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1、M.er o comp.te rA PPl lcatlo朋Vol.2 3,No.8,2007研究与设计徽里电脸应月2加,年第2 3.策.翔文t幼号:100 7一75 7X(20 07)08 一0 013一0 4基于UML的嵌入式系统设计店庆,谢康林摘.:用述了嵌入式 系统和标准建模语言UML的权念,指出了传统的嵌入式系统开发过程中存在的 问趁,同时提出了基于UML的崔入 式 系统设 计方 法,并介绍T使用UML对嵌入式系统无线接入点(Ae e e s sPoint)作面向对象分析与设计的过租。关.询:嵌入式 系统,标准建模语言(UML),无戏接入点,用例圈.类 圈;顺序田.合作田,中.分类号:
2、文蔽标识妈:A引官图,难以根据市场或客户的播求及时、有效的对嵌人式系统设计开发进行必要的修改。嵌人式系统通常是指非P C系统,它包括硬件和软件两部分.硬件包括核心的处理器/徽处理器,以及存储器、外设器件和I/0端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统(要求实时 和多任务操作)以及 应用程序。操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用,而应 用程序则控制粉系统的运作和行为.嵌人式系统具有面向应用、软硬件可裁减、性价比高等特点。目前,嵌人式系统在通信、航空、国防、信息家电等领城的应 用越来越广泛,但它的复杂性、实时性、不确定性在不断地提高,系统规棋也在逐步地扩大,而产品的开发周期却要求相应的缩短,
3、这就对原来传统、单一的设计模式提出了挑战.UML一(UnifiedMo delingLa ngu age标准建模语言)是一种通用 的标准建棋语言,它的目标是以面向对象图的方式来描述整个系统,可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模,以便于处理复杂、交互性强、实时性要求高的系统。所以,面对嵌人式系统规棋日益复杂、实时性要求越来越商的情况,系统的分析、设计、开发变得十分庞大,而利用UMI.能很好地在 构建 初期和设计开发的各个阶段 分析整个系统的组成和行为,从而满足越来越高的需求。本 文先介绍一下传统的嵌人式系统开发流程以及存在的不足,然后引人UML的概 念以及UML在嵌人式系统的具体设计开
4、发过程中的应用,最后讲述设计一个在无线报替系统中的无线接人点嵌人式设备及其具体的开发过程.嵌嵌人式系统,求求舰舰格描述述软软件/硬件件模模块划分分硬硬件平台选择择择嵌人式橄作系挽的烤排、段段减减减减、优 化等等硬硬件电路的设计、e/c+十/汇译.哪哪扩扩充、扩展展展展软软硬件纽成及翻试试最最终嵌人式产 品品2传统的嵌入式系统开发过程传统的嵌人式 系统开发流程如 图1所示,开发过程比较简单、笼统,越来越难以适应新的应 用需求。传统的嵌人式系统开发存在着以下的不足:1)块少清晰的从客户佑求到具体应 用开发的映射关系圈1传统的嵌入 式 系统开发流租2)对系统开发初期软硬件各棋块 的划分依位性 过大,
5、导致后期的调整或更改困难,减少了灵活性.3)对软件、硬件相互之间的交互以及各状态之间的转换无法进行很好的描述,当系统升级时或对某些功能模块做修改时,显得捉禅见肘。4)缺少对嵌人式系统软硬件的协同设计和协同开发,过分依软于 后期 的系统功能校脸,延长了开发周期并增 加了开支等.5)一旦用户摇求更改或开发设计发生间.,有可份要从头进行整个嵌人式系统的软硬件划分并从头开始设计开发,店庆谢康林,上海交通大学计算机科学与工程系,硕士研究生,上海2。3 0,上海交通大学计算机科学 与工程 系,教授,博导,上海200 03 0。13Mlc八沈o.P.扭rA p pllc.tlo l l 日Vol.2 3,N
6、o.8,20 0,研究与设计橄里电脸应用创月,年,2 3.第8期1 4导致了,复的工作。正是由于以上的种种缺点,在具体的嵌人式开发应用中,擂要一种新的有效、清晰的设计方法,来弥补以上的不足.下面我们引人UML的概念.3标准班徽语,UML3.1UML桩迷UML是一种在面向对象技术顿城中定义良好、易于表达、功能强大并普边适用的标准建模语言.通过统一的语义和符号衰示,UML可以使系统开发能羞于一个成熟、标准的环境,从而大大拓展 了系统的适用范围,并提离其灵活程度.UML的目标是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统,其有很宽的应用领城.在 描求分析阶段,可以用用例来捕获用户描求,通过用例建模来描述
7、对系统感兴趣的外部角色及其对用例的功能要求。分析阶段主要对系统各部分建棋,为构造阶段提供清晰、详细的规格说明。构造阶段则根据来自设计阶段的详细说明在软件、硬件等 各个棋块上构建整个 系统.UML棋型还可以作为侧试阶段的依据,如单元侧试使用类图和类规格说明.系统侧试使用 用例图来脸证 系统 的行为等.总之,UML适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统,而且适 用于系、统开发的不同阶段,从摇求规格描述直至系统完成后的侧试和维护等.3.2UML的主,内容作为一 种建棋语言,UML主要内容可以由下列五类图(包括十种图形)来定义:第一类是用例图。它从用户的角度来描述 整个系统的功能,并相应指出各个功能
