基于UML和平臺結合的嵌入式系統的軟硬件設計與實現

張朝鑫

（昭通學院招生就業處，云南昭通 657000）

基于UML和平臺結合的嵌入式系統的軟硬件設計與實現

張朝鑫

（昭通學院招生就業處，云南昭通 657000）

嵌入式系統是一種功能強大的計算機系統，具有專用性強和系統精簡等特點.現如今，嵌入式系統已經被應用到多個領域，并發揮著重要的作用.本文將支持統一建模語言（UML）和平臺結合起來，進行嵌入式系統設計研究，利用UML的擴展特性，構建UML平臺profile，組成實例硬件和軟件平臺，并構建平臺模型，對實例平臺模型的應用進行描述.

支持統一建模語言（UML）；平臺；嵌入式系統；軟硬件設計

引言

利用嵌入式系統，可以完成對各種功能復雜的硬、軟件的設計.為了提高設計效率，降低設計的難度，可以積極的利用支持統一建模語言（UML）和各種平臺，并通過二者的有機結合，構建平臺模型，從而順利實現開發.

1 嵌入式系統

嵌入式系統是一種功能強大，結構復雜的計算機系統，可以實現對具有復雜功能的軟、硬件的設計與開發，并使之實現緊密耦合，以發揮出強大的功能.嵌入式系統的基礎是計算機技術，中心是實際應用，并在諸多方面具有嚴格的要求，包括成本與可靠性以及功能、功耗、體積等.嵌入式系統的整體架構如圖1所示.通過對圖1的分析我們不難發現，嵌入式系統一共包含四個層次，分別為硬件層和中間層以及軟件層和功能層.其中，硬件層包含了具體的嵌入式微處理器，以及各種通用接口等.而中間層則包括各種支持包，軟件層則包括操作系統以及用戶接口等.最終實現各種應用效果的時候，則需要借助功能層的各種應用程序.嵌入式系統包含多方面的內容，例如，嵌入式操作系統(EmbeddedOperationSystem，EOS)是指用于嵌入式系統的操作系統.嵌入式系統一共分為4層，分別為硬件層和驅動層以及操作系統層還有應用層.嵌入式操作系統是一種用途十分廣泛的系統軟件，可以實現對整個系統內各種軟、硬件資源的有效配置和協調.

圖1 嵌入式系統的整體架構

2 UML和平臺結合的嵌入式系統的軟硬件設計

在實現各種功能的時候，嵌入式系統需要利用各種開發工具，并具備一定的開發設計環境.但是，嵌入式系統本身并不具備自主開發的能力，在設計完畢之后，一般情況下，用戶也無法自主修改系統中的某項程序功能.因此，在實際利用和開發的時候，嵌入式系統需要依托一定的開發環境和工具.而統一建模語言UML(Unified Modeling Language)是一種運用面向對象概念來構造系統模型的語言，具有極強的普遍適用性，在國際上得到了工業界和學術界的廣泛支持.將UML應用于嵌入式系統設計之中，可以為實際的設計工作提供較大的便利.聯合依托各種開發平臺，可以使后續設計建立在平臺的模型之上.現在以系統管理控制器(System ManagmentController，SMC)為例，分析UML和平臺結合的嵌入式系統的軟硬件設計相關問題.現如今很多校園中都應用了系統管理控制器(SMC)來對校園的各種活動進行實時的監控和管理.系統管理控制器(SMC)屬于一種嵌入式系統，其硬件芯片為ARM7嵌入式處理器，可以實現對對象的監控.在實際的應用過程中，系統管理控制器(SMC)利用各種傳感器來實現對各方面數據的采集，并利用協議進行數據讀取.然后，對收集得到的數據可靠性進行判斷.按照上文分析提到的嵌入式系統的整體架構，系統管理控制器(SMC)的硬件層用到的嵌入式微處理器為ARM7嵌入式處理器，該處理器具有高效和低消耗的特點，用到的操作系統為eCos (embedded configurable operating system).現在為了實現對某校園的遠程監控，需要構建起嵌入式監控系統平臺UMLprofile.平臺構造過程中，需要用到各種通用平臺建模處理器和設備驅動，并結合實際需要，添加<>構造型和<>構造型.在實現遠程監控的過程中，系統需要通過網絡實現快速交互，需要定義<>構造型，如圖2所示：

圖2 <>構造類圖

在平臺構造關系方面，利用<>來表示<>構造型與外部的關系，以表示對線程的具體操作.整體構造型如圖3所示.

