（电路与系统专业论文）嵌入式系统软硬件协同设计的建模与划分方法研究.pdf

ab s t f a c t a s t h ed e v e l o p m e nto f te c hno l o g yo f v l s i ， t h es i z eo f t he d e v i c eb e c o m e s s m a l l e r，t h ed e g re e o f i n t e grat i o nb e c o me s h i gh饥 the fu n c t i o no f s y st e m b e c o m e s m o r e c o m p i i c at e dw i t h i n the pr e s s ur e o f h i g h e r c o s t o f d e s i gn a n d p ro d u c e o f th e c h i p s a n d th e s h o rter t i m e ， t o 一 m arke t ， h 0 wt o des i gnthe s y st e m1 h a t c ans atis fyboth t h e p e rformanc e and c o s t h a s b e c o m e a se ri o u s s ubje c t o f s y s te mdes i gn. u nderth i s b ac k 脚 und ， h w / s wc o 一 d e s i 即te c ho o l o 盯has c o me tothe p e 叩l e s atte n t i o n thi sth e s i si s m ai n l yabo utth em o del i n ga i 1 dthe p a rt i t 1 o ni飞 i nthe h w/ s w c o 一 d e s i gn. the ma i n work and i nno v atio nsare a s fol l o w s : s t u d yt h em o d e l i n gme t h o do f d i ffer e nt e mb e dde ds y s t e m st h e ns tres s e dthe ap p ro ac hb a s e d o n t h e u ml ( u n i fi edmo d e l i n g l an g uag e ) ， a n dd i s cu s s e d the work fl o wo f t he m e 1 1 1 o do f m o d e l i ng b as e do nu ml1 hi0 u gh an realwor l dins t a n c e o f mp 3 p l aye r s t udy th e s ta t ic h w/ s wp a rt i ti o ni ng p ro b l e m ， pr e s ent and re a l i zeanapp ro a c h b a s e d o n p b i l al gori t h m ， th e e x p e r l m e ntre s u l t sh o ws t h a t th i s s 1 r a t e gyc ann o t o ul y k e e p th e d i v e r s i t y o f t henewp o p u l atio n an d avo i d t r a p p i n g i n l o c a i b e st s o l utio n ， but a l s op r e s e rvethei n fo rm at i o no fevo l utio nd 1 r e ctio no fe l i t ei ndi vi d ua1in the e s t i mat i o n fu n c ti o n o f di strib u t i o n o f p ro b abi i ity v e ctor， avo i d d e s t r o y i 飞 o f buil d ing b l o c kfrom th ec ro s s o v er a n dm ut at i o no p e r a t i o ni nge neti ca l g o r i t 加 肚 ， great l y i ncr e a s i n g the a b i i i t y o f s e arc h i n g th e b e s t s o l ut i o n . s t u d y t h e d y nam i c h w/ s wp arti t i o n i n g p ro b l e m ， pres e n t e d a n e w m e th o d b as e d o ns y m m e t ry m e c 1 1 a n i s m c al l e dd p b i lfor dyn a 们 n ich w/ s