摘　要　 近年來，在嵌入式領域中缺乏一個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。本文結合統(tǒng)一建模語言UML，對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法進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，并以嵌入式遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)為例，驗證了該方法的可行性和有效性。

關鍵詞　 UML，嵌入式系統(tǒng)，形式化開發(fā)方法

中圖分類號： TP31 文獻標示碼： A

1 引言

隨著信息產業(yè)和微電子技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的功能日漸強大，結構也愈加復雜，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)質量。本文結合統(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，并將其實際運用到了嵌入式遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中，驗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、功能強大且普遍適用的面向對象和基于構件的系統(tǒng)建模語言。它擴展了現(xiàn)有方法的應用范圍，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)機構或業(yè)務過程等。 UML由圖、視圖、模型元素、通用機制和擴展機制等幾個部分組成 [2] 。其中圖是UML建模的關鍵，根據圖在系統(tǒng)開發(fā)過程中不同階段的應用，可以分為用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖、實現(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形式，應用于建模的不同階段。

2.2 　將UML 語言應用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的優(yōu)勢

隨著嵌入式系統(tǒng)的日趨復雜化，較多的系統(tǒng)都需要由一個團隊共同完成，因此，團隊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統(tǒng)一的標準作為基礎。UML正是這樣一種標準的系統(tǒng)建模語言。它詳細描述系統(tǒng)的內容和工作方法，先進行系統(tǒng)建模后再編寫代碼，在開始階段就保證了系統(tǒng)結構的合理性。UML系統(tǒng)模型包含許多不同框圖，使項目小組可以從不同角度了解整個系統(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，可實現(xiàn)軟硬件協(xié)同設計。 特別的，UML是一種語言，不是方法，它獨立于開發(fā)過程 [3] ，所以我們可以結合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、設計、實現(xiàn)、測試的循環(huán)迭代，使用面向對象思想，通過細化分析和設計階段的步驟，使得整個過程更有條理、充實，更適合于多任務的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。方法的需求、分析、設計過程被細化后分別包括了以下幾個步驟：

· 需求階段明確了系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能以及所要達到的性能，是整個系統(tǒng)開發(fā)的目標。

功能性需求：明確系統(tǒng)應該提供什么功能。

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構化需求，清楚地描述系統(tǒng)內部，是設計階段的基礎。分為兩個步驟：

系統(tǒng)架構分析：運用面向對象技術描述系統(tǒng)的靜態(tài)結構。

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。

· 設計階段是在對系統(tǒng)各方面有了解的基礎上來確定特定的解決方案。分為兩個步驟：

分層結構設計：確定了具體實現(xiàn)時軟件和硬件的最佳分界。

詳細設計：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計具體電路板的階段。

本方法利用面向對象的概念將系統(tǒng)分成了相互關聯(lián)卻又較獨立的模塊，一方面方便了系統(tǒng)開發(fā)時的迭代過程以及系統(tǒng)的后期維護，設計人員可以根據不同的新的需要對各個步驟中相應部分進行調整來實現(xiàn)改進，這樣就可以大量減少重復分析或設計的過程；另一方面，對象概念可以和嵌入式系統(tǒng)中的任務概念很好的映射起來。任務可看成是由一個或多個對象協(xié)作而成的，在分析、設計過程中確立對象的同時也就確定了系統(tǒng)的多個任務，為嵌入式系統(tǒng)的多任務特性提供了很好的支持。

本文后續(xù)部分將以嵌入式遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)為例，簡單闡述和驗證此方法。

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)大致由下述幾個角色和用例組成:

本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/201706/349390.htm 三個角色：數(shù)字式測溫儀，Internet遠端用戶，本地用戶。

五個用例：當前溫度信息顯示、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)以及登陸服務器（身份驗證）。
以上的各個用例只是對系統(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。

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，遠程監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)字式測溫儀實現(xiàn)無線監(jiān)控。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)為Internet遠端用戶提供統(tǒng)一開放的平臺，

遠程監(jiān)控系統(tǒng)每秒自動更新提供給用戶的溫度信息。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)也為本地用戶提供友好的人機交互界面。

可以看出，這些非功能性需求為確定系統(tǒng)的結構和系統(tǒng)選用的技術等進行了約束。

4 系統(tǒng)分析

在系統(tǒng)分析階段，通過細化和結構化系統(tǒng)需求，可將系統(tǒng)需求轉換成系統(tǒng)中的結構、類、對象和關系等實體元素，并從靜態(tài)和動態(tài)兩個角度來清楚描述這些實體元素。