8、模块(用例)的执行者,执行者不一定是具体的一个人,还可以是一个具体的服务、器件或功 能模块等。用例图主要用来作为系统开发者与用户之间的交流,提取用户的孺求信息.第二类是静态图。包括类图、对象图和包图.其中类图描 述系统中的类的,态结构以及 类之 间的各种关系如关联、依软、琅合等。对象图是类图的实例,而包由包或类组成,包图用于描述系统的分层结构。第三类是行为图.包括状态 图和活动图,主要用来描述系统的动态模班和组成对象间的交互关系.其中状态图描述类的对象所有可曲的状态以及事件发生时状态 的转移条件,在实时嵌人式系统中应用非常广泛.而活动图描述油足用例要求所要进行的活动以及活动间的约束关系,有利于
9、分析并行操作的嵌人式系统。.第四类是交互 圈.包括顺序图和合作圈,用来描述对象间的交互关系。其中顺序图显示对象之间的动态合作关系,它强润对象之间消息发送的顺序,同时显示对象之 间的交互。合作图到,描述对象间的上下级关系及其协作。第五类是实现图。包括构件图和配t图,其中构建图描述代码部件的物理结构及各部件之 间的依软关系,而配t 图定义系统中软件和硬件的物理体系结构。从嵌人式系统应用 的角度来粉,设计系统时首先是第一步描述用户的裕求,其次第二步根据播求建立系统的.态模型以构造系统的结构,最后第三步描述并实现系统的行为.其中在第一步和第二步中,可以用UML的用例图、对象图、构建图和配t 图等来描述
10、嵌人式系统的态机制,而且还可以用状态图、活动 图、顺序图或合作图来表示嵌人式系统各棋块之间动态的时序和交互关系.4于UML的实时嵌入式系统开发实例4.1一求分析及 用例.现在,智能化的社区建设 的越来越多,而小区的安全也变的越来越重要,这就摇要一种报I 装t能有效地进行监控,并及时、迅速地把报替信息传到安保人员那里.本文设计一种无线 报替系统中的无线接人点,能实时 的把报.信息通过无线方式传递到巡逻安保人员的移动手持终端(如无线DA、智能手机等)上.整个系统的结构如图2所示.在图2中,我们川以,到尤软残人息A cces sr oln t、,目亏服务器以及报,装工Ala rm通 过本地局城网连接
11、在一起,这里我们主要关心.Ac ce soPo fn i的功用,本文也主要讨论无线嵌人式产品Ac c e s。Po in t的设计开发过程。无线接人点通过局城网与信号 服务器连接,接收来自信号服务器的数据信息并把它转发给无线手持设备。(其中信号服务器和无线手持设备上分别装有相应 的服务器端和客户端的报.系统软件,服务器端把从报,装tA lar m传来的报.信息实时地传递到安保人员手 中的无线手持终端上)我们对A cc es。P oin t的要求如下:1)架设、安装和系统f i rmwa re升级、级联、组网等操作简易。2)配t操作简单方便,可以通 过局城网上的服务 得以WEB或Te ln et
12、方式登陆到AP上并浏览、顶设、修改和tt相应的今数。3)支持I EEE无线局城网标准,能提供1 0M 以上的无线传抽带宽。Mler o computerAp p l口e at lo.Vo l.23,No.8,20 07研究与设计徽里电抽 应用20 07年第2 3.第8翔4)能提供有线局城网的网络端口以及有连接外部远程网络(WAN)的网关端口。5)在半径为1 0。米的范围内支持多个无线用户同时进行连接和通信.6)易于管理,能够选择任何与SNMP标准兼容的网络管理 工具来监 视和管理网络活动的多样性及 无线颇率的变化等。7)可靠性和安全性高,可提供多层次安全保障,包括支持加密技术、访问控制、认证等
13、。有了上面AP的具体设计要求,我们可以用UML画出系统的用例图。用例图能清晰的描述出用例与执行者之 间的相互关系,它从用户的角度,列出了用户最想要的功能以及每个功能的描述,每一个用例都代表了系统中的一个功能,而执行者是 系统交互的对象。具体的无线接人点的系统用例图如图3所示。4.2对象定 义与交互圈有了以上的擂求分析后,我们就可以其体设计无线接人点了.在设计过程中,会用到上面播求分析的结果,并找出开发系统所需要的对象以及对象之间的交互关系,典体的交互关系我们用UML的交互图来表示,交互 图可以显示今与流程的对象以及对象间的消息等.类设计无线接人点Ac c e s:Po fn t类:说明AP的规
14、格、型号、性能、功能和使用状况等.无线信道类:说明无线通道的带宽、传抽距离,使用情况等。信包类:描述有线和无线网络传抽中包(pa ck age)结构的信息及 相应的包操作等.无线通信子系统:1)无线接收器类2)无线发射器类3)无线消息级冲池类有线网络子系统:1)有线接收器类幻有线发射器类3)有线消息级冲他类具体的AP的UML类图结构设计如下:阅3AF系统用例圈图3中包括3个执行者和5个用例,分别说明如下:.执行者1)AP管理器,即用来管理无线接人点,全权负贵关于A P使用等的各项事宜.2)信号服务器,通过LAN与AP连接,可以把由Ala rm(报.终端)收集到的信息通过网络以信包 的方式传给A
