在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用ＵＭＬ的基本步驟和難點(diǎn)；結(jié)合車載ＧＰＳ終端系統(tǒng)的設(shè)計，描述了一個ＵＭＬ的具體應(yīng)用過程。關(guān)鍵詞：ＵＭＬ（統(tǒng)一建模語言）嵌入式系統(tǒng)設(shè)計車載ＧＰＳ系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一個軟、硬件結(jié)合的協(xié)同設(shè)計（Ｈａｒｄｗａｒｅ／ＳｏｆｔｗａｒｅＣｏ－ｄｅｓｉｇｎ），需要不同技術(shù)背景的人共同開發(fā)。這就帶來了一個問題，如何使這些具有不同技術(shù)背景和專長的人聯(lián)合開發(fā)、協(xié)同設(shè)計。在軟、硬件設(shè)計領(lǐng)域中，統(tǒng)一建模語言ＵＭＬ（ＵｎｉｆｉｅｄＭｏｄｅｌｉｎｇＬａｎｇｕａｇｅ）采用一種簡單而直觀的圖形化方式描述系統(tǒng)設(shè)計中的各個問題和細(xì)節(jié)。不同技術(shù)背景的設(shè)計師只需懂得簡單的ＵＭＬ符號就可以輕易地與對方交流、共同設(shè)計。正是因為這些特點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中使用ＵＭＬ建模并書寫文檔通常可以起到事半功倍的效果。
本文將重點(diǎn)討論如何在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中使用ＵＭＬ技術(shù)，并用車載ＧＰＳ終端項目作為實(shí)例來具體演示采用ＵＭＬ的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程。
�。苯y(tǒng)一建模語言ＵＭＬ及其特點(diǎn)
�。保苯y(tǒng)一建模語言ＵＭＬ
統(tǒng)一建模語言ＵＭＬ是可視化建模語言中的一種。它將模型中的信息用標(biāo)準(zhǔn)圖形元素直觀地顯示，使用戶、開發(fā)人員、測試人員、管理人員和其他涉及項目的人員可以更好地交流。最常用的可視建模語言有Ｂｏｏｃｈ法、對象建模技術(shù)（ＯＭＴ）和統(tǒng)一建模語言ＵＭＬ。其中ＵＭＬ是ＡＮＳＩ和ＯＭＧ組織所采用的標(biāo)準(zhǔn)，被世界上絕大多數(shù)公司所接受。
�。眨停淌牵牵颍幔洌拢铮铮悖�、ＪａｍｅｓＲｕｍｂａｕｇｈ和ＩｖａｒＪａｃｏｂｓｏｎ等許多科學(xué)家的集體智慧結(jié)晶�？梢詫θ魏戊o態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為進(jìn)行系統(tǒng)的建模，適用于系統(tǒng)開發(fā)的不同階段。采用ＵＭＬ進(jìn)行設(shè)計具有以下優(yōu)勢：
·不同背景的開發(fā)人員和設(shè)計師可以互相交流；
·可視化描述比較直觀；
·簡單易學(xué)、易用；
·是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被絕大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)同；
·有利于保存系統(tǒng)設(shè)計的精髓以供下次開發(fā)使用（而不僅僅是一堆電路圖和代碼）；
·有利于項目的回溯、測試。
１．２ＵＭＬ框圖
作為一種可視化建模語言，ＵＭＬ中的所有語素是一個個框圖。設(shè)計人員就是用這一個個框圖描述整個系統(tǒng)的設(shè)計。ＵＭＬ模型的框圖主要有以下幾種：
·ＢｕｓｉｎｅｓｓＵｓｅＣａｓｅ框圖和ＵｓｅＣａｓｅ框圖，前者主要描述整個機(jī)構(gòu)的功能，后者主要從用戶的角度描述系統(tǒng)的功能。所以后者通常用于與系統(tǒng)客戶交流，提取用戶的需求。
·Ｃｌａｓｓ框圖，這一種是靜態(tài)圖，描述系統(tǒng)中的類。在此框圖中可以體現(xiàn)類的主要內(nèi)容和功能、類之間的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。
·ＳｔａｔｅＣｈａｒｔ框圖提供了建模對象的各種狀態(tài)及它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。它提供建模系統(tǒng)的動態(tài)功能。這些框圖廣泛用于建立實(shí)際的系統(tǒng)，將會生成系統(tǒng)的全部代碼。
·Ａｃｔｉｖｉｔｙ框圖與ＳｔａｔｅＣｈａｒｔ框圖同樣描述系統(tǒng)的動態(tài)功能，但它著重于顯示系統(tǒng)的功能流，顯示ＵｓｅＣａｓｅ框圖中某個案例（Ｃａｓｅ）的事件流。它定義了工作流從何時開始、哪里開始、按什么順序發(fā)生、最終在哪結(jié)束。
·Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖顯示了ＵｓｅＣａｓｅ框圖中各對象的具體功能流程。Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖演示了業(yè)務(wù)過程的細(xì)節(jié)。值得注意的是，這個框圖只顯示對象，不顯示類。即Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖是針對某個特定情況、
特定對象進(jìn)行的描述。
·Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ框圖與Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖同樣描述對象間的相互關(guān)系。但它并不像Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖那樣以時間順序描述，而是著重顯示對象與角色之間的交互。其目的是讓質(zhì)量保證工程師和系統(tǒng)建筑師分析對象之間處理過程的分布情況。如果分布不合理，系統(tǒng)建筑師可能考慮重新分配處理工作。
·Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ框圖顯示模型的物理視圖，也顯示系統(tǒng)中軟、硬件組件及其相互關(guān)系。
·Ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ框圖則顯示了系統(tǒng)的物理布局和各組件的位置及配置方法。
這些框圖為系統(tǒng)的分析、設(shè)計、建模提供了多種圖形表達(dá)形式，可應(yīng)用于開發(fā)的不同階段。它們的有機(jī)結(jié)合可以構(gòu)建一個完整而一致的系統(tǒng)。下面針對于車載ＧＰＳ終端這個具體項目說明ＵＭＬ在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的具體應(yīng)用。
�。玻眨停淘谲囕dＧＰＳ終端設(shè)計中的應(yīng)用
�。玻避囕dＧＰＳ終端系統(tǒng)簡介
車載ＧＰＳ終端是置于機(jī)動車內(nèi)的實(shí)時定位裝置，如圖１所示。它的應(yīng)用對象是需要定位、調(diào)度的車隊，例如：運(yùn)輸車隊和出租車等。車輛可以通過終端和ＧＰＳ衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確的定位，并通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)上報遠(yuǎn)程的中心系統(tǒng)。中心可以通過終端遠(yuǎn)程監(jiān)視車行軌跡，甚至在特殊情況下通過終端控制車輛。同時，終端還可以起到車載電話的作用，并可在車輛遇險時進(jìn)行報警。另外，通過終端車輛還可以接收少量的調(diào)度信息。
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在對系統(tǒng)進(jìn)行需求分析時，可以使用ＵｓｅＣａｓｅ圖進(jìn)行功能上的需求分析。ＵｓｅＣａｓｅ圖分角色（Ａｃｔｏｒ）和案例（Ｃａｓｅ）兩部分。角色是與系統(tǒng)交互的人或物，而案例是系統(tǒng)提供的功能塊。使用ＵｓｅＣａｓｅ觀察系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)目標(biāo)分開，有助于開發(fā)人員了解最重要的部分，滿足用戶需求，而不會沉浸于實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
對于車載ＧＰＳ終端，主要的角色有兩種：車載終端用戶和監(jiān)控中心用戶。終端用戶可以報警，打車載電話等；而監(jiān)控中心可以查詢車輛位置，發(fā)送調(diào)度信息。其ＵｓｅＣａｓｅ框圖如圖２所示。
２．３規(guī)格說明
規(guī)格說明比需求分析更詳細(xì)，通過ＵＭＬ設(shè)計可以使規(guī)格說明更直觀、更清晰。首先，使用Ｃｌａｓｓ框圖描述系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如在車載ＧＰＳ終端的規(guī)格說明設(shè)計時可以使用Ｃｌａｓｓ框圖描述需要接收的ＧＰＳ衛(wèi)星信號，如圖３所示。
