UML 在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)中的作用和意義；分析了在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用ＵＭＬ的基本步驟和難點(diǎn)；結(jié)合車(chē)載ＧＰＳ終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，描述了一個(gè)ＵＭＬ的具體應(yīng)用過(guò)程。
　　關(guān)鍵詞：ＵＭＬ（統(tǒng)一建模語(yǔ)言）嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)車(chē)載ＧＰＳ系統(tǒng)
　　
　　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)軟、硬件結(jié)合的協(xié)同設(shè)計(jì)（Ｈａｒｄｗａｒｅ／ＳｏｆｔｗａｒｅＣｏ－ｄｅｓｉｇｎ），需要不同技術(shù)背景的人共同開(kāi)發(fā)。這就帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，如何使這些具有不同技術(shù)背景和專(zhuān)長(zhǎng)的人聯(lián)合開(kāi)發(fā)、協(xié)同設(shè)計(jì)。在軟、硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，統(tǒng)一建模語(yǔ)言ＵＭＬ（ＵｎｉｆｉｅｄＭｏｄｅｌｉｎｇＬａｎｇｕａｇｅ）采用一種簡(jiǎn)單而直觀的圖形化方式描述系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的各個(gè)問(wèn)題和細(xì)節(jié)。不同技術(shù)背景的設(shè)計(jì)師只需懂得簡(jiǎn)單的ＵＭＬ符號(hào)就可以輕易地與對(duì)方交流、共同設(shè)計(jì)。正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用ＵＭＬ建模并書(shū)寫(xiě)文檔通�？梢云鸬绞掳牍Ρ兜男Ч�。
　　
　　本文將重點(diǎn)討論如何在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用ＵＭＬ技術(shù)，并用車(chē)載ＧＰＳ終端項(xiàng)目作為實(shí)例來(lái)具體演示采用ＵＭＬ的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。
　　
　　１統(tǒng)一建模語(yǔ)言ＵＭＬ及其特點(diǎn)
　　
　�。保�１統(tǒng)一建模語(yǔ)言ＵＭＬ
　　
　　統(tǒng)一建模語(yǔ)言ＵＭＬ是可視化建模語(yǔ)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(hù)、開(kāi)發(fā)人員、測(cè)試人員、管理人員和其他涉及項(xiàng)目的人員可以更好地交流。最常用的可視建模語(yǔ)言有Ｂｏｏｃｈ法、對(duì)象建模技術(shù)（ＯＭＴ）和統(tǒng)一建模語(yǔ)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�Ｂｏｏｃｈ、ＪａｍｅｓＲｕｍｂａｕｇｈ和ＩｖａｒＪａｃｏｂｓｏｎ等許多科學(xué)家的集體智慧結(jié)晶�？梢詫�(duì)任何靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行系統(tǒng)的建模，適用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的不同階段。采用ＵＭＬ進(jìn)行設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì)：
　　
　　·不同背景的開(kāi)發(fā)人員和設(shè)計(jì)師可以互相交流；
　　
　　·可視化描述比較直觀；
　　
　　·簡(jiǎn)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(jì)的精髓以供下次開(kāi)發(fā)使用（而不僅僅是一堆電路圖和代碼）；
　　
　　·有利于項(xiàng)目的回溯、測(cè)試。
　　
　�。保�２ＵＭＬ框圖
　　
　　作為一種可視化建模語(yǔ)言，ＵＭＬ中的所有語(yǔ)素是一個(gè)個(gè)框圖。設(shè)計(jì)人員就是用這一個(gè)個(gè)框圖描述整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(gè)機(jī)構(gòu)的功能，后者主要從用戶(hù)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(hù)交流，提取用戶(hù)的需求。
　　
　　·Ｃｌａｓｓ框圖，這一種是靜態(tài)圖，描述系統(tǒng)中的類(lèi)。在此框圖中可以體現(xiàn)類(lèi)的主要內(nèi)容和功能、類(lèi)之間的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。
　　
　　·ＳｔａｔｅＣｈａｒｔ框圖提供了建模對(duì)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(dòng)態(tài)功能。這些框圖廣泛用于建立實(shí)際的系統(tǒng)，將會(huì)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(dòng)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(gè)案例（Ｃａｓｅ）的事件流。它定義了工作流從何時(shí)開(kāi)始、哪里開(kāi)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(duì)象的具體功能流程。Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖演示了業(yè)務(wù)過(guò)程的細(xì)節(jié)。值得注意的是，這個(gè)框圖只顯示對(duì)象，不顯示類(lèi)。即Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖是針對(duì)某個(gè)特定情況、
　　
　　
　　
　　特定對(duì)象進(jìn)行的描述。
　　
　　·Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ框圖與Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖同樣描述對(duì)象間的相互關(guān)系。但它并不像Ｓｅｑｕｅｎｃｅ框圖那樣以時(shí)間順序描述，而是著重顯示對(duì)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(duì)象之間處理過(guò)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(jì)、建模提供了多種圖形表達(dá)形式，可應(yīng)用于開(kāi)發(fā)的不同階段。它們的有機(jī)結(jié)合可以構(gòu)建一個(gè)完整而一致的系統(tǒng)。下面針對(duì)于車(chē)載ＧＰＳ終端這個(gè)具體項(xiàng)目說(shuō)明ＵＭＬ在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。
　　
　�。玻眨停淘谲�(chē)載ＧＰＳ終端設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
　　
　　２．１車(chē)載ＧＰＳ終端系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　
