用UML建模開發(fā)嵌入式軟件

引 言

面向?qū)ο箝_發(fā)方法無疑是當(dāng)前最流行的軟件開發(fā)方法。這歸功于面向?qū)ο箝_發(fā)的眾多優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，所開發(fā)的程序更健壯;由于面向?qū)ο缶幊痰目芍赜眯?，可以在?yīng)用程序中大量采用成熟的類庫，從而縮短了開發(fā)時(shí)間;繼承和封裝使得應(yīng)用程序的修改帶來的影響更加局部化，應(yīng)用程序更易于維護(hù)、更新和升級(jí)。另外，UML建模語言和Rosc等CASE工具為面向?qū)ο蟮牧餍幸财鹆撕芴饔?，這些工具允許應(yīng)用規(guī)范的面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)的方法與理論，遠(yuǎn)離糾纏不清的源代碼，使得構(gòu)建和設(shè)計(jì)變得更直觀、更容易理解與修改，從而大大提高開發(fā)效率。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，嵌入式計(jì)算機(jī)在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)。嵌入式軟件的開發(fā)與PC軟件的開發(fā)相比存在一些特別的地方;①嵌入式軟件代碼往往要求高質(zhì)量、高可靠性;②嵌入式軟件要求盡可能短的二進(jìn)制代碼長度和數(shù)據(jù)長度，盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲(chǔ)器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲(chǔ)空間仍然是寶貴的;③嵌入式系統(tǒng)往往存在實(shí)時(shí)性的要求。這些特別要求使得面向?qū)ο箝_發(fā)不太適合嵌入式系統(tǒng)。匯編語言是一種非結(jié)構(gòu)化的語言，對(duì)于大型的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)已經(jīng)完全不能勝任了，而C語言相比其他高級(jí)語言具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，這些原因使得 C語言成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的最佳選擇。

隨著后PC時(shí)代的到來，嵌入式應(yīng)用迅速增長，應(yīng)用的復(fù)雜性也急劇增加，C語言對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法已不能滿足嵌入式軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)的需要。能不能把面向?qū)ο箝_發(fā)與C語言的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來?對(duì)這個(gè)問題，已經(jīng)有人提出過一些方法，主要集中在用C語言來實(shí)現(xiàn)C++的語法，如用結(jié)構(gòu)來模擬類，用函數(shù)指針來表示成員函數(shù)。這些方法使得本來語法就已經(jīng)很復(fù)雜的C語言更加麻煩，同時(shí)沒有了C語言快速、高效的優(yōu)點(diǎn)。這里提出一種新的方法：用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，最后直接用C語言進(jìn)行編碼。

1 應(yīng)用實(shí)例

繞線機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)控制兩個(gè)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，我們使用本文提出的新開發(fā)方法進(jìn)行這個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)采用瑞薩公司H8/300H系列的16位單片機(jī)H8/3062，整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示。單片機(jī)通過I/O口與Flash芯片、控制面板、揚(yáng)聲器以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相連，并通過光電編碼盤檢測(cè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

作為面向?qū)ο蠼５墓I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，UML幾乎被所有面向?qū)ο蟮能浖?xiàng)目所使用。這個(gè)項(xiàng)目也使用UML來建模，用到的CASE工具是Rose。UML提供了5類圖進(jìn)行不同階段的建模：用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖、實(shí)現(xiàn)圖。在開發(fā)過程中，可根據(jù)不同階段的具體要求，選擇不同的圖形來描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型或者動(dòng)態(tài)行為模型。一般過程是：①用UML的用例模型確定目標(biāo)系統(tǒng)的主要功能和行為，以便準(zhǔn)確、完整地識(shí)別系統(tǒng)的需求;②通過對(duì)用例模型的分析，從用例的描述中識(shí)別反映問題域本質(zhì)的類和對(duì)象，并利用UML的類圖以及類之間的關(guān)系揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成;③利用UML動(dòng)態(tài)模型中的順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元素的動(dòng)態(tài)特性和行為。

1.1 需求過程

系統(tǒng)主要運(yùn)行過程：①開機(jī)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)對(duì)原點(diǎn);②修改參數(shù)設(shè)置時(shí)，單片機(jī)把修改值存入Flash;③啟動(dòng)鍵按下時(shí)，直流電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)繞線，單片機(jī)通過光電編碼盤檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，并控制步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)置的參數(shù)排線，繞線完成后自動(dòng)停止;④暫停鍵按下時(shí)，直流電機(jī)停止繞線，步進(jìn)電機(jī)排完已轉(zhuǎn)的舀數(shù)后停止;⑤復(fù)歸鍵按下時(shí)，系統(tǒng)重啟。

系統(tǒng)的參與者只有用戶1個(gè)，通過對(duì)系統(tǒng)需求的分析，可以識(shí)別3個(gè)主要用例：開機(jī)、機(jī)器設(shè)置和繞線控制。通過對(duì)用例的進(jìn)一步分解，得出系統(tǒng)的用例圖，如圖2所示。

1.2 設(shè)計(jì)過程

完成需求分析之后，進(jìn)入設(shè)計(jì)階段。這個(gè)階段中，以需求分析結(jié)果為基礎(chǔ)，找出系統(tǒng)所需要的類和對(duì)象以及其相互關(guān)系。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，面向?qū)ο蟮囊恍└呒?jí)特性不能使用，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建對(duì)象、派生和多態(tài)這樣的特性會(huì)大大降低系統(tǒng)速度并增大代碼空間和數(shù)據(jù)空間，對(duì)瑞薩H8/3062，這款單片機(jī)只有128KB的ROM和4KB的RAM，節(jié)省每一個(gè)字節(jié)都顯得非常重要。

通過對(duì)用例和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，識(shí)別出來的類和關(guān)系如圖3所示。

