運用UML分析設計占先式實時內核

時間：2024-09-27 16:07:35 理工畢業(yè)論文我要投稿

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運用UML分析設計占先式實時內核

要：UML是軟件工程領域的標準模語言。本文介紹使用統(tǒng)一建模語言UML對嵌入式系統(tǒng)中占先式實時內核的面向對象軟件分析與設計；詳述利用UML的各種標準符號進行從需求分析到整體設計的一系列工作。

引言

在過去的10多年里，嵌入式技術得到飛速發(fā)展。隨著嵌入式應用的不斷深入，嵌入式系統(tǒng)的復雜性、不確定性在不斷提高，系統(tǒng)規(guī)模也在逐步增大；而產品的研發(fā)周期又在不斷地縮短，這給嵌入式應用軟件的開發(fā)帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，最近幾年，對占先式實時內核的研究、開發(fā)與應用逐漸成為嵌入式系統(tǒng)的重點研究方向。

面向對象技術由于內在地支持了對系統(tǒng)的抽象、分層和復用技術，能夠很好地控制系統(tǒng)的復雜性，可很好地減輕嵌入式軟件的開發(fā)者必然面臨的由于芯片性能的提高、嵌入式操作系統(tǒng)平臺等技術方面不斷變化所帶來的各種壓力，因此在嵌入式領域得到越來越廣泛的應用。其中，統(tǒng)一建模語言是當今世界上面向對象系統(tǒng)開發(fā)領域中應用最為廣泛的工具之一。

1 統(tǒng)一建模語言UML

1.1 UML簡介

UML（Unified Modeling Language）是一種標準的、用于面向對象和基于構件的軟件系統(tǒng)建模工具，是一種用于對軟件系統(tǒng)模型繪制可視化描述的工具。UML以標準的、易于理解的方式建立能夠描述復雜系統(tǒng)結構和過程的可視化模型，廣泛用于描述信息管理系統(tǒng)、具有實時要求的工業(yè)系統(tǒng)過程、嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件等。

UML由圖、視圖、模型元素、通用機制和擴展機制等幾個部分組成。其中圖是UML建模的關鍵，視圖由圖來描述；而圖由模型元素結合通用機制、擴展機制等表示和語義組成。

根據(jù)圖在系統(tǒng)開發(fā)過程中不同階段的應用，可以分為五類：用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖與實現(xiàn)圖。

這些圖為系統(tǒng)的分析、設計提供了多種圖形表達形式，應用于建模的不同階段。運用UML。我們可以分析、設計幾乎所有的軟件和非軟件系統(tǒng)。當然，對于具體的系統(tǒng)應該根據(jù)系統(tǒng)的類型、系統(tǒng)的規(guī)模和開發(fā)需要繪制相應的圖，不一定在一個系統(tǒng)中畫出所有種類的圖。

1.2 UML與占先式實時內核

開發(fā)一個占先式實時內核與一般軟件的開發(fā)一樣，必然要經過開發(fā)的分析、設計、編碼、測試四個階段。在嵌入式軟件開發(fā)過程中，一般采用的是一種順序開發(fā)方法。然而，由于嵌入式產品更新很快，研發(fā)周期要求盡可能的短，同時在開發(fā)過程中應能動態(tài)地調整，所以，開發(fā)初斯所做的需求分析和設計，在后期的實現(xiàn)和測試中往往要做變動。這反映了在軟件開發(fā)過程中的需求分析、設計與具體實現(xiàn)之間有某種程度上的脫節(jié)，對軟件實現(xiàn)后面的驗證往往會帶來很大風險。另外，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境主要是對開發(fā)過程中軟件實現(xiàn)和測試階段的支持，是以源程序的開發(fā)和測試為核心的，缺少必要的需求分析和設計工具。

UML為占先式實時內核的設計和實現(xiàn)提供了一套功能強大的建模工具。由于UML融合了面向對象方法中的數(shù)據(jù)驅動和行為驅動兩種方式，可以從各個方面描述實時系統(tǒng)的功能及反映實時系統(tǒng)的結束條件，可以為具有靜態(tài)結構和動態(tài)結構的系統(tǒng)以面向對象圖形的方式建模。因此，使用面向對象的UML可以很好地完成占先式實時內核的建模。

圖2 占先式實時內核的類圖

2 UML建模的具體應用

2.1 占先式實時內核概述

占先式實時內核具有多任務機制。多任務機制是基于面向任務對象的，以任務為對象，以事件和時間為驅動，通過實時內核管理時間關鍵任務和任務的優(yōu)先級，實現(xiàn)任務之間的調度、協(xié)同和仲裁。

多任務機制的具體實現(xiàn)由調度程度來完成。在系統(tǒng)程序運行過程中，當前任務完成之后，調度程序調出任務就緒表中優(yōu)先級最高任務的入口地址，把CPU資源分析給該任務，使之執(zhí)行。如果該任務在執(zhí)行過程中引起比它優(yōu)先級高的任務進入就緒態(tài)，或者是中斷服務程序使一個更高優(yōu)先級任務進入就緒態(tài)，調度程序會把任務的當前程序指針、寄存器壓入到該任務的任務堆棧指針指向的棧空間，保證現(xiàn)場，再把CPU資源分配給更高優(yōu)先級任務，使高優(yōu)先級任務開始執(zhí)行。高優(yōu)先級任務執(zhí)行完畢后，下一個在任務就緒表中的最高級任務先從該任務的堆棧數(shù)據(jù)區(qū)恢復寄存器、程序指針、程序狀態(tài)，然后切換并執(zhí)行該任務。

采用占先式實時內核的思想設計單片機軟件，可以合理應用單片機的有限資源并達到很高的實時響應，能降低軟件設計的難度。在本設計中，要求占先式實時內核應用于單片機中，任務數(shù)量最多不超過16個任務。

占先式實時內核的功能需求是：

*支持外部異步事件中斷、定時器中斷、消息傳遞及任務消息到達時的調度；

*支持基于任務優(yōu)先級占先調度，多種實時調度策略；

*任務的創(chuàng)建、運行、懸掛、喚醒與撤銷；

*定時器時鐘管理，任務延時處理；

*共享資源管理，保證任務的同步運行。

由于占先式實時內核主要體現(xiàn)在軟件設計方面，所以在此省略了構件圖和配置圖。

2.2 用例圖

圖1為用例圖，列出了該系統(tǒng)最基本的功能及功能描述，包括一系列用例和從系統(tǒng)中抽象出來的執(zhí)行者。

（1）角色說明

*任務。是嵌入式系統(tǒng)中用戶想要實現(xiàn)的具體功能，是一個線程。這些功能包括：輸入、輸出、數(shù)據(jù)處理、通信等。