一種改進(jìn)型UML在嵌入式系統中的應用

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，當前的信息社會(huì )已從當初傳統的個(gè)人計算機時(shí)代進(jìn)入了后PC時(shí)代；而后PC時(shí)代的主要特征就是以嵌入式系統的廣泛應用與發(fā)展為標志的。

　　關(guān)于嵌入式系統的定義雖然有很多種，不過(guò)國內普遍認可的定義是[1]： 以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適合應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗要求的專(zhuān)用計算機系統。

　　嵌入式系統主要是使用微型的芯片及其固化的軟件，嵌入在其他系統中，以達到對其他系統進(jìn)行智能化或信息化實(shí)時(shí)控制等目的。

　　當前，嵌入式系統已在工業(yè)控制、航空航天、國防以及信息家電等領(lǐng)域得到廣泛的應用，并發(fā)揮了重要作用，而且越來(lái)越多的領(lǐng)域都迫切需要嵌入式系統的支持。然 而，由于嵌入式系統的硬件、軟件、應用環(huán)境的千差萬(wàn)別，因此當前有限的嵌入式技術(shù)人員的時(shí)間和精力主要花在熟悉不同的硬件、軟件及其代碼的開(kāi)發(fā)上。這樣不 但造成嵌入式系統開(kāi)發(fā)的效率和質(zhì)量得不到保證，而且也嚴重束縛了嵌入式技術(shù)人員進(jìn)行更高層次的研究與開(kāi)發(fā)。這些都成為日益復雜的嵌入式系統迅速發(fā)展的瓶頸。

　　1、UML引入到嵌入式系統中的可行性

　　20世紀六七十年代，軟件產(chǎn)業(yè)遇到了危機。其原因就是軟件越來(lái)越龐大和復雜，而軟件的質(zhì)量和生產(chǎn)率卻越來(lái)越低。由此促進(jìn)了軟件工程的誕生，使得軟件開(kāi)發(fā)的 規范化和效率都得到了很大提高。在20世紀90年代，隨著(zhù)面向對象技術(shù)的發(fā)展，軟件工程向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，其突出的標志就是UML標準的出現與發(fā)展。隨后，很多軟硬件廠(chǎng)商相繼開(kāi)發(fā)出了許多基于UML標準的CASE工具。從此開(kāi)發(fā)軟件可以借助UML的CASE工具來(lái)完成從軟件的分析、設計、實(shí)現到測 試的一系列軟件工程過(guò)程，大大提高了軟件開(kāi)發(fā)的復用性和效率，降低了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的返工率。

　　UML突出的特點(diǎn)就是以面向對象的觀(guān)點(diǎn)來(lái)分析和設計所開(kāi)發(fā)的系統，它把系統的每個(gè)功能都作為一個(gè)模塊（以“類(lèi)”來(lái)表示）。在UML中，使用用例視圖、邏輯 視圖、組件視圖、并發(fā)視圖和展開(kāi)視圖來(lái)分別對軟件實(shí)現需求分析、設計、實(shí)現、集成和測試等過(guò)程；并且每個(gè)視圖都包括一系列的圖來(lái)具體實(shí)現，上面的5類(lèi)視圖 包括了用例圖、類(lèi)圖、對象圖、狀態(tài)圖、序列圖、協(xié)作圖、活動(dòng)圖、組件圖和展開(kāi)圖。其中，用例圖、類(lèi)圖、對象圖、組件圖和展開(kāi)圖屬于靜態(tài)圖，是從靜態(tài)方面對 系統進(jìn)行分析和建模的；而狀態(tài)圖、序列圖、協(xié)作圖和活動(dòng)圖則是從動(dòng)態(tài)方面對系統進(jìn)行分析，模擬系統動(dòng)態(tài)交互情況的。

　　2001年，UML2.0的發(fā)布標志著(zhù)UML技術(shù)進(jìn)一步成熟，也得到了越來(lái)越多的硬件和軟件廠(chǎng)商的支持，這也使得UML的發(fā)展前景更加廣闊。面對基于軟件 工程的UML在軟件領(lǐng)域所取得的巨大成就，是否可以把UML引入到嵌入式系統開(kāi)發(fā)中來(lái)，用來(lái)改變當前嵌入式系統開(kāi)發(fā)效率低下的局面呢？通過(guò)研究分析發(fā)現， UML應用到嵌入式系統主要存在以下幾個(gè)方面困難：

　?、?嵌入式系統包括硬件和軟件兩部分，不同廠(chǎng)商的硬件千差萬(wàn)別，在某個(gè)嵌入式芯片中能正確運行的軟件在另外一個(gè)嵌入式硬件平臺上就不一定能正常運行。

　?、?嵌入式系統軟件平臺也千差萬(wàn)別，各自對開(kāi)發(fā)的要求差異較大。

　?、?大部分嵌入式系統對實(shí)時(shí)性要求嚴格。

　?、?嵌入式平臺的軟件一般不是采用面向對象語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，主要采用C語(yǔ)言甚至是匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。

　　所有以上這些特點(diǎn)，導致在實(shí)際的嵌入式系統中UML模型很難被構建。即使構建出模型，其正確性、實(shí)時(shí)性能也很難得到驗證和保證。

　　雖然如此，各國的研究者和開(kāi)發(fā)商為把UML引入到嵌入式系統中都做出了不懈的努力，并取得了一些成果，主要包括：

　?、?為了使所建立模型的正確性能夠得到驗證，有人提出采用形式化的方法。例如William和H. C. Cheng使用VHDL作為模型的形式化描述語(yǔ)言，通過(guò)分析UML模型中的類(lèi)圖和狀態(tài)圖得到嵌入式系統的VHDL描述，確定系統的結構和行為，并進(jìn)行模型 驗證[2]。還有學(xué)者使用有限狀態(tài)自動(dòng)機與UML相結合來(lái)完成系統的分析、設計和驗證[3]。

　?、?對于實(shí)時(shí)性要求，提供的解決方法主要包括： 使用標準的UML及其構造型概念設計實(shí)時(shí)系統[4]，以及擴充UML或改造UML以使其滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統的要求[5]。

　?、?對于語(yǔ)言的問(wèn)題，主要有以下兩種解決方法： 一種是使用面向對象的C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，如SystemC[6]；另一種是使用可以與C語(yǔ)言結合的UML開(kāi)發(fā)環(huán)境，如美國ILogix公司推出的Rhapsody。

　　由以上3種解決方案可知，UML應用在嵌入式系統所產(chǎn)生的可驗證性、實(shí)時(shí)性以及語(yǔ)言的問(wèn)題，都是可以解決的，因而有可能廣泛使用UML來(lái)分析、設計與指導嵌入式系統開(kāi)發(fā)，以解決嵌入式系統開(kāi)發(fā)效率低下的問(wèn)題。

　　2、一種改進(jìn)的通用嵌入式系統UML方案

　　由于目前對UML應用在嵌入式系統中的研究往往都是側重于解決嵌入式系統的某一方面，因而不具有通用性，很難成為嵌入式系統建模的標準。為了解決UML在嵌入式系統中的建模問(wèn)題，本文提出了一種通用的UML嵌入式系統設計解決方案。