一种改进型UML在嵌入式系统中的应用

摘要 在后PC时代，越来越多的领域需要嵌入式系统的支持，传统嵌入式系统的开发手段已不能满足日益增长的复杂性和质量要求；而UML技术在软件领域所取得的巨大成就为嵌入式系统开发带来了希望。因此，如何把基于软件领域的UML作为通用和完善的方法引入到嵌入式系统领域，将成为一个迫切需要考虑和解决的问题。
关键词 后PC 嵌入式系统 UML 软件工程

引言

　　随着计算机技术、网络技术和通信技术的迅速发展，当前的信息社会已从当初传统的个人计算机时代进入了后PC时代；而后PC时代的主要特征就是以嵌入式系统的广泛应用与发展为标志的。

　　关于嵌入式系统的定义虽然有很多种，不过国内普遍认可的定义是[1]： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗要求的专用计算机系统。

　　嵌入式系统主要是使用微型的芯片及其固化的软件，嵌入在其他系统中，以达到对其他系统进行智能化或信息化实时控制等目的。

　　当前，嵌入式系统已在工业控制、航空航天、国防以及信息家电等领域得到广泛的应用，并发挥了重要作用，而且越来越多的领域都迫切需要嵌入式系统的支持。然而，由于嵌入式系统的硬件、软件、应用环境的千差万别，因此当前有限的嵌入式技术人员的时间和精力主要花在熟悉不同的硬件、软件及其代码的开发上。这样不但造成嵌入式系统开发的效率和质量得不到保证，而且也严重束缚了嵌入式技术人员进行更高层次的研究与开发。这些都成为日益复杂的嵌入式系统迅速发展的瓶颈。

1  UML引入到嵌入式系统中的可行性

　　20世纪六七十年代，软件产业遇到了危机。其原因就是软件越来越庞大和复杂，而软件的质量和生产率却越来越低。由此促进了软件工程的诞生，使得软件开发的规范化和效率都得到了很大提高。在20世纪90年代，随着面向对象技术的发展，软件工程向自动化、智能化方向发展，其突出的标志就是UML标准的出现与发展。随后，很多软硬件厂商相继开发出了许多基于UML标准的CASE工具。从此开发软件可以借助UML的CASE工具来完成从软件的分析、设计、实现到测试的一系列软件工程过程，大大提高了软件开发的复用性和效率，降低了软件开发过程中的返工率。

　　UML突出的特点就是以面向对象的观点来分析和设计所开发的系统，它把系统的每个功能都作为一个模块（以“类”来表示）。在UML中，使用用例视图、逻辑视图、组件视图、并发视图和展开视图来分别对软件实现需求分析、设计、实现、集成和测试等过程；并且每个视图都包括一系列的图来具体实现，上面的5类视图包括了用例图、类图、对象图、状态图、序列图、协作图、活动图、组件图和展开图。其中，用例图、类图、对象图、组件图和展开图属于静态图，是从静态方面对系统进行分析和建模的；而状态图、序列图、协作图和活动图则是从动态方面对系统进行分析，模拟系统动态交互情况的。

　　2001年，UML2.0的发布标志着UML技术进一步成熟，也得到了越来越多的硬件和软件厂商的支持，这也使得UML的发展前景更加广阔。面对基于软件工程的UML在软件领域所取得的巨大成就，是否可以把UML引入到嵌入式系统开发中来，用来改变当前嵌入式系统开发效率低下的局面呢？通过研究分析发现，UML应用到嵌入式系统主要存在以下几个方面困难：

①  嵌入式系统包括硬件和软件两部分，不同厂商的硬件千差万别，在某个嵌入式芯片中能正确运行的软件在另外一个嵌入式硬件平台上就不一定能正常运行。
②  嵌入式系统软件平台也千差万别，各自对开发的要求差异较大。
③  大部分嵌入式系统对实时性要求严格。
④  嵌入式平台的软件一般不是采用面向对象语言开发的，主要采用C语言甚至是汇编语言编写。

　　所有以上这些特点，导致在实际的嵌入式系统中UML模型很难被构建。即使构建出模型，其正确性、实时性能也很难得到验证和保证。

　　虽然如此，各国的研究者和开发商为把UML引入到嵌入式系统中都做出了不懈的努力，并取得了一些成果，主要包括：

①  为了使所建立模型的正确性能够得到验证，有人提出采用形式化的方法。例如William和H. C. Cheng使用VHDL作为模型的形式化描述语言，通过分析UML模型中的类图和状态图得到嵌入式系统的VHDL描述，确定系统的结构和行为，并进行模型验证[2]。还有学者使用有限状态自动机与UML相结合来完成系统的分析、设计和验证[3]。
②  对于实时性要求，提供的解决方法主要包括： 使用标准的UML及其构造型概念设计实时系统[4]，以及扩充UML或改造UML以使其满足实时系统的要求[5]。
③  对于语言的问题，主要有以下两种解决方法： 一种是使用面向对象的C++语言开发，如SystemC[6]；另一种是使用可以与C语言结合的UML开发环境，如美国ILogix公司推出的Rhapsody。