w p a rt i l l o ni ng p r o b l e m ， d e s i g n e x p e ri m e ntv i a c 0 1 n p ar i s onwithane x i s t i n g m e thod ， then ana l yz e the re s ul t . t h e re s u l t s h o w s t h atth e 1 l 1 1 p o rt o f d u a l p ro b abi l i tyv e c t o r i n creas e s the tr ac k i n g and ad a p t i n g abi l i tyo f t h e a 1 g o ri t hm i n d y n a m i c e n v i ro nj 1 1 e n t ， an d e ffec t i v e l y t he p e r fo rmanc eo fa l g o ri t l l m . b as e d o n t h i s ，p ro pose dthre s h o l dc o n s trai nt m e c h a n i s m to i n c re as eth ed y n ami ct r ac k i n gabi l i ty， th ere s u l t s how s t h a t the p e r fo r m a n c e p r o p o s e p r o b a b i l i t y e l:fec t i v e n e s s o f a i g o r i t h mg e t s fa r t h e r mor e i m p r o v e m e nt . ano t h e r m e t h o dfo rd y n ami ch w/ s w p a rt i t i o n i n gb a s e dq u a n tu m c o d i n g v i ac o m p a r i s o nw i t han e x i s t i n g m e t h o d ，v a l i d at et h e a n d a d v a n t a g e o f t h e a l g o r i t hm . k 即 w o r d s :h w/ s w c o 一 d c s i g n ， c m b c d d e d叮 s t e mm o d e l i n g ， u ml ， h w/ s w p a r t i t i o n i n g ，d y n a m i c h w/ s w p a rt i t i o n i n g ，d p b i l ，d q c ga 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的 成果。 除已 特别加以 标注和致谢的地方外， 论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。 与我一同 工作的 同志对本研究所做的贡献均已 在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即: 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的 复印 件和电 子版， 允许论文被查阅或借阅， 可以 将学位论文编入有关 数据库进行检索， 可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名: 年月日 第一章 嵌入式系统软硬件协同设计方法概述 1 . 1 研究背景 嵌入式系统是从应用角度出 发， 以计算机技术为 基础， 软硬件可以剪裁， 能 够满足实际系统对功能， 可靠性， 成本， 体积和功耗等各方面的 严格要求的 专用 计算机系统， 因此被广泛的 应用到工业控制系统， 仿真系统， 医疗仪器， 信息家 电，通信设备等众多领域中。 嵌入式系统的设计比较复杂， 一般同时涉及到硬件和软件两方面。 硬件包括 处理器， 存储器， 接口控制器和专用模拟电路等多种要素， 软件又包括嵌入式操 作系统， 板级支持包， 设备驱动， 协议栈和应用程序等。 此外， 作为专用计算机 系统， 还必须满足体积， 成本， 功耗， 安全性等多种非功能性约束. 得益于近二 十 年来集成电 路技术的迅猛发展， 使得在一块芯片上集成包括软件和硬件在内的 完 整系统( s ys t emo n c hi p ) 成为 可 能。 s o c 是指 在单一芯 片上 集成了 数字 和 模 拟电 路、 信号采集和转换、 u o 、 存储器、微控制器m c u ( m 呼 c o n tr o l u ni t) 和 数 字信号处理器d s p(digl talsi g n a 1 p r o c es si n g) 等ic， 它可以 在单一芯片上实 现 信号 采集、 转换、 存储、 处理和u o 接口 等功能， 使得系统的 体积和成本大大下 降，顺应了向高性能，低功耗，低成本的发展趋势。