張朝鑫

（昭通學(xué)院招生就業(yè)處，云南昭通 657000）

基于UML和平臺結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張朝鑫

（昭通學(xué)院招生就業(yè)處，云南昭通 657000）

嵌入式系統(tǒng)是一種功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有專用性強(qiáng)和系統(tǒng)精簡等特點(diǎn).現(xiàn)如今，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用到多個領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用.本文將支持統(tǒng)一建模語言（UML）和平臺結(jié)合起來，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，利用UML的擴(kuò)展特性，構(gòu)建UML平臺profile，組成實(shí)例硬件和軟件平臺，并構(gòu)建平臺模型，對實(shí)例平臺模型的應(yīng)用進(jìn)行描述.

支持統(tǒng)一建模語言（UML）；平臺；嵌入式系統(tǒng)；軟硬件設(shè)計(jì)

引言

利用嵌入式系統(tǒng)，可以完成對各種功能復(fù)雜的硬、軟件的設(shè)計(jì).為了提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)的難度，可以積極的利用支持統(tǒng)一建模語言（UML）和各種平臺，并通過二者的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建平臺模型，從而順利實(shí)現(xiàn)開發(fā).

1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是一種功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對具有復(fù)雜功能的軟、硬件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并使之實(shí)現(xiàn)緊密耦合，以發(fā)揮出強(qiáng)大的功能.嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，中心是實(shí)際應(yīng)用，并在諸多方面具有嚴(yán)格的要求，包括成本與可靠性以及功能、功耗、體積等.嵌入式系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示.通過對圖1的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)一共包含四個層次，分別為硬件層和中間層以及軟件層和功能層.其中，硬件層包含了具體的嵌入式微處理器，以及各種通用接口等.而中間層則包括各種支持包，軟件層則包括操作系統(tǒng)以及用戶接口等.最終實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用效果的時候，則需要借助功能層的各種應(yīng)用程序.嵌入式系統(tǒng)包含多方面的內(nèi)容，例如，嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperationSystem，EOS)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng).嵌入式系統(tǒng)一共分為4層，分別為硬件層和驅(qū)動層以及操作系統(tǒng)層還有應(yīng)用層.嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途十分廣泛的系統(tǒng)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)內(nèi)各種軟、硬件資源的有效配置和協(xié)調(diào).

圖1 嵌入式系統(tǒng)的整體架構(gòu)

2 UML和平臺結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)各種功能的時候，嵌入式系統(tǒng)需要利用各種開發(fā)工具，并具備一定的開發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境.但是，嵌入式系統(tǒng)本身并不具備自主開發(fā)的能力，在設(shè)計(jì)完畢之后，一般情況下，用戶也無法自主修改系統(tǒng)中的某項(xiàng)程序功能.因此，在實(shí)際利用和開發(fā)的時候，嵌入式系統(tǒng)需要依托一定的開發(fā)環(huán)境和工具.而統(tǒng)一建模語言UML(Unified Modeling Language)是一種運(yùn)用面向?qū)ο蟾拍顏順?gòu)造系統(tǒng)模型的語言，具有極強(qiáng)的普遍適用性，在國際上得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛支持.將UML應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，可以為實(shí)際的設(shè)計(jì)工作提供較大的便利.聯(lián)合依托各種開發(fā)平臺，可以使后續(xù)設(shè)計(jì)建立在平臺的模型之上.現(xiàn)在以系統(tǒng)管理控制器(System ManagmentController，SMC)為例，分析UML和平臺結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)相關(guān)問題.現(xiàn)如今很多校園中都應(yīng)用了系統(tǒng)管理控制器(SMC)來對校園的各種活動進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控和管理.系統(tǒng)管理控制器(SMC)屬于一種嵌入式系統(tǒng)，其硬件芯片為ARM7嵌入式處理器，可以實(shí)現(xiàn)對對象的監(jiān)控.在實(shí)際的應(yīng)用過程中，系統(tǒng)管理控制器(SMC)利用各種傳感器來實(shí)現(xiàn)對各方面數(shù)據(jù)的采集，并利用協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取.然后，對收集得到的數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行判斷.按照上文分析提到的嵌入式系統(tǒng)的整體架構(gòu)，系統(tǒng)管理控制器(SMC)的硬件層用到的嵌入式微處理器為ARM7嵌入式處理器，該處理器具有高效和低消耗的特點(diǎn)，用到的操作系統(tǒng)為eCos (embedded configurable operating system).現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)對某校園的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要構(gòu)建起嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)平臺UMLprofile.平臺構(gòu)造過程中，需要用到各種通用平臺建模處理器和設(shè)備驅(qū)動，并結(jié)合實(shí)際需要，添加<>構(gòu)造型和<>構(gòu)造型.在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的過程中，系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)快速交互，需要定義<>構(gòu)造型，如圖2所示：

圖2 <>構(gòu)造類圖

在平臺構(gòu)造關(guān)系方面，利用<>來表示<>構(gòu)造型與外部的關(guān)系，以表示對線程的具體操作.整體構(gòu)造型如圖3所示.