　　由以上3种解决方案可知，UML应用在嵌入式系统所产生的可验证性、实时性以及语言的问题，都是可以解决的，因而有可能广泛使用UML来分析、设计与指导嵌入式系统开发，以解决嵌入式系统开发效率低下的问题。

2  一种改进的通用嵌入式系统UML方案

　　由于目前对UML应用在嵌入式系统中的研究往往都是侧重于解决嵌入式系统的某一方面，因而不具有通用性，很难成为嵌入式系统建模的标准。为了解决UML在嵌入式系统中的建模问题，本文提出了一种通用的UML嵌入式系统设计解决方案。

　　为了给嵌入式系统建模必须考虑以下方面：

　　◆ 时间。在序列图中描述时间及其约束信息。
　　◆ 并发性。用活动类来描述并发。活动类的属性（如优先级）可以定义成类的标签值，可通过组件版类﹤﹤Process﹥﹥和﹤﹤Thread﹥﹥将它们映射到实现环境中。
　　◆ 异步通信。UML支持线程间发送异步消息。
　　◆ 同步通信。定义信号量、监视器或关键区的类/版类来描述同步。

　　由此，可以得出嵌入式系统建模的一般过程如下：

①  首先确定系统需求。在此阶段既不考虑哪部分是软件，也不考虑哪部分是硬件，只根据调研和与用户的交流得出系统应具有的功能，并通过角色与用例的关系表现出来，从而得出用例图和系统最终需求。
②  进入系统设计阶段,也就是根据用例图得出的需求来设计类图。这个阶段需要确定哪些功能由硬件完成，哪些功能由软件完成。软件类图的设计与纯软件建模方法基本一样，在此不再赘述。对硬件的处理一般由硬件包装类来实现，硬件包装类提供访问硬件的接口。这些硬件包装类处理到设备的通信和设备产生的中断，通过这样的硬件类可以隐藏低级协议的细节，并且很方便、快速地将低级中断转换为系统中其余部分的高级事件。包装类是属于活动的还是静态的类，主要取决于硬件的属性。
③  如果类图中所描述的软件类或硬件类比较复杂，难以描述清楚，那么可以采用对象图来细化，使之更加具体和明确。
④  对于实时性要求，需要在序列图中进行定义和描述；如果想知道不同对象之间的链接,以及链接对象间如何发送消息，可以建立协作图；通过建立状态图,可以了解到某个对象所能到达的所有状态,以及对象收到的事件对该对象状态的影响等。
⑤  最后,使用组件图和展开图来实现系统的集成与验证。

　　以上过程可以在Rhapsody软件环境下实现，因为该软件可以产生嵌入式系统常用的C语言，更接近通常的嵌入式开发环境。

3  实例分析与讨论

　　这里以一个报警系统为例，说明如何使用UML来设计嵌入式系统。一个报警系统一般由传感器（包括声音传感器、图像传感器和热传感器），报警器（包括声音报警器、电话报警器和光报警器），键盘，LCD显示器，系统处理器，以及用于存储系统配置信息和日志信息的存储器等部件组成。

　　当传感器接收到某个信号，通过模/数转换把信息送到系统处理器中后，系统处理器根据设定的配置信息条件，判断是否需要报警。若需要，则会向报警器发出报警命令。键盘和LCD显示器用于人机对话，可以根据实际需要设定报警条件和方式。

　　该系统的序列图如图1所示。从图1中可以看出，该系统要求从传感器返回信息到发出报警的时间间隔小于3 s。这就是序列图中对嵌入式实时系统时间要求的一个例子。

　　在类图中，把系统处理器设计成活动类，负责处理通过带有LCD 显示的控制面板与用户的交互。通过控制面板，可以配置、激活和关闭系统。所有的配置变化均保存在系统配置信息类中。系统处理器接收传感器的信息，并把它与系统配置信息比较，从而决定是否报警。为了查询和了解报警系统历史信息，系统处理器将所有事件保存在日志中。系统处理器、传感器和报警器的类图的简单关系如图2所示。

图1  报警系统序列图

图2  报警器系统组成的类图

结语

　　为嵌入式系统引入一个通用、完善的UML技术，必将对当前高速发展的嵌入式系统的研究与开发产生积极的影响。而本文所提出的思想和方法，对于摆脱UML技术在嵌入式领域的困境起到了有益的探索和建议作用。

参考文献

[1]  王田苗. 嵌入式系统设计与实例开发——基于ARM微处理器与μC/OSII实时操作系统[M].第2版.  北京：清华大学出版社，2003:530.
[2]  William E McUmber，Betty HC Cheng. UMLBased Analysis of Embedded Systems Using a Mapping to VHDL[J]. IEEE High Assurance Software Engineering，1999(11):5663.
[3]  石柯阳，富民，胡贯荣．基于UML的嵌入式系统模型验证机制的研究[J]．计算机工程与应用，2001,37(23):13111.
[4]  何海，钟毅芳，蔡池兰. 基于UMLRT的复杂嵌入式系统建模方法及其应用[J]. 计算机应用，2005,25(6):14271429.
[5]  Bikander M. Graphical Programming Using UML and SDL[J]. IEEE Computer，2000(12):3035.
[6]  石柯. 基于UML和SystemC的嵌入式系统集成开发的研究[J]. 高技术通讯,2003(11):4447.