嵌入式系統(tǒng)設計是一個軟、硬件結合的協(xié)同設計（Hardware/Software Co-design），需要不同技術背景的人共同開發(fā)。這就帶來了一個問題，如何使這些具有不同技術背景和專長的人聯(lián)合開發(fā)、協(xié)同設計。在軟、硬件設計領域中，統(tǒng)一建模語言UML（Unified Modling Language）采用一種簡單而直觀的圖形化方式描述系統(tǒng)設計中的各個問題和細節(jié)。不同技術背景的設計師只需懂得簡單的 UML 符號就可以輕易地與對方交流、共同設計。正是因為這些特點，在嵌入式系統(tǒng)設計中使用 UML 建模并書寫文檔通常可以起到事半功倍的效果。

　　本文將重點討論如何在嵌入式系統(tǒng)設計中使用 UML 技術，并用車載 GPS 終端項目作為實例來具體演示采用 UML 的嵌入式系統(tǒng)設計過程。

　　1 統(tǒng)一建模語言 UML 及其特點

　　1.1統(tǒng)一建模語言 UML

　　統(tǒng)一建模語言 UML 是可視化建模語言中的一種。它將模型中的信息用標準圖形元素直觀地顯示，使用戶、開發(fā)人員、測試人員、管理人員和其他涉及項目的人員可以更好地交流。最常用的可視建模語言有 Booch 法、對象建模技術（OMT）和統(tǒng)一建模語言 UML。其中 UML 是 ANSI 和 OMG 所采用的標準，被世界上絕大多數(shù)公司所接受。

　　UML 是 Grady Booch、James Rumbaugh 和 Ivar Jacobson 等許多科學家的集體智慧結晶?？梢詫θ魏戊o態(tài)結構和動態(tài)行為進行系統(tǒng)的建模，適用于系統(tǒng)開發(fā)的不同階段。采用UML進行設計具有以下優(yōu)勢：

　　不同背景的開發(fā)人員和設計師可以互相交流；

　　可視化描述比較直觀；

　　簡單易學、易用；

　　是行業(yè)標準，被絕大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認同；

　　有利于保存系統(tǒng)設計的精髓以供下次開發(fā)使用（而不僅僅是一堆電路圖和代碼）；

　　有利于項目的回溯、測試。

　　1.2 UML 框圖

　　作為一種可視化建模語言，UML 中的所有語素是一個個框圖。設計人員就是用這一個個框圖描述整個系統(tǒng)的設計。UML 模型的框圖主要有以下幾種：

　　Business Use Case框圖和Use Case框圖，前者主要描述整個機構的功能，后者主要從用戶的角度描述系統(tǒng)的功能。所以后者通常用于與系統(tǒng)客戶交流，提取用戶的需求。

　　Class 框圖，這一種是靜態(tài)圖，描述系統(tǒng)中的類。在此框圖中可以體現(xiàn)類的主要內(nèi)容和功能、類之間的結構和相互關系。

　　State Chart 框圖提供了建模對象的各種狀態(tài)及它們之間的轉換關系。它提供建模系統(tǒng)的動態(tài)功能。這些框圖廣泛用于建立實際的系統(tǒng)，將會生成系統(tǒng)的全部代碼。

　　Activity 框圖與 State Chart 框圖同樣描述系統(tǒng)的動態(tài)功能，但它著重于顯示系統(tǒng)的功能流，顯示 Use Case 框圖中某個案例（Case）的事件流。它定義了工作流從何時開始、哪里開始、按什么順序發(fā)生、最終在哪結束。

　　Sequence 框圖顯示了 Use Case 框圖中各對象的具體功能流程。Sequence 框圖演示了業(yè)務過程的細節(jié)。值得注意的是，這個框圖只顯示對象，不顯示類。即 Sequence 框圖是針對某個特定情況、特定對象進行的描述。

　　Collaboration 框圖與 Sequence 框圖同樣描述對象間的相互關系。但它并不像 Sequence 框圖那樣以時間順序描述，而是著重顯示對象與角色之間的交互。其目的是讓質(zhì)量保證工程師和系統(tǒng)建筑師分析對象之間處理過程的分布情況。如果分布不合理，系 統(tǒng)建筑師可能考慮重新分配處理工作。

　　Component 框圖顯示模型的物理視圖，也顯示系統(tǒng)中軟、硬件組件及其相互關系。

　　Deployment 框圖則顯示了系統(tǒng)的物理布局和各組件的位置及配置方法。

　　這些框圖為系統(tǒng)的分析、設計、建模提供了多種圖形表達形式，可應用于開發(fā)的不同階段。它們的有機結合可以構建一個完整而一致的系統(tǒng)。下面針對于車載 GPS 終端這個具體項目說明 UML 在嵌入式系統(tǒng)設計中的具體應用。

