一種改進(jìn)型UML在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)前的信息社會已從當(dāng)初傳統(tǒng)的個人計(jì)算機(jī)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(tǒng)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展為標(biāo)志的。

　　關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義雖然有很多種，不過國內(nèi)普遍認(rèn)可的定義是[1]： 以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適合應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

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

　　當(dāng)前，嵌入式系統(tǒng)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(yīng)用，并發(fā)揮了重要作用，而且越來越多的領(lǐng)域都迫切需要嵌入式系統(tǒng)的支持。然 而，由于嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件、應(yīng)用環(huán)境的千差萬別，因此當(dāng)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、軟件及其代碼的開發(fā)上。這樣不 但造成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率和質(zhì)量得不到保證，而且也嚴(yán)重束縛了嵌入式技術(shù)人員進(jìn)行更高層次的研究與開發(fā)。這些都成為日益復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)迅速發(fā)展的瓶頸。

　　1、UML引入到嵌入式系統(tǒng)中的可行性

　　20世紀(jì)六七十年代，軟件產(chǎn)業(yè)遇到了危機(jī)。其原因就是軟件越來越龐大和復(fù)雜，而軟件的質(zhì)量和生產(chǎn)率卻越來越低。由此促進(jìn)了軟件工程的誕生，使得軟件開發(fā)的 規(guī)范化和效率都得到了很大提高。在20世紀(jì)90年代，隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展，軟件工程向自動化、智能化方向發(fā)展，其突出的標(biāo)志就是UML標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)與發(fā)展。隨后，很多軟硬件廠商相繼開發(fā)出了許多基于UML標(biāo)準(zhǔn)的CASE工具。從此開發(fā)軟件可以借助UML的CASE工具來完成從軟件的分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到測 試的一系列軟件工程過程，大大提高了軟件開發(fā)的復(fù)用性和效率，降低了軟件開發(fā)過程中的返工率。

　　UML突出的特點(diǎn)就是以面向?qū)ο蟮挠^點(diǎn)來分析和設(shè)計(jì)所開發(fā)的系統(tǒng)，它把系統(tǒng)的每個功能都作為一個模塊（以“類”來表示）。在UML中，使用用例視圖、邏輯 視圖、組件視圖、并發(fā)視圖和展開視圖來分別對軟件實(shí)現(xiàn)需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、集成和測試等過程；并且每個視圖都包括一系列的圖來具體實(shí)現(xiàn)，上面的5類視圖 包括了用例圖、類圖、對象圖、狀態(tài)圖、序列圖、協(xié)作圖、活動圖、組件圖和展開圖。其中，用例圖、類圖、對象圖、組件圖和展開圖屬于靜態(tài)圖，是從靜態(tài)方面對 系統(tǒng)進(jìn)行分析和建模的；而狀態(tài)圖、序列圖、協(xié)作圖和活動圖則是從動態(tài)方面對系統(tǒng)進(jìn)行分析，模擬系統(tǒng)動態(tài)交互情況的。

　　2001年，UML2.0的發(fā)布標(biāo)志著UML技術(shù)進(jìn)一步成熟，也得到了越來越多的硬件和軟件廠商的支持，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(tǒng)開發(fā)中來，用來改變當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)效率低下的局面呢？通過研究分析發(fā)現(xiàn)， UML應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)主要存在以下幾個方面困難：

　?、?嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，不同廠商的硬件千差萬別，在某個嵌入式芯片中能正確運(yùn)行的軟件在另外一個嵌入式硬件平臺上就不一定能正常運(yùn)行。

　?、?嵌入式系統(tǒng)軟件平臺也千差萬別，各自對開發(fā)的要求差異較大。

　　③ 大部分嵌入式系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格。

　　④ 嵌入式平臺的軟件一般不是采用面向?qū)ο笳Z言開發(fā)的，主要采用C語言甚至是匯編語言編寫。

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

　　雖然如此，各國的研究者和開發(fā)商為把UML引入到嵌入式系統(tǒng)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(yàn)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言，通過分析UML模型中的類圖和狀態(tài)圖得到嵌入式系統(tǒng)的VHDL描述，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為，并進(jìn)行模型 驗(yàn)證[2]。還有學(xué)者使用有限狀態(tài)自動機(jī)與UML相結(jié)合來完成系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[3]。

　　② 對于實(shí)時(shí)性要求，提供的解決方法主要包括： 使用標(biāo)準(zhǔn)的UML及其構(gòu)造型概念設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)[4]，以及擴(kuò)充UML或改造UML以使其滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求[5]。

　　③ 對于語言的問題，主要有以下兩種解決方法： 一種是使用面向?qū)ο蟮腃++語言開發(fā)，如SystemC[6]；另一種是使用可以與C語言結(jié)合的UML開發(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(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)所產(chǎn)生的可驗(yàn)證性、實(shí)時(shí)性以及語言的問題，都是可以解決的，因而有可能廣泛使用UML來分析、設(shè)計(jì)與指導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，以解決嵌入式系統(tǒng)開發(fā)效率低下的問題。

　　2、一種改進(jìn)的通用嵌入式系統(tǒng)UML方案

　　由于目前對UML應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的研究往往都是側(cè)重于解決嵌入式系統(tǒng)的某一方面，因而不具有通用性，很難成為嵌入式系統(tǒng)建模的標(biāo)準(zhǔn)。為了解決UML在嵌入式系統(tǒng)中的建模問題，本文提出了一種通用的UML嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案。