出于可移植性的考慮，所有類被分成3個(gè)層次：

最頂層是功能邏輯類的抽象，MachineStting為機(jī)器設(shè)置類;Keys為按鍵類，Displayr為顯示類，MotorController為電機(jī)控制器類。這些邏輯上的類與硬件無關(guān)，便于以后硬件修改，同時(shí)使得開發(fā)繞線機(jī)的不同版本變得非常容易，如從平繞機(jī)到開發(fā)環(huán)行機(jī)，從二軸繞線機(jī)到開發(fā)三軸繞線機(jī)。

中間層是外圍硬件類的抽象，F(xiàn)lash為Flash存儲(chǔ)類，用于存儲(chǔ)設(shè)置的參數(shù);Speaker為揚(yáng)聲器類;Panel為面板類;DCMoto/為直流電機(jī)類;StepMotor為步進(jìn)電機(jī)類。

最底層是單片機(jī)及其內(nèi)部功能模塊類的抽象，H8/3062為單片機(jī)類，用于封裝輸入/輸出口;Timer_KeyShake為按鍵防抖定時(shí)器;Timer_DCMotor為直流電機(jī)PWM脈沖產(chǎn)生定時(shí)器;Timer_DCCapture為直流電機(jī)圈數(shù)捕獲定時(shí)器;Timer_StepMotor為步進(jìn)電機(jī)PWM脈沖產(chǎn)生定時(shí)器。分這一層可以使得變換單片機(jī)類型非常容易，瑞薩H8/300H系列單片機(jī)在國內(nèi)應(yīng)用非常罕見，之所以選用這款是為了與國外產(chǎn)品的競(jìng)爭，這樣可以更快、更好地打開國際銷路，但在選擇這款單片機(jī)的同時(shí)已經(jīng)做好了移植到ARM內(nèi)核單片機(jī)的準(zhǔn)備。

為了理解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，還應(yīng)該用順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行描述。狀態(tài)圖對(duì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤其重要，這里用其對(duì)MotorController的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行描述，如圖4所示。

可以用時(shí)序圖等對(duì)用例進(jìn)行進(jìn)一步的分析，“啟動(dòng)”按鍵按下后處理的時(shí)序圖如圖5所示。

建模過程不是一個(gè)直線過程。它往往是一個(gè)演化、迭代的過程，不斷地分析、評(píng)價(jià)、修改、再分析，才可能得到一個(gè)高質(zhì)量的模型，為高質(zhì)量的軟件打下基礎(chǔ)。

1.3 編碼過程

Rose具有自動(dòng)生成C++框架代碼的功能。在Rose菜單中選擇Tools→ANSI C++→Generate Code，可以生成C++的框架代碼。

要用C編碼，需要把C++代碼稍作修改變成C代碼。由于沒有動(dòng)態(tài)創(chuàng)建實(shí)體，所有的對(duì)象都是靜態(tài)的。這使得修改工作極其簡單——把“：：”改成“_”即可。修改后的“_”前面的部分可以看成是對(duì)象名，后面的部分看成是成員函數(shù)名，源文件的修改如圖6所示。

頭文件也需要做相應(yīng)的修改，對(duì)變量的定義需要放到源文件里面，如圖7所示。

代碼修改完成后，剩下的就是C語言的編碼過程了。編碼時(shí)，當(dāng)調(diào)用對(duì)象成員時(shí)，“.”操作符用“_”代替，則剛好對(duì)應(yīng)上修改后的變量和函數(shù)。

2 進(jìn)一步優(yōu)化程序的方法

為了進(jìn)一步提高程序的速度，還應(yīng)對(duì)程序進(jìn)行專門的優(yōu)化，例如中斷處理程序里面一兩條指令引起的差異就非常明顯。下面介紹幾種優(yōu)化辦法。

① 把成員函數(shù)定義成宏函數(shù)。由于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)隱藏的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的操作需要以函數(shù)的形式提供，使得數(shù)據(jù)的操作效率變低。C++編程時(shí)，類的成員函數(shù)不能修改成宏，改為C函數(shù)后，就可以修改了;但這種優(yōu)化最好在調(diào)試結(jié)束后進(jìn)行，因?yàn)楹旰瘮?shù)不方便錯(cuò)誤定位。修改方法如圖8所示。

②把成員函數(shù)定義成內(nèi)聯(lián)函數(shù)，如圖9所示。

③程序中使用查表。對(duì)一些很消耗時(shí)間資源的非常復(fù)雜的運(yùn)算，可以使用查表的方式。在步進(jìn)電機(jī)的加減速控制中，加減速曲線一般采用指數(shù)曲線或者S曲線，運(yùn)算量較大?？梢允孪劝亚€對(duì)應(yīng)的定時(shí)器上界寄存器的值離線計(jì)算出來，并片j數(shù)組保存起來，需要時(shí)直接讀數(shù)組即可。這種方法通過犧牲空問來換取時(shí)間，但是犧牲的是相對(duì)寬余的ROM空間，還是比較劃算的。

結(jié)語

繞線機(jī)項(xiàng)目獲得了很好的效果，達(dá)到了系統(tǒng)的性能要求。測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤相比以前類似項(xiàng)目大大減少。更讓人興奮的是，測(cè)試中沒有發(fā)現(xiàn)任何大的軟件結(jié)構(gòu)上的錯(cuò)誤。這歸功于Rose的前期可視化建模功能。編碼之前可以很清楚地掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，這是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用結(jié)果表明，這種開發(fā)方法是很實(shí)用的，可以優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)、縮短開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)又不降低程序的效率;但這種方法的應(yīng)用是有局限性的，對(duì)效率與空間要求不高的嵌入式系統(tǒng)，完全可以直接用C++編程，因此這種方法只適合于空間緊張、實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)。