　　2、UML 在車載 GPS 終端設計中的應用

　　2.1 車載GPS終端系統(tǒng)簡介

　　車載 GPS 終端是置于機動車內(nèi)的實時定位裝置，如圖1所示。它的應用對象是需要定位、調(diào)度的車隊，例如：運輸車隊和出租車等。車輛可以通過終端和 GPS衛(wèi)星進行實時、準確的定位，并通過無線通訊網(wǎng)絡上報遠程的中心系統(tǒng)。中心可以通過終端遠程監(jiān)視車行軌跡，甚至在特殊情況下通過終端控制車輛。同時， 終端還可以起到車載電話的作用，并可在車輛遇險時進行報警。另外，通過終端車輛還可以接收少量的調(diào)度信息。

　　2.2 需求分析

　　在對系統(tǒng)進行需求分析時，可以使用 Use Case 圖進行功能上的需求分析。Use Case 圖分角色（Actor）和案例（Case）兩部分。角色是與系統(tǒng)交互的人或物，而案例是系統(tǒng)提供的功能塊。使用 Use Case 觀察系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)實現(xiàn)與系統(tǒng)目標分開，有助于開發(fā)人員了解最重要的部分，滿足用戶需求，而不會沉浸于實現(xiàn)細節(jié)。

　　對于車載 GPS 終端，主要的角色有兩種：車載終端用戶和監(jiān)控中心用戶。終端用戶可以報警，打車載電話等；而監(jiān)控中心可以查詢車輛位置，發(fā)送調(diào)度信息。其 Use Case 框圖如圖2所示。

　　2.3 規(guī)格說明

　　規(guī)格說明比需求分析更詳細，通過UML設計可以使規(guī)格說明更直觀、更清晰。首先，使用 Class 框圖描述系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)結構。例如在車載GPS終端的規(guī)格說明設計時可以使用 Class 框圖描述需要接收的 GPS 衛(wèi)星信號，如圖３所示。

　　第二，在規(guī)格說明階段，還需要識別出系統(tǒng)的對象。首先以功能塊劃分，廣泛地找出系統(tǒng)的主要對象；然后使用 Collaboration 框圖描述它們之間的關系。圖４描述了車載 GPS 終端的主要對象，根據(jù)框圖可以進行進一步的細化。

　　最后，在規(guī)格說明階段進行系統(tǒng)的業(yè)務描述。即規(guī)范系統(tǒng)完成一定功能的主要流程。這可以利用 Activity 框圖進行。圖５顯示了 GPS 數(shù)據(jù)到達時，車載 GPS 終端系統(tǒng)所進行的處理流程。

　　2.4 系統(tǒng)設計

　　規(guī)格說明完成后，需要對系統(tǒng)的各個模塊及模塊之間的關系仔細地分析，從而確定哪些部分使用硬件完成，哪些部分使用軟件實現(xiàn)。在本例中，需要硬件實現(xiàn)的模塊有：GPS 接收模塊、電源模塊、用戶控制模塊、LCD 顯示模塊和 GSM 通訊模塊。

　　所有的控制邏輯和數(shù)據(jù)計算全部由主控制器的軟件實現(xiàn)。

　　隨后，系統(tǒng)設計分為兩個分支：硬件設計及軟件設計。使用 UML 的 Collaboration 圖和 Component 圖對系統(tǒng)的硬、軟件分別進行系統(tǒng)設計。圖6用 Component 框圖描述了車載 GPS 終端系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構。

　　2.5構件設計

　　接下來對每一個系統(tǒng)構件進行詳細的設計。對于某些大型工程，甚至需要把每一個構件作為一個項目，重 新以需求分析、規(guī)格說明開始展開構件設計循環(huán)。在構件設計中，除了可以使用前文介紹過的各種 UML 框圖外，通常還需要使用 State Chart、Sequence 這兩種框圖描述具體的系統(tǒng)流程細節(jié)。

　　在本例中，GSM 模塊共有四個狀態(tài)：待命、有問題、通話中、短消息通訊中。使用 State Chart 框圖描述它們之間的轉換關系，如圖７所示。

　　Sequence 框圖顯示了一個特定對象進行特定操作時所遇到的流程。圖８顯示了車載終端用戶甲在遇到危險按下報警按鈕后系統(tǒng)的處理過程。

　　2.6 集成測試和部署

　　在集成測試時，可以聯(lián)合使用所有的 UML 框圖認真分析每個構件的原理，針對每一個系統(tǒng)功能、每一個可能發(fā)生錯誤的過程寫出相應的測試程序，進行完整而可靠的程序測試。

　　利用 UML 和系統(tǒng)的設計方法可以使傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計告別“手工作坊”的開發(fā)方式，大大提高嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)速度和產(chǎn)品質(zhì)量，增強設計的可復用性。

　　但是 UML 是圖形化描述語言，比較適用于面向?qū)ο蟮某绦蛟O計；對于精確的規(guī)格設計或非面向?qū)ο蟮恼Z言設計來說就不盡如人意了。在具體應用中，靈活應用注釋功能，把框圖對應模塊所需的具體規(guī)格要求以注釋的形式寫在框圖中，充分利用 State Chart 和 Sequence 這些框圖來完成面向過程部分的設計。