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：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。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，嵌入式計算機(jī)在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計算機(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、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲空間仍然是寶貴的；③嵌入式系統(tǒng)往往存在實時性的要求。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，對于大型的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計已經(jīng)完全不能勝任了，而C語言相比其他高級語言具有明顯的性能優(yōu)勢，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語言對應(yīng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法已不能滿足嵌入式軟件設(shè)計和開發(fā)的需要。能不能把面向?qū)ο箝_發(fā)與C語言的優(yōu)點結(jié)合起來?對這個問題，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，同時沒有了C語言快速、高效的優(yōu)點。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，最后直接用C語言進(jìn)行編碼。

1 應(yīng)用實例
繞線機(jī)控制系統(tǒng)是一個控制兩個電機(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、揚聲器以及電機(jī)驅(qū)動電路相連，并通過光電編碼盤檢測直流電機(jī)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。

作為面向?qū)ο?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/建模">建模的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，UML幾乎被所有面向?qū)ο蟮能浖椖克褂?。這個項目也使用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、完整地識別系統(tǒng)的需求；②通過對用例模型的分析，從用例的描述中識別反映問題域本質(zhì)的類和對象，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動態(tài)模型中的順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動圖描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元素的動態(tài)特性和行為。

1．1 需求過程
系統(tǒng)主要運行過程：①開機(jī)時，步進(jìn)電機(jī)自動對原點；②修改參數(shù)設(shè)置時，單片機(jī)把修改值存入Flash；③啟動鍵按下時，直流電機(jī)開始轉(zhuǎn)動繞線，單片機(jī)通過光電編碼盤檢測轉(zhuǎn)動圈數(shù)，并控制步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)置的參數(shù)排線，繞線完成后自動停止；④暫停鍵按下時，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，系統(tǒng)重啟。

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

1．2 設(shè)計過程
完成需求分析之后，進(jìn)入設(shè)計階段。這個階段中，以需求分析結(jié)果為基礎(chǔ)，找出系統(tǒng)所需要的類和對象以及其相互關(guān)系。針對嵌入式系統(tǒng)的特點，面向?qū)ο蟮囊恍└呒壧匦圆荒苁褂?，動態(tài)創(chuàng)建對象、派生和多態(tài)這樣的特性會大大降低系統(tǒng)速度并增大代碼空間和數(shù)據(jù)空間，對瑞薩H8／3062，這款單片機(jī)只有128KB的ROM和4KB的RAM，節(jié)省每一個字節(jié)都顯得非常重要。

通過對用例和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，識別出來的類和關(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存儲類，用于存儲設(shè)置的參數(shù)；Speaker為揚聲器類；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為按鍵防抖定時器；Timer_DCMotor為直流電機(jī)PWM脈沖產(chǎn)生定時器；Timer_DCCapture為直流電機(jī)圈數(shù)捕獲定時器；Timer_StepMotor為步進(jìn)電機(jī)PWM脈沖產(chǎn)生定時器。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)的動態(tài)行為，還應(yīng)該用順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動圖對系統(tǒng)動態(tài)行為進(jìn)行描述。狀態(tài)圖對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計尤其重要，這里用其對MotorController的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行描述，如圖4所示。

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

建模過程不是一個直線過程。它往往是一個演化、迭代的過程，不斷地分析、評價、修改、再分析，才可能得到一個高質(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。由于沒有動態(tài)創(chuàng)建實體，所有的對象都是靜態(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，當(dāng)調(diào)用對象成員時，“．”操作符用“_”代替，則剛好對應(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，對數(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，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，因為宏函數(shù)不方便錯誤定位。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。對一些很消耗時間資源的非常復(fù)雜的運算，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，運算量較大?？梢允孪劝亚€對應(yīng)的定時器上界寄存器的值離線計算出來，并片j數(shù)組保存起來，需要時直接讀數(shù)組即可。這種方法通過犧牲空問來換取時間，但是犧牲的是相對寬余的ROM空間，還是比較劃算的。

結(jié)語
繞線機(jī)項目獲得了很好的效果，達(dá)到了系統(tǒng)的性能要求。測試時，發(fā)現(xiàn)的錯誤相比以前類似項目大大減少。更讓人興奮的是，測試中沒有發(fā)現(xiàn)任何大的軟件結(jié)構(gòu)上的錯誤。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)計相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。

應(yīng)用結(jié)果表明，這種開發(fā)方法是很實用的，可以優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)、縮短開發(fā)周期，實現(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、實時性要求比較高的系統(tǒng)。