图 1 1是一个近似的 s o c 所包含模块的示意图【 1 : s o c的出现掀起了微电子设计领域的一场革命，随着超大规模集成电路工 艺技术的发展， 器件尺寸变得越来越小， 单片芯片的集成度也越来越高， 系统的 功能也越来越复杂。 较为复杂的嵌入式系统往往包括专用集成电路部分， 以及在 嵌入式处理器上运行的软件代码部分， 整个系统的性能， 设计制造成本及可编程 性都依赖于该系统的软件和硬件设计。 因此， 在昂贵的芯片设计和制造成本， 以 及越来越短的 ti me一 to一 m ar ket 的压力下，如何能设计出性能和成本都符合要求 的系统就成为系统设计的一个课题。 在这样的背景下， 主要有三个核心技术: 软硬件协同设计技术， i p( i ni ellec t ua l p ro pe rt y) 核重用技术及深亚微米集成电路技术， 引 起了 人们的广泛关注， 分别从 不同的层次引发了 嵌入式系统设计的革命. s o c的设计不是一切从头开始， 而 是 将设计建立在较高的基础之上，运用ip核重用设计技术，从传统的电路设计 转向 系统设计， 设计的重心也从 逻辑综合、 布局 布线转向 系统的设计、 软 / 硬件 协 同设计 及仿真。 s 0 c从整个系统的角 度出 发， 把处理机制、 模型、 算法、软 件 ( 特 别 是 芯 片卜 的 嵌 入 式 操 作 系 统 ) 、 芯 片 架 构 、 各 层 次 电 路 直 至 器 件 的 设 计 紧 密结合 起来， 在单个芯片上 完成整个系 统的功能。 它的设 计必须是从系统行为级 别f 始，自 顶向下的进行设计。与由 多 块芯片组成的系 统相比，由于s o c设计 能 够全局及综合考虑整 个系统的 情况， 可以 在相同的工艺条件下实现更高性能的 系统需求。 二 ;葫一厂 :龙 瑟:) .应画甸一 一 二龚到_巨一夔 过一巨夔亘!_ 一_网_圈_一 i n :w 。、 h o 5。 一 ip hora ! int rfac rf 又能够将优良个体所代表的演化方向信息 很好的保存在概 率向 量的分布函数中， 避免了 遗传算法的交叉和 变异 操作对积 木 块的破坏，大大提高了寻找到最优解的可能性。 研究了动态软硬件划分问题，提出了一种基于对称机制 d p b il 算法的软硬 件动态划分方 法， 并与己 有动态 软硬件划分算法进 行了比 较。 实 验结果 表明 对 称 的概率向 量的引入， 提高了算法 对动态环境的跟踪 和适 应能力， 有效提 高了 算 法 的性能。在此基础上，引入了闭值约束机制，以提供算法的动态跟踪能力，实验 结果表明算法性能得到了进一步的提高。 提出 了一 种基于量 子概率编码的软 硬件动态划分算法， 通过与已知 动态软硬 件划分算法进行实验比较，验证了这两种算法的有效性和先进性。 本文内容安排 本文后续内容安排如下: 第二章介绍了嵌 入式系统建模的各种基本概念，常见的嵌入式系统建模方 法，重点 介绍了 利用统一建模语台 u m l( u ni fi edm odelingl an g u age ) 对嵌入式 系 统 进行建模的主要 过程。 第三章详 细介绍了 静态软 硬件协同 划分问 题的定 义和计算模型设定， 并对己 有的软硬 件划分 方法进行了 综述和分析; 然后介绍了 基于分布估计算法的 软硬件 划分方法，并给出了实验结果和分析。 第四章对由传统的静态软硬件划分问 题引申 出来的 动态软硬件划分问题 进 汀了 深入 的探讨和分析， 提出 并实现了基 于d p bi l算 法的 动态软硬件划分方 法， 给出了 实验结果和分析， 并从算法实 现过程中出 现的问 题出发， 提出了 闭值约 束 机制，进一步提高了算法的性能。 第五 章中 介绍了另 一种 基于量子 概率编码的 动态软硬 件划分方法， 利用量子 概率编 码的 思想， 结合 对称概率向 量的 搜索机制， 对于动 态划分问 题进行了 研究， 并 给出了实 验结果 和分析。 第六章总结全文。 第二章 嵌入式系统的建模方法 软硬件协同设计的第一个步骤就是建立系统的抽象模型， 细致而准确的描述 所要研究的系统的各个层面的 信息， 从而为进一步的分析和设计奠定基础。 所以 本章 将首 先介绍系统建模的主要目 的， 明 确系统建模的意义; 其次介绍 嵌入式系 统的 特点和建模时需要解决的问题， 给出嵌入式系统建模的初步轮廓; 接下来按 照面向 过程的和面向 对象的两种类别， 分别介绍已有的建模方法; 然后重点介绍 了基于统一建模语言u ml的嵌入式系统建模方法， 详尽地阐述了u ml的发展、 构成、 及其对于嵌入式系统的 建模能力， 最后通过一个实例简述了u m l 建 模的 基本流程。 21系统建模的主要目的 1 0 ( 1)理解应用领域中的知识，捕获用户的需求 对系统进行分析的过程就是开发者不断学习用户领域知识的过程。 当开发者 能建立一个用户满意的模型时， 说明他己 经理解了用户领域中的知识。 正如j a n l e s r umb au gh所说: 建模就是 抓住系统最本质的部分。 ( 2) 与 用户沟通 用户和开发者往往不熟悉对方的领域， 二者的沟通就有一定的难度。 通过建 立一个双方都能理解的模型有利于这种沟通， 可以 使项目 投资者、 分析人员、 设 计人员等达成一致，从而为建立正 确的系统打下良 好的基础。 ( 3 ) 有利于 我们理解复杂系 统 对大型复杂系统直接理解往往有困难， 通过建立模型， 对系统进行抽象， 抓 住系统的主要方面，这样有利于理解系统。 4) 使实现细节和需求分开 系统的模型可以从多个角度来描述系统: 有一些侧重于系统的外部行为和系 统中与现实世界相对应的 有关信息; 有一些则侧重于描述系统中的 模块以 及模块 的内部操作。通过模型， 可以 将实现细节和需求分开。 (5 ) 进行系统设计 对于硬件系统而言， 在设计系统的具体实现架构以前， 硬件系统的模型可以 很好的体现系统的高层布局， 为设计者提供整体的映像， 有利于自 顶向下的设计 流程的实现。 对于 软件系统而言 ， 在编写代码以前， 软件系统的 模型可以 帮助软件开发人 员 方 便地研究软件的多种构架和设计方案， 从中 找出 最适合的解决方案， 简化实 现。模型能够说明在最终设计中所要解决的许多问题。 (6 ) 建立 系 统的文档 系 统的模型可以 用文档或者视图来组织信息， 通过这些视图可以组织、 查找、 检查以及编辑与大型系统有关的信息。 2 . 2嵌入式系统的特点和建模面临的主要问题 ( 1)系统精简，专用性强，建模方法的可配置性要求较高 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分， 不要求其功能设计与 实 现上 过于复杂， 这样一方面有利于控制系统成本， 同时也有利于实现系统安全。 嵌入式系统的个性化很强， 其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要 针对硬件进行系统的移植， 即使在同一品牌、 同一系统的产品中也需要根据系统 硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的 任务， 往往需要对系统进行较 大更改， 程序的编译下载要和系统相结合， 这种修改和通用软件的“ 升级” 是完 全不同的概念。 在这种情况下， 建模方法必须能针对不同的嵌入式系统架构灵活的适应， 避 免出现系统描述的冗余或者漏洞。 (2 ) 系统的异质性强，建模方法的 统一描述能 力较高 嵌入式系统包含的组件通常比 较复杂， 硬件层面上既有较为通用的嵌入式微 处 理器. 又 有专用性很强的独立芯片， 软件层面上既有 应用程序， 又有通用的协 议，驱动程序等。这导致建模语言必须有很强的 包容性和统一描述的能力。 ( 3 ) 系统的实时性强，建模方法应有相应的处理能力 通 用 计 算 机具 有 完 善的 操作 系 统 和 应 用 程 序 接口 ( a pi ) ， 但 一 般 不是 实 时 的。 嵌入式系统则不同， 在精简的系统架构下， 为了充分利用系统资源、 合理地调度 多 任务、 系统函数以及和专家库函数接口， 许多嵌入式操作系统都有一个多任务 核心，以满孚名种嵌入式系统的需要。 对于系统核心的 功能， 各种嵌入 式系统差别 较大， 但即使是微内核 系统， 系 统核心也负责完成如下一些基本任务: 进程间通讯、线程调度、中断和内存管理 等， 以保证程序执行的实时 性、可靠 性，并 减少开发时间， 保障软件质量。 因此， 对于建模方 法而言 ， 还必须能 够准 确的描述诸如并发， 通信， 调度等 各种实时要素。 2 . 3常见的嵌入式系统的建模方法 常见的面向嵌入式 系统的 建模方 法主要分为两类: 面向过程的行为级 描述方 法和面向对象的系统级描述方法。 面向过程的行为级 描述方法主要包 括用有限状态机模型， 数据流模型， 数据 / 控制流模型， 任务流模型， 离散事件模型，以 及p etri 网模型，等等。 (l ) 有限状态自 动机 一个有限 状态机是 描述控制系统的 最常用的模型， 因为系统的行为可以 很自 然地用状态和状态之间的 转换 来描述. 有限 状态自 动机模型可以 用一个5 元式来 表示: (s ， 1 ， 0 ， f， h)， 5 ， 1 ， 0分别表 示所有 状态集， 输入状态集和输出 状态集; 乞 h 分别表示为下一状态函数，和 输出 函数。下 一状态函 数f 定 义为 输入改变后 状 态机的下一个状态， 输出函数定 义为状态改 变后输出的 符号。 由于有限状态机的各 状态 及其转换可以 用来描述控制系统的 行为， 所以 有限 状态机模型成为用来描 述控制 系统最常用的 模型. 对于 控制领域的应用系 统， 有 限 状态自 动机是很好的 描述手 段， 但有限状态自 动机 模型也 有其自 身的 缺点， 系 统的节点数与有限状态机的 状态数为指数关 系， 当节点 数超过一定量 时就出 现状 态 爆炸现象。 1 1 1 2 1 3 . (2) 数据流图 数据流图 是适合用来描述 计算密集型系 统的 模型， 因为数学表 达式可以 很容 易的表示为一个有向 图， 其中节点 表示操作， 而弧表示节点 操作执行的 顺序关系. 形式上 数据流图可以 被描 述为 一个五元式 (n，a， v，v q乃，其中n表示节点 集， a表 示弧的集合， v表示弧 相对应的值， v o表示弧边对应的初始值， f 定 义了 每个节点所进行的 操作。 尽管数据流图比 较适合描 述计 算密集型系 统， 但是并不适 合系统中的 控制部 l 2 分。