圖3 整體構(gòu)造關(guān)系圖

系統(tǒng)收發(fā)命令時的構(gòu)造關(guān)系如圖4所示，且在不同的構(gòu)件之間存在一定的關(guān)系.例如，在構(gòu)件sender和receiver之間，即存在<>關(guān)系.在接收到某一請求命令的時候，根據(jù)具體的要求，會向用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)包返回，即產(chǎn)生數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性.例如，如果接收到查詢1號對象狀態(tài)的命令，便按照相關(guān)要求進(jìn)行查詢操作，并將相關(guān)信息返回到用戶處，這一過程中，便產(chǎn)生了一定的相關(guān)性.而操作系統(tǒng)eCos與sender、receiver之間則存在包含關(guān)系，即<>.也就是說，這些構(gòu)件是被包含于系統(tǒng)eCos之中的.而嵌入式微處理器ARM7和操作系統(tǒng)之間則處于耦合狀態(tài).在使用嵌入式微處理器ARM7的時候，需要用到該操作系統(tǒng).而在操作系統(tǒng)的具體使用過程中，也需要用到嵌入式微處理器ARM7.該耦合關(guān)系可以以<>進(jìn)行表示.而且，在嵌入式系統(tǒng)中，還存在多種不同的耦合關(guān)系，嵌入式微處理器ARM7可以選擇使用不同的操作系統(tǒng)，eCos系統(tǒng)也可以選擇不同的處理器.因此，在二者之間存在的是<>，即弱耦合關(guān)系.

圖4 構(gòu)造關(guān)系

最終構(gòu)建起的平臺中，體系結(jié)構(gòu)平臺物理硬件為<>，平臺API以<>進(jìn)行表示，或者利用<>予以表示.<>表示的則是特定應(yīng)用編程平臺，所應(yīng)用的領(lǐng)域也屬于特點(diǎn)范圍之內(nèi)，可以用來對各種特定事件的發(fā)生予以記錄.在具體的校園監(jiān)控應(yīng)用過程中，利用UML聯(lián)合平臺，構(gòu)建嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)平臺的profile，面向應(yīng)機(jī)時間.有別于現(xiàn)在常用的控制方式，該系統(tǒng)可以通過對末端和主機(jī)同時監(jiān)測，動態(tài)調(diào)節(jié)的方式，采用先進(jìn)的控制理論與算法，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能控制.在單獨(dú)利用2DPCA和PCA方法進(jìn)行特征提取的時候，將投影軸設(shè)定為前n個特征值對應(yīng)的特征向量.

如果能量達(dá)到95%，

則可得：

利用遺傳算法結(jié)合2DPCA提取特征，n'=15.

假設(shè)最優(yōu)個體為Am ax，

則可得：

通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，利用遺傳算法結(jié)合2DPCA的人臉識別方法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的時候，可以有效提高識別率，并減少特征空間維數(shù)難度，實(shí)現(xiàn)快速識別.PCA、2DPCA和2DPCA+GA的對比如表1所示.

表1 PCA、2DPCA和2DPCA+GA的對比

系統(tǒng)還提供開放的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口和硬件接口，具有良好的兼容性和開放性，能夠與任何支持OPC 或MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成，達(dá)到信息交流與資源共享.設(shè)計(jì)完成后經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，通過能源管理平臺可實(shí)現(xiàn)校園用能的實(shí)時在線分類、分項(xiàng)、分戶監(jiān)測和計(jì)量，自動化節(jié)能控制，能耗數(shù)據(jù)自動采集與存貯、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)顯示和打印、數(shù)據(jù)顯示發(fā)布等，使學(xué)校能源管理部門對能源系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控與管理.為校園節(jié)能降耗研究、設(shè)計(jì)與改(建)造提供參考數(shù)據(jù)，對已實(shí)施節(jié)能改造的建筑提供節(jié)能效果真實(shí)數(shù)據(jù).

3 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的功能具有較強(qiáng)的實(shí)用性，但也對實(shí)際的設(shè)計(jì)工作提出了較高的要求.而利用UML統(tǒng)一建模語言，則可以有效對整個分析過程予以直觀表達(dá)，以更好的對設(shè)計(jì)予以協(xié)作.通過分析我們也發(fā)現(xiàn)，將UML應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，可以為實(shí)際的設(shè)計(jì)工作提供較大的便利.同時還要積極的依托各種開發(fā)平臺，為之后的設(shè)計(jì)工作提供了平臺模型，從而實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動式的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，顯著的提高設(shè)計(jì)開發(fā)的工作效率.

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1673-260X（2015）04-0018-03