1 概述

隨著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為制造業(yè)的核心技術(shù)。它被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制、仿真系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、信息家電、通信設(shè)備等眾多領(lǐng)域。目前，圍繞嵌入式系統(tǒng)展開研究和開發(fā)，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展最活躍的方向之一。

嵌入式系統(tǒng)不同于通常純粹的軟件系統(tǒng)或硬件系統(tǒng)，而是軟件與硬件通過在一起的，有些功能既可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件實(shí)現(xiàn)。另外，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)不僅涉及到計(jì)算機(jī)軟件和硬件，也會(huì)涉及到許多非計(jì)算機(jī)工程中的問題，諸如機(jī)械尺寸問題、功耗問題和制造成本問題等。即使是計(jì)算機(jī)工程方面的問題，大部分系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、可靠性和多速率等問題方面也都有特別要求。

目前，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的硬件方法主要有：定制邏輯（ASIC）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和嵌入式微處理器三種。在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)施中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是采用嵌入式微處理器方式，如單片機(jī)、單板機(jī)或嵌入式微處理器芯片等。這是因?yàn)橛梦⑻幚砥鲗?shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)是一種十分有效的方法，它使得在不同價(jià)位上設(shè)計(jì)不同特性的產(chǎn)品系列成為可能，并且能夠擴(kuò)充新特性以滿足飛速發(fā)展變化的市場(chǎng)需求。

2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的問題和解決辦法

過去嵌入式系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方面的主要問題為：①分析設(shè)計(jì)沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；②分析設(shè)計(jì)方法不統(tǒng)一；③從分析設(shè)計(jì)到制作和編程沒有一個(gè)始終一貫的工程化方法，使得產(chǎn)品形成的每一個(gè)過程人為因素影響十分嚴(yán)重；④分析設(shè)計(jì)的成果不能被開發(fā)類似項(xiàng)目或產(chǎn)品的重用。以上4個(gè)方面的問題成為多年來制約嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸，使得大部分從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的組織和團(tuán)體，基本上是采用小組甚至是作坊式的動(dòng)作模式。這使得開發(fā)較復(fù)雜或大型系統(tǒng)的工作變得十分困難甚至無法進(jìn)行，或因?yàn)橄到y(tǒng)需求的不斷變化或小組成員的流動(dòng)導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。我們知道，人類之間要想達(dá)成對(duì)任何事件的交流，前提是實(shí)現(xiàn)對(duì)該事物形態(tài)（或表現(xiàn)形式）和行為的標(biāo)準(zhǔn)化，之后才可能實(shí)現(xiàn)對(duì)該事物形態(tài)（或表現(xiàn)形式）和行為的標(biāo)準(zhǔn)化，之后才可能實(shí)現(xiàn)對(duì)其的存儲(chǔ)、處理和交流。嵌入式系統(tǒng)制作過程產(chǎn)品以上4方面問題的主要原因是沒有一個(gè)對(duì)嵌入式系統(tǒng)需求、分析、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試和維護(hù)過程的結(jié)構(gòu)特征和行業(yè)特征統(tǒng)一的工程化描述方法。目前，面向?qū)ο蠹夹g(shù)正是建立在對(duì)真實(shí)世界抽象思維的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一建模語言（UML）為這種思維提供了可視化工具，解決了以上難題。使用UML對(duì)嵌入式系統(tǒng)建模，不僅可以使系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，而且完全可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和制作、測(cè)試分別由不同的項(xiàng)目成員在統(tǒng)一、一貫的方式下完成，也使得系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)模型在相似系統(tǒng)中重用成為可能。

3 系統(tǒng)建模

面向?qū)ο蟮那度胧较到y(tǒng)建模同任何軟件密集型系統(tǒng)建模一樣，從系統(tǒng)中的類建模開始。為了解類的結(jié)構(gòu)，首先對(duì)系統(tǒng)工作過程作一個(gè)總體陳述。無論是采用問題空間詞匯抽象方法還是采用用例（use case）驅(qū)動(dòng)建模方法，目標(biāo)都是找到系統(tǒng)以類或?qū)ο笞鳛闃?gòu)造塊的類圖。如果采用用例驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)分析方法，該內(nèi)容也可以用用例視圖加以模型規(guī)格說明，然后使其作為系統(tǒng)白盒測(cè)試依據(jù)。由于使用用例視圖做的規(guī)格說明篇幅比較大，本文僅用文字描述說明這部分內(nèi)容。

本文所例舉的系統(tǒng)為一小型變頻調(diào)速器系統(tǒng)。對(duì)任何一個(gè)三相交流電機(jī)，在輸入單相交流電源的情況下，實(shí)現(xiàn)6Hz到[9Hz，50Hz]區(qū)間內(nèi)任一頻率的穩(wěn)步啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)用戶界面包括2位數(shù)碼顯示器、一個(gè)運(yùn)行/停止指示器、電源開/關(guān)指示器、6個(gè)按鈕鍵盤和電源開關(guān)。2位顯示器用于顯示電機(jī)當(dāng)前正在運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率，6個(gè)按鍵分別代表啟動(dòng)、停機(jī)、正點(diǎn)動(dòng)、反點(diǎn)動(dòng)、頻率加和頻率減。啟動(dòng)命令使電機(jī)從6Hz以每步0.2Hz的步長(zhǎng)穩(wěn)步提升到當(dāng)前設(shè)置頻率上后在該頻率上穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；正點(diǎn)動(dòng)命令使電機(jī)穩(wěn)定在6Hz上正向運(yùn)轉(zhuǎn)；反點(diǎn)動(dòng)命令時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與正點(diǎn)動(dòng)上同，但旋轉(zhuǎn)方向相反；頻率加命令在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使電機(jī)以1Hz/s的速率增加運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和當(dāng)前預(yù)置頻率，在電機(jī)停止時(shí)僅改變預(yù)置頻率；頻率減命令與頻率加命令相反；停機(jī)命令則無論電機(jī)運(yùn)行在什么狀態(tài)下，都使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)類圖如圖1所示。圖中有2個(gè)硬件類Button*和Light*，1個(gè)主動(dòng)類Microcontrollor和3個(gè)一般類Convertor、Watchdog和Display。Button*類代表所有按鈕;Light*類代表2個(gè)發(fā)光數(shù)碼管和1個(gè)運(yùn)行指示燈;主動(dòng)類Microcontrollor是系統(tǒng)主控模塊，完成所有對(duì)象的調(diào)度和管理；3個(gè)一般類為3個(gè)功能獨(dú)立的程序模塊。圖2為系統(tǒng)實(shí)施圖。微處理器節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的主控節(jié)點(diǎn)，采用Atmel 89C52。其內(nèi)部8KB Flash ROM和128B RAM資源已能滿足系統(tǒng)需要，因此不再增加外部存儲(chǔ)器。與其它節(jié)點(diǎn)的連接完全通過其本身的串并接口就可完成。按鈕節(jié)點(diǎn)代表所有按鈕，在系統(tǒng)變化時(shí)也可以用鍵盤取代，本例為6個(gè)單獨(dú)機(jī)械按鈕。顯示節(jié)點(diǎn)代表系統(tǒng)顯示部分，本例為2個(gè)數(shù)碼管和1個(gè)表示電同運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)光二極管。運(yùn)行監(jiān)控節(jié)點(diǎn)具有兩部分功能，其一是通過WatchDog技術(shù)監(jiān)視微處理器的運(yùn)