UML建模在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

摘 要： 以某實際項目開發(fā)為例，通過采用在嵌入式操作系統(tǒng)中基于模型設(shè)計的程序開發(fā)方式，實現(xiàn)了在VxWorks系統(tǒng)下使用UML建模的方式進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。具體包括使用UML進(jìn)行項目需求分析、系統(tǒng)建模、開發(fā)環(huán)境配置、系統(tǒng)具體設(shè)計和程序調(diào)試等內(nèi)容。目前這種自頂向下的迭代式開發(fā)模式已成功應(yīng)用于多個項目中，可提高程序開發(fā)效率、縮短項目的開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞： 系統(tǒng)建模； UML； Rhapsody； VxWorks

中圖分類號： TN919?34； TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0041?04

0 引 言

VxWorks操作系統(tǒng)[1]作為高性能嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有進(jìn)程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等多種功能，并可以實現(xiàn)實時多任務(wù)調(diào)度、多中斷管理、實時的系統(tǒng)資源分配以及實時的任務(wù)間通信。在開發(fā)基于VxWorks系統(tǒng)的應(yīng)用程序時如果僅僅依靠程序員進(jìn)行傳統(tǒng)的代碼編程調(diào)試，則很難發(fā)揮出其的強(qiáng)大功能進(jìn)而設(shè)計出可靠、高效的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，因此必須要有與之相配套的開發(fā)工具。

UML（統(tǒng)一建模語言）是構(gòu)建系統(tǒng)模型尤其是軟件系統(tǒng)模型的標(biāo)準(zhǔn)方法[2]。使用它進(jìn)行系統(tǒng)建模，可以使用戶專注于系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，收集關(guān)鍵信息，編制文檔以便在各個系統(tǒng)組成部分之間建立通信。Rhapsody是一種遵循UML 2.0標(biāo)準(zhǔn)的基于模型驅(qū)動的（Model?Driven Development，MDD）軟件開發(fā)平臺[3]，其專門針對嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了基于UML2.0的可視化建模。為開發(fā)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供了從軟件分析、設(shè)計一直到代碼實現(xiàn)和測試的開發(fā)環(huán)境。

1 系統(tǒng)建模

1.1 項目需求分析

以某項目開發(fā)為例，該項目是根據(jù)某裝備的實際操作流程建立一個模擬的訓(xùn)練環(huán)境。包括信息顯控和信息處理兩個子系統(tǒng)，其中信息顯控子系統(tǒng)主要由主界面、參數(shù)裝定、故障診斷以及模擬訓(xùn)練界面的顯示操作處理等4個部分組成；信息處理子系統(tǒng)則包括CAN總線（CAN1，CAN2）數(shù)據(jù)、串口 （COM1，COM2）數(shù)據(jù)、同步信號數(shù)據(jù)的采集處理，以及模擬數(shù)據(jù)源的產(chǎn)生。整個項目的功能需求分析使用基于UML的用例圖（User Case Diagrams）描述如圖1所示[4]。

1.2 系統(tǒng)建模

根據(jù)項目的功能需求分析[5]，將系統(tǒng)從頂層劃分為三個對象模塊，如圖2所示，分別為界面顯示與人機(jī)交互操控處理模塊（itsGUIPro）、底層通信處理模塊（itsHWPro）和GUI與底層的接口對象模塊（itsIface），其各自的對象組成模型如圖3～圖5所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)運(yùn)行于基于X86架構(gòu)的硬件體系中，系統(tǒng)程序的開發(fā)采用上位機(jī)?目標(biāo)機(jī)（Host?Target）交叉開發(fā)模式[6]。在上位機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，通過局域網(wǎng)將應(yīng)用程序下載到運(yùn)行Vxworks操作系統(tǒng)的目標(biāo)機(jī)中進(jìn)行在線調(diào)試。系統(tǒng)開發(fā)模式如圖6所示。

運(yùn)行于上位機(jī)中的開發(fā)環(huán)境為Tornado 2.2和Rhapsody 6.1。具體為：在Tornado 2.2中完成對運(yùn)行于目標(biāo)機(jī)上的VxWorks操作系統(tǒng)組件的裁剪配置及編譯生成映像文件；Rhapsody 6.1則進(jìn)行系統(tǒng)建模和軟件設(shè)計實現(xiàn)。項目采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法替代了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，共由8個任務(wù)組成，并按優(yōu)先級從高到低的順序排列。

2.1 嵌入式系統(tǒng)生成

根據(jù)項目使用的X86架構(gòu)平臺制作基于PentiumIII CPU的 BSP包；在Tornado 2.2中創(chuàng)建基于該BSP包的bootable工程，并根據(jù)項目實際需要裁剪了VxWorks操作系統(tǒng)包含的組件，最終編譯生成了Bootrom文件和VxWorks映像文件，并通過局域網(wǎng)下載到目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行在線調(diào)試，VxWorks操作系統(tǒng)可正常初始化啟動且圖形模式下測試程序運(yùn)行正常。

2.2 應(yīng)用程序開發(fā)

2.2.1 Rhapsody 6.1環(huán)境配置

首先在Rhapsody 6.1中新建工程，雙擊工程瀏覽窗口的DefaultConfig，彈出Configuration對話框，單擊Propertys選項卡，將CPP_CG＼Configuration＼Envirenment選項修改為VxWorks，CPP_CG＼VxWorks＼BSP選項修改為PENTIUM3；單擊Settings選項卡，添加工程庫文件和頭文件目錄，具體如圖7所示。