由于这个原因，数据流图常被用来描述d s p 系统。 ( 3 ， 数据/ 控制流图 在数 据/ 控制流图中，节点代表对数据的处理 步骤或者控制条件判断， 而边 则 代 表 数 据和 控制的 相关 性。 它可以 很方 便的 描述 控 制步、 数据流和 并发 等概念， 通常用于高层次综合工具。 数据流图又 可以 分为同 步数 据流图 和动态数据流图。 在同步数据流图中， 数据的流向 在系统运行前就可以 确定， 而在动态数据流图中， 数据的流向 还要受到运行时数据内容的影响。 数据/ 控制流图 适合用于硬件综合 工具， 作为系统层设计描述模型， 数据 / 控制流图的 粒度太细。 (4 ) 任务流图 任务 流图 模型 是由 通信 顺序进 程(c s p) 所 衍生出 来 的 模型。 一 个系 统被 描述 为一些进程的集合， 每个进程相对独立， 可看作一个操作序列，以单向的通道和 同步的协议进行通信。 同步通信和含义是在通信时先使接受方处于接受状态， 再 进入通信过程，通信时进程的运行会暂停. (5 ) 离散事件模型 在离散事件模型中， 系统的状态改变过程通过放置在时间轴上的非同步的离 散事 件进行驱动。 这些事件按照时间的 先后顺序发生作用。 排队系统 ( q u e u i ng system)是离散时间模型的一种。离散事件模型是应用广泛的硬件描述语言 v h d l和veril og的 基础， 特别适合硬件模型中的 信号、同步等行为。离散事件 模型 模拟时需要模拟器， 实现开销较大， 模拟效 率不高。 离散事件模型对于软件 并 不 是合 适的 模型， 常 用于 描述硬 件和 模拟 通信 系 统。 口 41 l 5 ( 6 ) p et r i 网 pe tri网是 近年来 提出 的形 式化 描 述模型 【 16 1 ， 在嵌 入式系统建 模中 也得到了 应 用 1 7 。 在pe tri网 模 型中， 包 含 位 置， 标 记， 转 换 等 概 念。 位置 可以 保 存 标 记， 标记 代表流过系统的信息，转换同事件相关。 pe tri 网 可以 对系统的动态特性进 行精确的描述，较好地对数据流和控制流的动态执行过程实施控制。p e t ri网的 理论模型严谨，有形式化的分析手段。 面向 对象的系统级描述方法种类更 加繁多， 20世纪80年代末以来， 随着面 向 对象技术成为研究的热点， 先后出 现了几十 种面向 对象的软件开发方法。 其中， booc h ， o m t 和0 0 s e 在面向 对象软 件开 发界 得到了 广 泛的 认可。 这三 种方法也 是u m l 的直 接来 源【 1 8 。 ( 1 ) b o o c h方法 b o o c h 方法是g rady b o o c h 从1 9 8 3 年开始研究，1 9 9 1 年后走向 成熟的一种 方法。 b o och 方法区分系统的 逻辑和物理结构并 描述这两种结构的 静态和动态语 义。b o o c h 方法被区分为微观和宏观的过程。 微观开发过程代表开发者或开发小组的日 常活动。 宏观开发过程是微观开发 过程的控制框架， 这个更广的过程确定一些相应的成果和活动， 以帮助开发小组 进行有效的风险评估以及对开发过程进行修改。 宏观过程侧重风险和结构两个方 面，对日 程、结构和完整性最为重要。 b ooch方法是u m l的主要来源， 其面向 对象的概念十分丰富。 主要概念有: 类、 对象、 继承、 元类、 消息、 域、 操作、 机制、 模块、 子系统、 进程等. 其模 型主 要包括: 逻辑静态视图 ( 类图、 对 象图 ) ， 逻辑动态视图 ( 状态转换图、 时态图 ) ， 物理静态视图( 模块图、 进程图 ) 以 及物理动态视图。 ( 2 ) o mt方法 o m t( o bj e c t m o d e l i n gte c hn i q u e ) 方 法最 早是由助o m i s ， s h an和r u m b a u gh 在1 987 年 提出 的，曾 扩展应用 于关 系 数 据库设 计， r t l n l b a u gh在19 引年正 式 把 o m t应用于面向 对象的分析和设计。 这个方法是在实体关系模型上扩展了 类、 继承和行为而得到的。 o mt方法从三个视角描述系统， 相应地提供了三种模型: 对象模型、 动态模 型、 功能模型。 ( 3 ) 0 0 s e方法 o o s e ( o bj e ct 一 o r i e nted s o ft w a r e e n g i n e e ri n g ) 是i v arj ac o b s o n 在1 9 咒年提出 的 一 种面向 对象开发方法，以 其“ 用 例驱 动(usec as e d ri ve n) ” 思 想而著 称. o o s e方法与上述两种方法有所不同， 它涉及到整个软件生命周期，包括 需求分析、设计、实现和测试等四个阶段。 该方法中的一个关键概念就是“ 用例” 。用例是指与行为相关的事务序列。 因此 每一个用例就是一个外界使用系统的方式， 当 用户给定一个输入， 就执行 一个用例的实例并引发只属于该用例的一个事务。 