　　車(chē)載ＧＰＳ終端是置于機(jī)動(dòng)車(chē)內(nèi)的實(shí)時(shí)定位裝置，如圖１所示。它的應(yīng)用對(duì)象是需要定位、調(diào)度的車(chē)隊(duì)，例如：運(yùn)輸車(chē)隊(duì)和出租車(chē)等。車(chē)輛可以通過(guò)終端和ＧＰＳ衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的定位，并通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)上報(bào)遠(yuǎn)程的中心系統(tǒng)。中心可以通過(guò)終端遠(yuǎn)程監(jiān)視車(chē)行軌跡，甚至在特殊情況下通過(guò)終端控制車(chē)輛。同時(shí)，終端還可以起到車(chē)載電話的作用，并可在車(chē)輛遇險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警。另外，通過(guò)終端車(chē)輛還可以接收少量的調(diào)度信息。
　　
　�。玻�２需求分析
　　
　　在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析時(shí)，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(kāi)，有助于開(kāi)發(fā)人員了解最重要的部分，滿(mǎn)足用戶(hù)需求，而不會(huì)沉浸于實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
　　
　　對(duì)于車(chē)載ＧＰＳ終端，主要的角色有兩種：車(chē)載終端用戶(hù)和監(jiān)控中心用戶(hù)。終端用戶(hù)可以報(bào)警，打車(chē)載電話等；而監(jiān)控中心可以查詢(xún)車(chē)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(shuō)明
　　
　　規(guī)格說(shuō)明比需求分析更詳細(xì)，通過(guò)ＵＭＬ設(shè)計(jì)可以使規(guī)格說(shuō)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(chē)載ＧＰＳ終端的規(guī)格說(shuō)明設(shè)計(jì)時(shí)可以使用Ｃｌａｓｓ框圖描述需要接收的ＧＰＳ衛(wèi)星信號(hào)，如圖３所示。
　　
　　第二，在規(guī)格說(shuō)明階段，還需要識(shí)別出系統(tǒng)的對(duì)象。首先以功能塊劃分，廣泛地找出系統(tǒng)的主要對(duì)象；然后使用Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ框圖描述它們之間的關(guān)系。圖４描述了車(chē)載ＧＰＳ終端的主要對(duì)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(shuō)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(shí)，車(chē)載ＧＰＳ終端系統(tǒng)所進(jìn)行的處理流程。
　　
　�。玻�４系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　規(guī)格說(shuō)明完成后，需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)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(hù)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(jì)算全部由主控制器的軟件實(shí)現(xiàn)。
　　
　　隨后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)分支：硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。使用ＵＭＬ的Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ圖和Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ圖對(duì)系統(tǒng)的硬、軟件分別進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖６用Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ框圖描述了車(chē)載ＧＰＳ終端系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)。
　　
　�。玻�５構(gòu)件設(shè)計(jì)
　　
　　接下來(lái)對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。對(duì)于某些大型工程，甚至需要把每一個(gè)構(gòu)件作為一個(gè)項(xiàng)目，重新以需求分析、規(guī)格說(shuō)明開(kāi)始展開(kāi)構(gòu)件設(shè)計(jì)循環(huán)。在構(gòu)件設(shè)計(jì)中，除了可以使用前文介紹過(guò)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(gè)狀態(tài)：待命、有問(wèn)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。
　　
　�。樱澹瘢酰澹睿悖蹇驁D顯示了一個(gè)特定對(duì)象進(jìn)行特定操作時(shí)所遇到的流程。圖８顯示了車(chē)載終端用戶(hù)甲在遇到危險(xiǎn)按下報(bào)警按鈕后系統(tǒng)的處理過(guò)程。
　　
　　
　　
　　
　　
　�。玻�６集成測(cè)試和部署
　　
　　在集成測(cè)試時(shí)，可以聯(lián)合使用所有的ＵＭＬ框圖認(rèn)真分析每個(gè)構(gòu)件的原理，針對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)功能、每一個(gè)可能發(fā)生錯(cuò)誤的過(guò)程寫(xiě)出相應(yīng)的測(cè)試程序，進(jìn)行完整而可靠的程序測(cè)試。
　　
　　利用ＵＭＬ和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可以使傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)告別“手工作坊”的開(kāi)發(fā)方式，大大提高嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度和產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的可復(fù)用性。
　　
　　但是ＵＭＬ是圖形化描述語(yǔ)言，比較適用于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)；對(duì)于精確的規(guī)格設(shè)計(jì)或非面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)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(duì)應(yīng)模塊所需的具體規(guī)格要求以注釋的形式寫(xiě)在框圖中，充分利用ＳｔａｔｅＣｈａｒｔ和Ｓｅｑｕｅｎｃｅ這些框圖來(lái)完成面向過(guò)程部分的設(shè)計(jì)。
　　
　　
　　
　　

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