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運用UML分析設計占先式實(shí)時(shí)內核
要：UML是軟件工程領(lǐng)域的標準模語(yǔ)言。本文介紹使用統一建模語(yǔ)言UML對嵌入式系統中占先式實(shí)時(shí)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(jìn)行從需求分析到整體設計的一系列工作。引言
在過(guò)去的10多年里，嵌入式技術(shù)得到飛速發(fā)展。隨著(zhù)嵌入式應用的不斷深入，嵌入式系統的復雜性、不確定性在不斷提高，系統規模也在逐步增大；而產(chǎn)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(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的挑戰。因此，最近幾年，對占先式實(shí)時(shí)內核的研究、開(kāi)發(fā)與應用逐漸成為嵌入式系統的重點(diǎn)研究方向。
面向對象技術(shù)由于內在地支持了對系統的抽象、分層和復用技術(shù)，能夠很好地控制系統的復雜性，可很好地減輕嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)者必然面臨 的由于芯片性能的提高、嵌入式操作系統平臺等技術(shù)方面不斷變化所帶來(lái)的各種壓力，因此在嵌入式領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。其中，統一建模語(yǔ)言是當今世界上面向對象系統開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中應用最為廣泛的工具之一。
1 統一建模語(yǔ)言UML
1.1 UML簡(jiǎn)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建模工具，是一種用于對軟件系統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結構和過(guò)程的可視化模型，廣泛用于描述信息管理系統、具有實(shí)時(shí)要求的工業(yè)系統過(guò)程、嵌入式系統、分布式系統、系統軟件等。
UML由圖、視圖、模型元素、通用機制和擴展機制等幾個(gè)部分組成。其中圖是UML建模的關(guān)鍵，視圖由圖來(lái)描述；而圖由模型元素結合通用機制、擴展機制等表示和語(yǔ)義組成。
根據圖在系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中不同階段的應用，可以分為五類(lèi)：用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖與實(shí)現圖。
這些圖為系統的分析、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。當然，對于具體的系統應該根據系統的類(lèi)型、系統的規模和開(kāi)發(fā)需要繪制相應的圖，不一定在一個(gè)系統中畫(huà)出所有種類(lèi)的圖。
1.2 UML與占先式實(shí)時(shí)內核
開(kāi)發(fā)一個(gè)占先式實(shí)時(shí)內核與一般軟件的開(kāi)發(fā)一樣，必然要經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)的分析、設計、編碼、測試四個(gè)階段。在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一般采用的是一種順序開(kāi)發(fā)方法。然而，由于嵌入式產(chǎn)品更新很快，研發(fā)周期要求盡可能的短，同時(shí)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應能動(dòng)態(tài)地調整，所以，開(kāi)發(fā)初斯所做的需求分析和設計，在后期的實(shí)現和測試中往往要做變動(dòng)。這反映了在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的需求分析、設計與具體實(shí)現之間有某種程度上的脫節，對軟件實(shí)現后面的驗證往往會(huì )帶來(lái)很大風(fēng)險。另外，傳統的嵌入式系統軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境主要是對開(kāi)發(fā)過(guò)程中軟件實(shí)現和測試階段的支持，是以源程序的開(kāi)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(shí)時(shí)內核的設計和實(shí)現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據驅動(dòng)和行為驅動(dòng)兩種方式，可以從各個(gè)方面描述實(shí)時(shí)系統的功能及反映實(shí)時(shí)系統的結束條件，可以為具有靜態(tài)結構和動(dòng)態(tài)結構的系統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(shí)時(shí)內核的建模。
圖2 占先式實(shí)時(shí)內核的類(lèi)圖
2 UML建模的具體應用
2.1 占先式實(shí)時(shí)內核概述
占先式實(shí)時(shí)內核具有多任務(wù)機制。多任務(wù)機制是基于面向任務(wù)對象的，以任務(wù)為對象，以事件和時(shí)間為驅動(dòng)，通過(guò)實(shí)時(shí)內核管理時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)和任務(wù)的優(yōu)先級，實(shí)現任務(wù)之間的調度、協(xié)同和仲裁。
多任務(wù)機制的具體實(shí)現由調度程度來(lái)完成。在系統程序運行過(guò)程中，當前任務(wù)完成之后，調度程序調出任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高任務(wù)的入口地址，把CPU資源分析給該任務(wù)，使之執行。如果該任務(wù)在執行過(guò)程中引起比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，或者是中斷服務(wù)程序使一個(gè)更高優(yōu)先級任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，調度程序會(huì )把任務(wù)的當前程序指針、寄存器壓入到該任務(wù)的任務(wù)堆棧指針指向的�？臻g，保證現場(chǎng)，再把CPU資源分配給更高優(yōu)先級任務(wù)，使高優(yōu)先級任務(wù)開(kāi)始執行。高優(yōu)先級任務(wù)執行完畢后，下一個(gè)在任務(wù)就緒表中的最高級任務(wù)先從該任務(wù)的堆棧數據區恢復寄存器、程序指針、程序狀態(tài)，然后切換并執行該任務(wù)。
采用占先式實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)響應，能降低軟件設計的難度。在本設計中，要求占先式實(shí)時(shí)內核應用于單片機中，任務(wù)數量最多不超過(guò)16個(gè)任務(wù)。
占先式實(shí)時(shí)內核的功能需求是：
*支持外部異步事件中斷、定時(shí)器中斷、消息傳遞及任務(wù)消息到達時(shí)的調度；
*支持基于任務(wù)優(yōu)先級占先調度，多種實(shí)時(shí)調度策略；
*任務(wù)的創(chuàng )建、運行、懸掛、喚醒與撤銷(xiāo)；
*定時(shí)器時(shí)鐘管理，任務(wù)延時(shí)處理；
*共享資源管理，保證任務(wù)的同步運行。
由于占先式實(shí)時(shí)內核主要體現在軟件設計方面，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，列出了該系統最基本的功能及功能描述，包括一系列用例和從系統中抽象出來(lái)的執行者。
（1）角色說(shuō)明
*任務(wù)。是嵌入式系統中用戶(hù)想要實(shí)現的具體功能，是一個(gè)線(xiàn)程。這些功能包括：輸入、輸出、數據處理、通信等。
*中斷。用來(lái)通知占先式實(shí)時(shí)內核有一個(gè)事件發(fā)生，包括內部非屏蔽中斷、定時(shí)器中斷與外部異步時(shí)間中斷。
*系統時(shí)鐘。用來(lái)創(chuàng )建中先式實(shí)時(shí)核所需要時(shí)候節拍。
（2）使用案例說(shuō)明
*中斷響應。占先式實(shí)時(shí)內核通過(guò)對異步事件的處理，獲得任務(wù)運行所需要的信號與數據，使任務(wù)得以正常運行。
*中斷級調度。中斷處理使得需要該中斷信號的任務(wù)就緒，調度程序判斷該任務(wù)是否為當前任務(wù)就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)，進(jìn)而決定該任務(wù)否立即進(jìn)行。
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