基于这种系统视图， j ac obso n 将用例模型与其它五种系统模型 相关 联: 需求模型、分析模型、设计模型、实现 模型、测试模型。 以 ) 其他面向对 象建模方法 除了以 上的三 种方法外， 较著 名的 面向 对象方法还有 g o ad 一 年 之 后j 即 ob son 加 入到 他们的 行列， 共同 致力 于 将他 们的 方法 统 一为二义 性较少的u m l o 9 。 均 97年， 对象管理组 织 ( o m g)采 纳u m l 作为 它的 标准建 模语言 ( u m li. 1)。 从 此u m l 就由 独立 于任何开发 商 的对象管理组织所有，并通过严格而有序的o mg过程对其修订和维护。 在u m l 产 生和发 展的 短短几 年时 间里， 它结 束了“ 模型论 战” ( m e th odw ar ) 的时 代， 并成为在软件工业中占 支配地位的建模语言。 u m l不仅是事实上的建 模 语台 标 准， 它 也正 在快 速地成为 法定的 标准。 o m g己 经被国 际 标 准化组织 ( 15 0) 批准为公共可 用规范 ( pas)的 提交者， 并申 请将u m l 规范作为国际 标准。 从u ml 属于o m g之日 起， o mg对u ml的修订就没有停止过，从 1 9 9 7 年 到 现在， o m g 运用其 严格的 修订 过程， 共对u m l 进行了4 次 重大修订 (um l i .1 ， u m l 1 3 ， u m l 1 4和u m l z .0 ) 。 现在最新的 版本是2 0 0 7 年发布的u m l z . 1 1 版。 下文均以目前 较为通用的2. 0 版本为标准. 24 . zo m l 的基本结构 u m l主 要包括事 物、 关系和图 l 9 . 事 物是 对模型中 最具有 代表性的 成分 的 抽象， 如类、 接口、 协作和用 例等; 关系把事 物结合在一起， 面向 对象技术中， 上 要的关系有依赖、关联、 泛化和实现; 而图是聚集了相关事物的图形表示。图 是u m l 建模活动的最终成果， 它们用来清晰地 表达系统分析设计中 各种复杂的 概念，反映了 在 不同 视角上对系 统 模型的 投影 。 共 有下列五类图 ( 共9 种图 形) ， 如图 2 . 1 所示: ，- -。万 . ，l . l 行为图实现图 类图 对 象 图 1 ， 实现图 口. 结构图 构件图 顺序图 一 活动图 布署图 静态视图 图21 动态视图 u ml的基本结构 第一类是用例图 ( us e c as e di agram) ，从用户角度描述系统功能， 展现了 一组 用例、 参与者 ( 一 种特殊的 类 ) 及 其它 们之间的 关 系。 用 例图 是最为 核 心的 一类图 ， 这些图对于系统的行为进行组织和建模是非常重要的。 第二类是 结 构图， 包 括类图 似as s di a gr a n l ) 和 对象图 ( 。 场 e ct di a g r 翻) 。 类图 展 现了 一组对 象、 接口 、 协 作以 及它 们之间的 关系。 对 象图 是 某一具 体 场景 ( sc e nan o) 下 类图中所建立的事物的实例的 静态 快照。 它们都给出 系统的静态结构视图， 包 含主动类( ac ti v e cl as s) 的类图 给出 系统的 静态进程视图。 第 三类是实 现图， 用构 件图 ( co m pone ntdi ag r am) 描述系统构 件及各构 件之间 的 依赖关系。 布署图 ( d epl oym 呱di a gr am) 展 现了 运 行时 物理节点以 及其中的 构 件 的配置等。 第四 类是 行为图， 包括状态图 ( state 一 ch artdi agram) 和活 动图 ac t iv itydi a g r aj ” ) 。 状态图展现了 一个状态机， 它由 状态、 转换、 事件和活动等组成， 对于接口、 类 或协作的反应式行为建模非常重要。 活动图强调对象间的控制流程， 展现了 在系 统内从一个活动到另一个活动的流程。 第五类是 交互图， 专 注于 描 述 对 象间的交 互 关 系。 顺序图 ( s eq ue nc e di a g r aj m ) 强调对象之间消息发 送的顺序; 协作图 ( collabo ationdi agraln ) 强调收发消息的各 l 6 对象间的结构组织。 顺序图和协作图是同 构的， 这意味着它们是可以 相互转换的。 于 丁 为图和交互图等都专注于系统的动态视图。 其中用例图从使用者 视角出发看待系 统， 结构图 和布署图 着重描述系统的静 态结构，行为图和交互图着重描述系统的动态变化和行为。 24 . 3u m l 的扩展机制 u m l最大的特色莫 过于扩展机制， 极大的 增强了 其适应性， 主要包括两种 扩展机制，分为重型扩展和轻型扩展， 其中重型扩展是指通过元模型来扩展 u m l ，而轻型扩展主要指按照u mlp ro fil 。 的方式进行扩展。 u m l 在嵌入式系 统的使用主要通过后者完成的。 u ml的重型扩展指基于元模型的 扩展，创建一 种新的建模语言，为 u m l 家族 语言 增添一个新成员的方式. o m g的四层元层次体系结构中， m 3 层和m z 层表示了一个基于统一模型定义语言的多语言家族机制， 在o mg标准中， 这个 统一 模型 定 义 语言 就是m o f ( m et a o bj e c t f ac ili ty)1 5 2 1 。 