圖3 整體構造關系圖

系統收發命令時的構造關系如圖4所示，且在不同的構件之間存在一定的關系.例如，在構件sender和receiver之間，即存在<>關系.在接收到某一請求命令的時候，根據具體的要求，會向用戶進行數據包返回，即產生數據之間的相關性.例如，如果接收到查詢1號對象狀態的命令，便按照相關要求進行查詢操作，并將相關信息返回到用戶處，這一過程中，便產生了一定的相關性.而操作系統eCos與sender、receiver之間則存在包含關系，即<>.也就是說，這些構件是被包含于系統eCos之中的.而嵌入式微處理器ARM7和操作系統之間則處于耦合狀態.在使用嵌入式微處理器ARM7的時候，需要用到該操作系統.而在操作系統的具體使用過程中，也需要用到嵌入式微處理器ARM7.該耦合關系可以以<>進行表示.而且，在嵌入式系統中，還存在多種不同的耦合關系，嵌入式微處理器ARM7可以選擇使用不同的操作系統，eCos系統也可以選擇不同的處理器.因此，在二者之間存在的是<>，即弱耦合關系.

圖4 構造關系

最終構建起的平臺中，體系結構平臺物理硬件為<>，平臺API以<>進行表示，或者利用<>予以表示.<>表示的則是特定應用編程平臺，所應用的領域也屬于特點范圍之內，可以用來對各種特定事件的發生予以記錄.在具體的校園監控應用過程中，利用UML聯合平臺，構建嵌入式監控系統平臺的profile，面向應機時間.有別于現在常用的控制方式，該系統可以通過對末端和主機同時監測，動態調節的方式，采用先進的控制理論與算法，實現計算機智能控制.在單獨利用2DPCA和PCA方法進行特征提取的時候，將投影軸設定為前n個特征值對應的特征向量.

如果能量達到95%，

則可得：

利用遺傳算法結合2DPCA提取特征，n'=15.

假設最優個體為Am ax，

則可得：

通過實驗和計算可以發現，利用遺傳算法結合2DPCA的人臉識別方法進行遠程監控的時候，可以有效提高識別率，并減少特征空間維數難度，實現快速識別.PCA、2DPCA和2DPCA+GA的對比如表1所示.

表1 PCA、2DPCA和2DPCA+GA的對比

系統還提供開放的標準軟件接口和硬件接口，具有良好的兼容性和開放性，能夠與任何支持OPC 或MODBUS標準協議接口的系統實現集成，達到信息交流與資源共享.設計完成后經實踐應用，通過能源管理平臺可實現校園用能的實時在線分類、分項、分戶監測和計量，自動化節能控制，能耗數據自動采集與存貯、數據統計與分析、數據遠程傳輸、數據顯示和打印、數據顯示發布等，使學校能源管理部門對能源系統進行有效的監控與管理.為校園節能降耗研究、設計與改(建)造提供參考數據，對已實施節能改造的建筑提供節能效果真實數據.

3 結束語

嵌入式系統強大的功能具有較強的實用性，但也對實際的設計工作提出了較高的要求.而利用UML統一建模語言，則可以有效對整個分析過程予以直觀表達，以更好的對設計予以協作.通過分析我們也發現，將UML應用于嵌入式系統設計之中，可以為實際的設計工作提供較大的便利.同時還要積極的依托各種開發平臺，為之后的設計工作提供了平臺模型，從而實現模型驅動式的嵌入式系統開發，顯著的提高設計開發的工作效率.

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1673-260X（2015）04-0018-03