15、P。3)无线手持终端,即与A P保持连接的无线PDA或无线手持设备,可以提供给巡逻安保人员使用.用例1)管理信道。具体负贵AP在有线网络端和无线网络端的连接、通信、传送信包等具体操作.幻设tAP属性.具体负贵AP有关参数的预设、配t、修改和刷新等.3)提供信号。信号服务器把报.信息转换成信包。4)加密、登陆.无线网卡通过设定由AP指定的密码登陆到A P上并与之通信.5)无线信号处理.手持无线终端的无线网卡等设备与AP间 的无线通路接人、连接及信包传送等.因任广、r示从.畏闰在图4中,我们可以清楚 的粉到各个类之间的相互关系,图中连线的葵形代表琅合关系,可理解为羡形筋头指向的一方是连线另一方 的
16、集合(聚合).由图可以粉出,AP类是 n etr ee eiv er类、nettransmit类、w irele s。r e eeive r类、wir ele s st ran s而t类的琅合,这四个类掌管AP有找和无线传抽的其体操作,同时也构成了AP的 主要功能.n etre ce iv er类和n ettransmit类又同时琅合Tn etbuf f er类,n etbuf f er类在有线传翰中起到缓冲数据信包的作用。类似的,i re le。re ce iv er类和wir ele s。transmit类琅合Twirele s。buf f er类和wirele s sc ha nn el
17、类,这两个类分别负贵无线数据包级冲和无线链路的连接情况.另外,n etbuff er类、wir ele s。buff er类和wirele.。chan ne l类 同时 菜合了n etP a c ka类,它具体负贵网络传抽中包结构的信息及相应 的包操作。有了具体AP的系统 类图,AP系 统中对象的属性、行为|l|l|s e|卫|l|w e|.|e e|l|.|e s!|w e|w e|月|l|w es.上Mlc六沈侧.p.t erA州k,创 随.V o l.2 3,No.8,20 0,研究与设计徽里电抽 应.2的,年第2 3.第8翔和对象间相互的逻辑关系都可以清晰的确定下来.然后就可以进一步把
18、嵌人式系统AP的对象和它们之间的关系用具体的计算机开发工其来实现,方便和筒化了嵌人式系统的设计。交互图在确定了系统的各个对象以后,就可以描述出各个对象间的交互田.交互圈有两种,其中烦序图且示对象之间的动态合作关系,它强润对象之间消息发送的从序,同时显示对象之间的文互。合作图侧,l 描述对象间的上下级关系及其协作。在系统中,每个用例可能会包括多个不同的流程,其中每个流程都可以用一个从序田或合作圈来描述。我们这里以用例“无线信号处理”为例来说明系统的对象之间是如何进行交互的。由此可以得出,有了UML的顺序图和合作圈,在盛个嵌人式系统的分析、设计以及实现和侧试等过程中,都可以用之来观察系统各模块之间
19、的相互协作关系,有利于开发人员简化和理娜系统结构以及相应的沈程,加邃盛 个开发工作的完成。4.3.作琪旅设计及一件设计我们采用Li nux的开放砚代码来裁减A P的嵌人式操作系统,应用于嵌人式系统的L inu x是一种开发抓 码、软实时、多任务的嵌人式操作系统,它的优点有如下这些:功能强大的内核,性能离效、稚定,多任务,L in u x内核小巧灵活,昌于裁减,这使得它非常适合现在的嵌人式系统应用.并支持几乎所有流行的CPU。也 由于L in ux的开放性,能有效降低产品成本等等.硬件我们采用关国S犯k r认En gin e er in g公司的乐犯曰。En乡ne er ingn et45ol嵌
20、人式无线通信开发板,并用Intel的WP C2 01IBWW型号 的无线网卡等设备来具体开发Ac ces s几int产品.翻ekrisE叱in eer ingn et45ol嵌人式无线通信开发板是一块工作于1 33MH:、基于类48 6的处理器、离度集成低功耗、价格低魔的通信开发板,它有3个1。/10 0M以太网口,64MSDR AM和C ompaetFlash扩充棋块,并有P CI擂摘等以便扩展功能.田5无线信号处理.顺序圈在图5中,我们可以清趁的粉到用例“无线信号处 理”的交互流程,今与流程的对象在上部 的矩形框中表示,下拉的长矩形条表示 活动时间,对象间发送消息用箭头表示。由图可以粉出,
21、执行者A P管理器首先发一个消息给无线消息级冲池对象选择一个要发送的信包,然后再发送给无线发射器对象并随之把信包转发到无找信道上,通过 无线信道对象送给执行者无级手持终端那里。无线手持终端如果有返回信包,则也首先通过无线信道对象把信包发送给无线接收器,然后经处理后再交给无线消息级冲池。5总结随粉后P C时代的到来,嵌人式应 用会迅速的增长。传统的嵌人式开发方法已不能适应日益增长的嵌人式市场对产品设计、研发 的要求。本文所讨论的羞于UML方法来设计嵌人式系统能有效的加强用户、设计人员、软硬件幼程人员间互相的沟通和协作,大大提离了整个嵌人式系统开发的效率。,考文橄:圈6“无城信号处理”合作圈在UM