u m l 轻型扩展主要指按照u m lp ro fil e 的方式进行扩展，包括三种扩展机 制: 约束、标记值和构造型。 1) 约束是u ml中限制一种或多个元素语义的规则。约束可以附加在类或对象 上，并且经常附加在关系上。 2) 标记 值是附 属于u m l 元素的性质， 类中的 操作所附加的前置条 件和后置条 件是一种标准的加标签值 3) 构造型是最复杂的扩展机制，它是一种附加在己有模型元素的语义，如果构 造型附 加于某种元素， 则覆盖该元素的 语义， 该 元素成为一种新的元素。 典型的 构 造 型 如为 类定 义 的 元 素 ( m e t a c l as s) ， 为 包 之间 的 相关 关 系定 义 的 导 入 (i mport) 等。 在这种情形中， 构造型在原来的元素( 类或相关关系) 中增加了 新的 或另外的 语义。 2 . 5 基 于uml 的 嵌入 式系 统建模 25 . iuml 描述下嵌入式系 统建模的 基本要素 u m l作为面向 对象分析与设计的 标准建模语言， 在嵌入式系统设计领域得 到了 广 泛的应用2 。 兀 211 。 嵌入式系统的设计分 软件和硬件两 个部分，软件 体系 结构 涉及系 统的类， 对象， 结 构和行为， 也包 括系统的通讯协议， 数 据结构 和算 法等问题。而硬件体系结构则包括 输入 / 输出设 备，处理器，存 储器，其他 通讯 接口等。 下图2 一 2 用u m l 类图描 述了 典型的嵌入 式系统设 计所涉及的各种要素。 图2 一 2 嵌入式系统设 计的类图描述 由前文的讨 论，结 合上图的 表现，同 其他建 模语言 相比， u ml用于嵌 入式 系统设计的主要优势有三个方面: (1 ) 统 一 了 静态 结构和动态行为等不同方面的 描述; 硬 2) 以不 同的视角来 构建 模型， 如用例视图、 结构 视图、 布署视图等， 用于理解 和规划系统的不同设计阶段; (3)良 好 的扩展 机制， 扩展的u m l 语言 可为 任意 特定 应用领域建模。 2 . 52u m l 对于嵌入式系统各种重要特征的描述方法 由图 2 一 2可以对基于 u ml的嵌 入式系统建 模方法有大致的了 解， 考虑到 u m l z 乃长 达数千页的用户手册， 接下来 仅从结 构， 行为，时间， 并发， 通信这 五个 最具代表 性的 方面 对基于u m l 的方 法细节展开 介绍。 1)结 构特征 早期的 u ml描述以类和方法为主，没有体系结构方面的支持，使得 u ml 描述与嵌 入式系统实现 之间的 距离太 大。 因此需 要增加一 个层次来描述 各种对 象 是 如何 构成系 统的，这就是结 构特征 描述。 主要 有基于ro o m (reait 而e o bj ee t o ri e n te d m o d e li n g ) 2 2 的u m l 一 rt 方 法 2 3 ， 该 方 法 为 系 统 结 构 建 模 增 加了 四 个 新 的 构 造 块 (c 叩 s u le s ， p o rt s ， c o nne c t o r 和p r o toc o ls ) . c 即 sule s 为 物 理 上 分 布 的 、 并 发 的 系 统 构 件 建 模， 构 件的 内 部 结 构 为s ub 一 c 叩 sules 和 它 们 的 互 连 ， 构 件 与 外 部 环境或s ub一 ca p s ul e 的消息 交互只能 通过p ort 来 进行， p ort 是构 件唯一外部可 见 的 事 物 。 一 个c ap s ul e 就 是 一 个 主 动 类 ， 它 本 身 的 功 能 通 过 一 个 状 态 机 来 描 述， 如图2 一 3 所示。 c o nne ct or和 pr ot ocol用 于描述从结 构建模的角度 展现的 系统构 件间的行为 p o rt c a p s u le s u b 一 c a p s u le 图2 一 3 l 乃 月 l 一 rt 中的 结构建模 u m l 一 rt 方 法现己 被接受成为u m lz刃标 准中的内 容， 从而加强了u ml 对 结 构化建 模能力 的支持。 u m l z 刀中的组 合结构图 ( c o mpo s i t e s t r u c t u r e s d i a g ram ) 是用于系 统结构建模的图形手段， 它的主要 构造是容器 类， 角色， 端口 和连接 器。 图2 4使用它表现了一个p c机的结构。 图2 一 4 基于u ml 一 rt 的p c机组合结构图 整 个 c o m pu t er是 一个 容 器类(co n tai n er ) ， 容器 类中 可以 包含 其它 的类的 实 例，称为角色(p art) ， 角色的 端口 之间通过连接器( c o nne ctor) 表示连接关系。