如何在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用UML技術(shù)

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/Software Co-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（Unified Modling Language）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(jì)中使用 UML 技術(shù)，并用車載 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)

1.1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、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 所采用的標(biāo)準(zhǔn)，被世界上絕大多數(shù)公司所接受。

UML 是 Grady Booch、James Rumbaugh 和 Ivar Jacobson 等許多科學(xué)家的集體智慧結(jié)晶。可以對(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。

1.2 UML 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：

Business Use Case框圖和Use Case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。

State Chart 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 State Chart 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 Use Case 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 Use Case 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。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。

2、UML 在車載 GPS 終端設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 車載GPS終端系統(tǒng)簡(jiǎn)介

車載 GPS 終端是置于機(jī)動(dòng)車內(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)度的車隊(duì)，例如：運(yùn)輸車隊(duì)和出租車等。車輛可以通過(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)視車行軌跡，甚至在特殊情況下通過(guò)終端控制車輛。同時(shí)， 終端還可以起到車載電話的作用，并可在車輛遇險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警。另外，通過(guò)終端車輛還可以接收少量的調(diào)度信息。

2.2 需求分析

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析時(shí)，可以使用 Use Case 圖進(jìn)行功能上的需求分析。Use Case 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 Use Case 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，滿足用戶需求，而不會(huì)沉浸于實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

對(duì)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(bào)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 Use Case 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)，車載 GPS 終端系統(tǒng)所進(jìn)行的處理流程。

2.4 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 框圖描述了車載 GPS 終端系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)。

2.5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 State Chart、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 State Chart 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(gè)特定對(duì)象進(jìn)行特定操作時(shí)所遇到的流程。圖８顯示了車載終端用戶甲在遇到危險(xiǎn)按下報(bào)警按鈕后系統(tǒng)的處理過(guò)程。

2.6 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在框圖中，充分利用 State Chart 和 Sequence 這些框圖來(lái)完成面向過(guò)程部分的設(shè)計(jì)。