22、L的软件工其(如:Rati on alRo se等)中,暇序图和合作圈可以相互转换,即给定版序图,可以!接导出合作图,反之亦然。“无线信号处理”交互流程的合作圈如下:在图6中,我们可以砚察出对象间的相互协作关系,有利于很据彼此的对应关系设计相应 的系统棋块。iUML一E厄.e dD esi,Metho dolo盯f orReal一T im ean dEmb ed dedSysteoPro c e ed ingofthe2002 随.1,Z.Autom atio nan dTe.tinEu rop eC on fe r e nc eandEx hibi-tio n(DAT E,02).幻UMLf
23、 orEm 肠泪de ds”tems伴eif ic ationan d氏51,:MO-tivationa nd over访e,Pro ce edi姐ofth e20 02 地81,Z.Autom atio nan dT eotinEur o件C onler en eean dEx hibi-tf on(DATE,0 2)sMe delingIn du strialEmb ed dedsystem sw ith UMLZ.e opy rig htA CM20 00 1一5 81 13一268一9/00/5.4氏51,Mo del f orE mb edde dsyst emZ.eop州ght20
24、01T heIn stitutionofEle c试c al Eng lnee r二(收摘日期:2007一4一15)|!|!|!l|11.|l|1|l|.1|e sl.|w el|.1.|l|.Is e.|e e|w e.|.w e|l|l|w e|月11.|.1|l|w e|!|o t|1 6Mler o c姻那扭rA p川月口U呱Vo l.23,No.8,20 07A EST R AC吸洛笼E YWOR DS徽里电抽 应用2加,年第23.第8期ISSN1007一757XMicro c omPuterAPPlic ation sMo nthly(Sin ee1985)ZhuZhongying
25、Editor一in一ChiefVol.23,No.8(GeneralNo.172)Auguest2007Re.earch&De s三 gnCo.c e P tS.盯c.Eog ln eB.e do nKey,o心 ”“(1)乙刀 口J un(肠呻ut e ra ndIn f 如加t俪Sc t m eSc h以,月泛n群h、COmm e r r mlC讨l ege,月d,尹入佣310035,c h俪)乙了N物n(肠呻“t e ra耐了衫如朋t蜘SS入口“,万口ng zho uG减1Cb lleg c,月d,g zhou310035,Chin a)A加。,dP re sento e a r ehe
26、ng in e sc an,tm eet thedem andsofu serve rywell.Th ee o n e eptse a r ehengin eba s edo nke钾ordsistoan aly跳the eone eptofkey wor dsthatus e rsinput,s etupthe s et sof ke钾o rds,a ndthe nsea reh forthem.Weshoul deo nsiderthepo sitio nofk e娜or dsinfile s.Theweighti叩of ke钾o rdssho uld ha v ef un ction
27、alr elatio n sw iththeir闪sitio n s.Thein dividualsinter e stshoul dalsobetakenintoa e eou nt,andfile sthata r ese a rehedf orshoul dbea rra ng edinorde ra eeordingtotheindividu al,5inte r e st.Key,or山C on ceptse a r ehen g ine,Weighti叱,S emantie51而la rityR血.d恤川.衅.t.tl皿。fD I 阮ov r y皿nM目t i一甸e.ts那妞.(3
28、)ZHENZh胡C衬ENGB a。一d胡9CAOY云an一d a(介户t.o fC训吵,t e rs“,肠陇岁o fl衫如湘“胡Sc i-e n c e友几chn o肠瞥少,刀弃ng石”tit“t eo f7echnolo刀,刀弃ng10 0081,C hin a)A加tmctInthisPaP er,adis e ov erymo del ba s edonI Pmultieastw ithPZPn etw orke omPutin gwasPr ese nted.B yusingthismo del,weimplementedAge ntNam eS ervie einMulti一Age