2.2.2 建立狀態(tài)圖

接下來依據(jù)1.2節(jié)中系統(tǒng)的建模結(jié)果，對模型中各對象的基類屬性和操作進(jìn)行具體實現(xiàn)。在實現(xiàn)各對象功能的基類中采用了事件觸發(fā)有限狀態(tài)機(jī)之間自動進(jìn)行轉(zhuǎn)移來管理對象生命周期中的所有活動，這樣各對象之間以及對象內(nèi)部之間的動態(tài)交互流程更為清晰，增強(qiáng)了程序的可讀性[7]。頂層設(shè)計中對象模塊itsGUIPro和itsHWPro的功能實現(xiàn)狀態(tài)圖如圖8，圖9所示，接口模塊itsIface對象中的屬性和操作僅供對象itsGUIPro和itsHWPro在各自的功能實現(xiàn)中調(diào)用，故沒有獨(dú)立的狀態(tài)圖。

2.2.3 程序?qū)崿F(xiàn)

限于篇幅，僅就對itsHWPro對象從創(chuàng)建到銷毀整個生命周期的關(guān)鍵代碼進(jìn)行說明。

cl_HWPro * cl_HWPro_Create（RiCTask * p_task） //itsHWPro對象的創(chuàng)建

{

cl_HWPro* me = （cl_HWPro *） malloc（sizeof（cl_HWPro））；//為對象動態(tài)分配內(nèi)存

if（me！=NULL）

{

cl_HWPro_Init（me， p_task）； //itsHWPro對象初始化

}

DYNAMICALLY_ALLOCATED（me）；//指定對象可動態(tài)調(diào)用

return me；

}

void cl_HWPro_Init（cl_HWPro* const me， RiCTask * p_task） //itsHWPro對象初始化

{

RiCTask_Init（（me?>ric_task）， \"tHW\"， 50， RiCOSDefaultStackSize， RiCOSDefaultMessageQueueSize， RiCFALSE， NULL）； //開始一個名為“tHW”的任務(wù)

/*變量初始化*/

me?>can2sendflag = FALSE；

…

RiCReactive_setActive（（me?>ric_reactive）， RiCTRUE）； //激活對象狀態(tài)圖

initRelations（me）；

// itsHWPro對象的內(nèi)部對象調(diào)用關(guān)系初始化

initStatechart（me）；

//itsHWPro對象的活動狀態(tài)圖初始化

…

}

void cl_HWPro_ProCAN2Send（cl_HWPro* const me）/* itsHWPro對象狀態(tài)圖中狀態(tài)can2sendpro中調(diào)用函數(shù)*/

{

int index=?1，icount=0；

index=cl_ProStack_StackPop（me?>itsInterface_SI?>itsCANevStk[2]）； //彈出發(fā)送事件索

//引號

if（index！=?1） //索引號有效

{

memcpy（me?>itsCANPro.AllMsgSendtoCan，me?>itsInterface_SI?>AllSendData，

sizeof（UnAllCanData））； //從數(shù)據(jù)接口中取需發(fā)送數(shù)據(jù)

}

while（index！=?1）

{

if（cl_CANPro_CAN2WrtMsgPro（me?>itsCANPro，

me?>itsInterface_SI?>CAN2SendEv[index]））；// 處理發(fā)送數(shù)據(jù)

...

index=cl_ProStack_StackPop（me?> itsInterface_SI?>itsCANevStk[2]）； //彈出發(fā)送

//事件索引號

}

cl_CAN_CAN2Write（me?>itsCAN）；

//將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線

}

void cl_HWPro_Destroy（cl_HWPro* const me）

// itsHWPro對象的銷毀

{

if（me！=NULL）

{

cl_HWPro_Cleanup（me）； //結(jié)束狀態(tài)圖活動并釋放其占用內(nèi)存

}

free（me）； //釋放對象內(nèi)存

}

…

2.2.4 系統(tǒng)調(diào)試

Rhapsody 6.1中通過創(chuàng)建生成順序圖來捕捉對象之間的消息映射從而進(jìn)行系統(tǒng)模型級的調(diào)試和驗證。以在Rhapsody 6.1中實現(xiàn)itsHWPro對象功能程序的調(diào)試為例，調(diào)試運(yùn)行時得到的順序圖片段如圖10所示。通過這種直觀地方式能夠盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的設(shè)計錯誤或缺陷，從而在很大程度上降低了項目風(fēng)險。

3 結(jié) 語

通過在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中使用UML對系統(tǒng)進(jìn)行功能需求分析，建立迭代式模型，進(jìn)而最終根據(jù)模型進(jìn)行了代碼實現(xiàn)。經(jīng)項目開發(fā)實踐證明，這種面向?qū)ο蟮拈_發(fā)模式可有效提高軟件重用率，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，加快項目的研發(fā)速度，代表了軟件開發(fā)自動化的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 王金剛，宮霄霖.基于VxWorks的嵌入式實時系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2] [美]SCHMULLER Joseph. UML基礎(chǔ)、案例與應(yīng)用[M].李虎，趙龍剛，譯.北京：人民郵電出版社，2006.

[3] 孫強(qiáng)，張振華.使用Rhapsody軟件框架和UML的實時系統(tǒng)開發(fā)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（2）：63?65.

[4] [美]BOOCH Grady. UML用戶指南[M].邵維忠，譯.2版.北京：人民郵電出版社，2006.

[5] [美]LARMAN Craig.UML和模式應(yīng)用[M].姚淑珍，李虎，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[6] 孔祥營，柏桂枝.嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado[M].北京：中國電力出版社，2002.

[7] [美]BRUEGGE Bernd，[美]DUTOIT AllenH.面向?qū)ο蟮能浖こ蘙M].吳丹，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2002.