4.1 　系統(tǒng)結構分析

系統(tǒng)結構分析是對系統(tǒng)元素靜態(tài)的描述，它在系統(tǒng)需求的基礎上確定系統(tǒng)的總體架構及內部對象。

首先用部署圖來描述系統(tǒng)的物理架構，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備；系統(tǒng)采用了目前遠程監(jiān)控系統(tǒng)中比較流行的瀏覽器/服務器模式（B/S）。這樣系統(tǒng)的4個功能用例都將主要由嵌入式Web服務器實現(xiàn)。此外，根據非功能性需求中的無線監(jiān)控約束，在工控現(xiàn)場，運用了藍牙技術。

然后用類圖來描述系統(tǒng)靜態(tài)的對象結構及其相互關系。從用例圖(圖1)中我們可分解出一些類，并將這些類之間的結構描述出來。比如從遠端用戶的“登錄服務器”用例就可分解出嵌入式Web服務器中的網卡、TCP/IP、HTTP類，本地用戶的“登錄服務器”用例則可分解出嵌入式Web服務器中的鍵盤、顯示器和本地監(jiān)控等類。依次略推在嵌入式Web 服務器中共定義了網卡、TCP/IP、HTTP、藍牙模塊、鍵盤、顯示屏、本地監(jiān)控、數(shù)據處理等類。

每個類可以設置屬性和操作，但我們在這個步驟中并沒有定義，而僅僅是對嵌入式Web服務器的 對象結構作靜態(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，然后根據系統(tǒng)內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服務器的狀態(tài)圖來簡單說明（如圖3所示）。根據嵌入式系統(tǒng)的特點，在此處，狀態(tài)圖不但包括嵌套層次結構狀態(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)同時處于活動狀態(tài)的獨立狀態(tài)，圖中用虛線表示。

圖 3 嵌入式Web服務器狀態(tài)圖

5 系統(tǒng)設計

設計階段是在對系統(tǒng)各方面都有充分了解的基礎上確定特定的解決方案。

5.1 層次結構設計

我們在系統(tǒng)的分析階段，一直使用統(tǒng)一的標識來描述系統(tǒng)，但系統(tǒng)具體實現(xiàn)時還是需要將軟、硬件分開實現(xiàn)，所以我們要在系統(tǒng)設計階段對軟硬件層次進行劃分。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)結構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)結構，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現(xiàn)又可由硬件提供的一部分內容則要根據性能、價格、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)議棧的網卡芯片，相比較而言，自帶TCP/IP協(xié)議棧的網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)對網絡實現(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)。

這里用部署圖描述的系統(tǒng)硬件層（如圖4），它將類圖中的數(shù)據處理對象，即軟件層中的操作系統(tǒng)所具有的任務映射到了處理器的各個線程，并且還設置了每個線程的優(yōu)先級。而藍牙模塊所帶的操作：藍牙底層協(xié)議，表示藍牙底層協(xié)議是由藍牙模塊硬件實現(xiàn)的。系統(tǒng)的軟件層也可以通過組件圖來描述。

5.2 詳細設計

詳細設計是一次循環(huán)中需求、分析、設計的最后一步，指定了細節(jié)問題，明確了單個對象的范圍、內數(shù)據結構和算法的實現(xiàn)等。

先前已對類的屬性和操作作了定義，而在詳細設計中，為了編寫代碼，必須對每個類中定義的操作的各個屬性（包括它的類型和初始值等）填補完整。因為此時的類圖是為軟件編程準備的，所以應根據體系結構設計過程中組件圖的內容重新進行整理，保留并細化由軟件實現(xiàn)的所有類。完整的類圖如圖5所示。

依照這些類的行為流程圖，在編程階段就可以容易的實現(xiàn)代碼，并且由于有了統(tǒng)一的設計決策， 即使是由不同的編程人員編寫，最后的代碼體現(xiàn)出的思路都是大同小異的，也方便非開發(fā)人員了解 和維護系統(tǒng)。

6 結束語

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，并實際應用到嵌入式遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中。此方法面向對象，步驟清晰流暢，并全部由UML的統(tǒng)一標準符號加以描述，有效的提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，也有利于系統(tǒng)以后的維護和升級。

參考文獻

[1] Bruce Powel Douglass 著 . 《實時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分析設計嵌入式系統(tǒng) . 計算機應用研究，2002年，5，p117-p120