29、ntSvstem.With diseov e ryte ehn olo盯,MASb eeomemo redyn a而eand f iexible.Ke丫.o rd s压s eov e ryMultie a stMulti一Age ntsystemPZPA.】.pr ove dK-一A lgo r it加.肠rweb DO Cu J.ntau st ed叱.”“(6)WANGz i一万ngF ENGz h一夕。”g(及户a材to fCOm Put e rSd拭。an dTech”010舒,Tf口叻。U,泣刃曰叮i t y,T口林”300 072,C hi加)A加t似tThispa琳rintro
30、du e edthepopularpa rtition ing一ba sedk一me ansalgo rithmf orWebdoe ume ntelu stering,andan alyz edthe11面tation softheV SMthatk一mea n salgo rithmu se sa ndthedistan ce一based51面larityeomputing.A nimpr ov edalgorithmwa spr e se ntedinthispapertosolvethe s elimit atio ns,a nde xpe rime ntsshowedit15mo r
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32、.ctWiththeeo ntinu o u slyine re a singofInte rn etf low,n etworkeonge stionha sbeeom eav e ryim闪rta ntissu e.Then et-workeonge stioneontrolha s盯eatlyprom otedthede v elopme ntofInte rn et.Thispaperpointedo ut thedefieien cyofthepresenteo ngestio neo ntrolalgorithm,a ndputf orwa rdtheneweoneepta nd
33、methodtosolvee o nge stione ontr ol.Key,o rd sC o叩e stio nCo ntrolNetworkTCP/IPuML一b明“刃地.l gnAna ly s肠fo rEm加月de dsy st e.“”一(1 3)TA入右q”9XI EKang一l in(场户a雌me nto fC a呻ut e rsce&Eng i n e曰ng,Shangh aijia oto”gU nive r s卜t y,Shan沙ai200030,C hin a)A加。舰tT hispaperintr odu eedthee o n e eptio nofembedded
34、systeman dun i fiedmo deli雌langu a罗,ind i catedthelimitatio n sf ou ndinde si,intr ad itio n alemb ed dedsystema ndbro ughtf orwa rdaUML一bas edmetho dologyf oremb ed deds”tem.A dditio n-ally,itintro du e edth eproe essofobjeet一orie ntedan aly sisindevelopingtheEmbedd edSystemAe e e ssPointbyu singUM
35、L.K叮种r山E mbed dedsystemU n if iedmodelingla ngu a罗(UML)Aee esspointUseCa se压a盯amC las sdiagr ams e-que need iagramC ollabo ratio ndiagramD ev eloPm enta udAp plic aUo nDe.lp.dI mplem ent atlo.o C“t om erRelati姐M.agem e.tSy st e.o fNe stleC址。aLt d.W.te rB四In e ssUu lt (1 7)叮ANXi aog(N云l eC hin a众d.,S
36、h anghai201206,C hin a)尺AORn(刀碑户a月州记力才o fG”功“忿心rs,e&En砂n e州ng,Sha,g入口iJ纽。切”9Uni刀e r sit yShan沙ai200 030,C hin a)A加t恻tH Omeandoffieebusin es se sha v ed istinguishedeha ra eterssueha strem endou seustomersan dtransa etio朋,a nde ompli-e atedbu sin e s spro cedu r e s.Ne stlese元stingCRMsystemwhieh15bas
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