第二，在規(guī)格說明階段，還需要識別出系統(tǒng)的對象。首先以功能塊劃分，廣泛地找出系統(tǒng)的主要對象；然后使用Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ框圖描述它們之間的關(guān)系。圖４描述了車載ＧＰＳ終端的主要對象，根據(jù)框圖可以進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化。
最后，在規(guī)格說明階段進(jìn)行系統(tǒng)的業(yè)務(wù)描述。即規(guī)范系統(tǒng)完成一定功能的主要流程。這可以利用Ａｃｔｉｖｉｔｙ框圖進(jìn)行。圖５顯示了ＧＰＳ數(shù)據(jù)到達(dá)時，車載ＧＰＳ終端系統(tǒng)所進(jìn)行的處理流程。
�。玻聪到y(tǒng)設(shè)計
規(guī)格說明完成后，需要對系統(tǒng)的各個模塊及模塊之間的關(guān)系仔細(xì)地分析，從而確定哪些部分使用硬件完成，哪些部分使用軟件實(shí)現(xiàn)。在本例中，需要硬件實(shí)現(xiàn)的模塊有：ＧＰＳ接收模塊、電源模塊、用戶控制模塊、ＬＣＤ顯示模塊和ＧＳＭ通訊模塊。所有的控制邏輯和數(shù)據(jù)計算全部由主控制器的軟件實(shí)現(xiàn)。
隨后，系統(tǒng)設(shè)計分為兩個分支：硬件設(shè)計及軟件設(shè)計。使用ＵＭＬ的Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ圖和Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ圖對系統(tǒng)的硬、軟件分別進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。圖６用Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ框圖描述了車載ＧＰＳ終端系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)。
�。玻禈�(gòu)件設(shè)計
接下來對每一個系統(tǒng)構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計。對于某些大型工程，甚至需要把每一個構(gòu)件作為一個項目，重新以需求分析、規(guī)格說明開始展開構(gòu)件設(shè)計循環(huán)。在構(gòu)件設(shè)計中，除了可以使用前文介紹過的各種ＵＭＬ框圖外，通常還需要使用ＳｔａｔｅＣｈａｒｔ、Ｓｅｑｕｅｎｃｅ這兩種框圖描述具體的系統(tǒng)流程細(xì)節(jié)。
在本例中，ＧＳＭ模塊共有四個狀態(tài)：待命、有問題、通話中、短消息通訊中。使用ＳｔａｔｅＣｈａｒｔ框圖描述它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖７所示。
Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖顯示了一個特定對象進(jìn)行特定操作時所遇到的流程。圖８顯示了車載終端用戶甲在遇到危險按下報警按鈕后系統(tǒng)的處理過程。
�。玻都蓽y試和部署
在集成測試時，可以聯(lián)合使用所有的ＵＭＬ框圖認(rèn)真分析每個構(gòu)件的原理，針對每一個系統(tǒng)功能、每一個可能發(fā)生錯誤的過程寫出相應(yīng)的測試程序，進(jìn)行完整而可靠的程序測試。
利用ＵＭＬ和系統(tǒng)的設(shè)計方法可以使傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計告別“手工作坊”的開發(fā)方式，大大提高嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)速度和產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)設(shè)計的可復(fù)用性。
但是ＵＭＬ是圖形化描述語言，比較適用于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計；對于精確的規(guī)格設(shè)計或非面向?qū)ο蟮恼Z言設(shè)計來說就不盡如人意了。在具體應(yīng)用中，靈活應(yīng)用注釋功能，把框圖對應(yīng)模塊所需的具體規(guī)格要求以注釋的形式寫在框圖中，充分利用ＳｔａｔｅＣｈａｒｔ和Ｓｅｑｕｅｎｃｅ這些框圖來完成面向過程部分的設(shè)計。
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