图 中di sk ， m e m ory 和dis p layc ard 等都 是相 应类的 实例， 它们 都从属于容器 类 c o m p uter ，因 此形象 地体现了 一个计算 机中 各个物 理模块的结 构特征. 2) 行为特征 u ml 通 过 状态 机， 交互 和 过 程 (p ro ce d llr e ) 来 描述系 统的 行为。 (l ) 状态 机描 述 对 象本 身 ( 如类， 用 例 等) 的 行为， u m l的状 态图和 活 动图 都 属 于 状态机 描 述。 u m l 状 态 图是 一 类m e al y 一 m oo re状态图 ，即 在进行 转 换时 或 进入状态时都支持动作， 且支持状态嵌 套。 u m lz.0版本在状态图的基本内 容上 没有大的改变， 只是 提高了 状态图 建 模的 封装能力， 提供了入点(e n l rypoint) 和出 点( ex it p oi nt ) 作 为 子状 态 与 外部的 交互点 ， 从 而很好 的 封装 子状 态，为 组织大 型 的状态机模型提供了 方便。 早期的u m l 把活动图定义为 活动到活动的 控制流， 只 是作 为状态机的一种 特 殊情况1 2 4 ， 这样的 定义限制了 活动图 的描述能力， 尤其是在 面向 数据流的行 为 描述中显 得支 持不足。 为了使u m l 支持 数据流描述， 扩 展了u m l 一 rt 中的主 动 类 概念 ， 称为s h e l l ， 共分 三种: c s h e ll( 面向 控制的 ) ， d s h e l l( 面向 数据的 ) 和 h sh ell ( 混合的) 。 c s hen 是传统的主动 类概念， 有基于状 态的 行为描述， 并 通过基 于 信号的端口 与外部 通信; d s h el l 则在 行为 描述中包 含了同 步数据流图 (s d f)， 采 用 基于 流 (s tr e am) 的 端口。 相应地 ， 把 流 ( 模仿 数据流 图中 的基于 标记 ( to ken) 的 通 信方 式) 作为 一种新的通信方式加到了u m l 中。 (2交互建 模的 重点 是可视化对象与 对象 之间所发生的 动作， 通常使用顺序图 和 协作图 。同早期的u ml 相比， u m l z .0允 许更复杂形 式的 消息建模，如迭代 消息， 分支消息和监护消息等， 从而增强了为复杂交互建模的能力。另外还推出 了 一 个全 新 的图 ， 称 为 时 序图 ( ti m ingdi a gr am) 124， 实际 上时 序图 的原型 很 早就 出 现过，同硬件期间的信号时序图类似，u ml z 刃的时序图清晰的刻画了对象状态 随时间的 变化特性， 一个时序图 上还可以同时 表现多个 对象， 通常用虚线将他们 分开， 不同的( 并且可能是并发的) 对象之间的通 信还可以 通 过表 示事 件依赖关系 的有向线段清楚的表现出来。 (3)过程(p ro ce d ure ) 是 u m l描述行为细节的详述，过程是由 一系列动作 ( ac tion) 组成的 。 动作成为u ml 用于支 持行为并发的 最小基本 单元。 过 程可以 使 用与 编程语台 类似的方法来描述， 用在方法体，或 者状态机语境内，与 进入/ 退 出 状态， 状态转换或者状态活动 ( d 。 一 ac t iv it y) 相关的可 执行行为 描述等部 分。 过程 和动作 提供了 行为 掐述的 最低成细节， 因而 有助于提供完 整的可执行u m l 模型， 目前o m g已 完成了u m l 动作语义规范， 它定 义了 动 作语言的元模型。这一 规 约创建了完全用u m l 来描述动态动作的 标准方式， 为实 时和嵌入式系统开发 增 加了从u ml模型生成完整实现的可能性。 3) 时间 特征 u m l虽然没有明 确的时间方面的 描述构造， 但对于可能的时间 约束描述， u m l 留下了 足够的空间。 u m l 可以 将时间 标记与消息 序列相关联， 还可以 给一 个消 息附加一个字符串， 在字 符串中 书写复杂的 表达式 (um l 本身并不说明 这些 字符串的语法和语义) 。为了进行详细的定时分析，消息可以进一步详述，如到 达模式和同步模式等。 上 文 提到的u m l时 序图是 对实时系 统建模的 一个重要扩展， 它们 在表现精 确的时序方面狠出色。 在时序图中， 各种常见的 时间相关元素如周期， 时限 ， 启 动时间， 执行时间， 停留时间， 松弛时间， 上升 和下降时间以 及抖动等， 即可以 采用字符串形式的注释， 也可以 采用不同的 阴影 模式描述。 当需要在一 个图 上表 现很多任务时， 则 可以 使用一 种简 化时 序图， 它显示出随时间变化执行的多个 任 务，如图2 一 5 所示。 枪仙时间任务协挽时间 ljl; 圈 图2 一 5 有 阴影的 任务 时序图 o m g早在 1 9 9 9 年就开 始征求实时 系统非 功能 性方面， 如可调度 性， 性能 及 时间的 描述建议， 2003 年最终发 布了p ro fil e fo ; sc hedul ab ili ty ， p e d 沁 rmancean d ti m e( sp t)2 5， 它给出 了系 统 实 时 方面 建 模 和 分 析 的一 个最小 概 念集 和框架 ; 与 之相关的另一个p r o fi l e 是u m l r o fi l e fo r m o d