基于UML和平台结合的嵌入式系统的软硬件设计与实现

张朝鑫

（昭通学院 招生就业处，云南 昭通 657000）

摘 要：嵌入式系统是一种功能强大的计算机系统，具有专用性强和系统精简等特点.现如今，嵌入式系统已经被应用到多个领域，并发挥着重要的作用.本文将支持统一建模语言（UML）和平台结合起来，进行嵌入式系统设计研究，利用UML的扩展特性，构建UML平台profile，组成实例硬件和软件平台，并构建平台模型，对实例平台模型的应用进行描述.

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关键词 ：支持统一建模语言（UML）；平台；嵌入式系统；软硬件设计

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）04-0018-03

引言

利用嵌入式系统，可以完成对各种功能复杂的硬、软件的设计.为了提高设计效率，降低设计的难度，可以积极的利用支持统一建模语言（UML）和各种平台，并通过二者的有机结合，构建平台模型，从而顺利实现开发.

1 嵌入式系统

嵌入式系统是一种功能强大，结构复杂的计算机系统，可以实现对具有复杂功能的软、硬件的设计与开发，并使之实现紧密耦合，以发挥出强大的功能.嵌入式系统的基础是计算机技术，中心是实际应用，并在诸多方面具有严格的要求，包括成本与可靠性以及功能、功耗、体积等.嵌入式系统的整体架构如图1所示.通过对图1的分析我们不难发现，嵌入式系统一共包含四个层次，分别为硬件层和中间层以及软件层和功能层.其中，硬件层包含了具体的嵌入式微处理器，以及各种通用接口等.而中间层则包括各种支持包，软件层则包括操作系统以及用户接口等.最终实现各种应用效果的时候，则需要借助功能层的各种应用程序.嵌入式系统包含多方面的内容，例如，嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统.嵌入式系统一共分为4层，分别为硬件层和驱动层以及操作系统层还有应用层.嵌入式操作系统是一种用途十分广泛的系统软件，可以实现对整个系统内各种软、硬件资源的有效配置和协调.

2 UML和平台结合的嵌入式系统的软硬件设计

在实现各种功能的时候，嵌入式系统需要利用各种开发工具，并具备一定的开发设计环境.但是，嵌入式系统本身并不具备自主开发的能力，在设计完毕之后，一般情况下，用户也无法自主修改系统中的某项程序功能.因此，在实际利用和开发的时候，嵌入式系统需要依托一定的开发环境和工具.而统一建模语言UML（Unified Modeling Language）是一种运用面向对象概念来构造系统模型的语言，具有极强的普遍适用性，在国际上得到了工业界和学术界的广泛支持.将UML应用于嵌入式系统设计之中，可以为实际的设计工作提供较大的便利.联合依托各种开发平台，可以使后续设计建立在平台的模型之上.现在以系统管理控制器（System Managment Controller，SMC）为例，分析UML和平台结合的嵌入式系统的软硬件设计相关问题.现如今很多校园中都应用了系统管理控制器（SMC）来对校园的各种活动进行实时的监控和管理.系统管理控制器（SMC）属于一种嵌入式系统，其硬件芯片为ARM7嵌入式处理器，可以实现对对象的监控.在实际的应用过程中，系统管理控制器（SMC）利用各种传感器来实现对各方面数据的采集，并利用协议进行数据读取.然后，对收集得到的数据可靠性进行判断.按照上文分析提到的嵌入式系统的整体架构，系统管理控制器（SMC）的硬件层用到的嵌入式微处理器为ARM7嵌入式处理器，该处理器具有高效和低消耗的特点，用到的操作系统为eCos （embedded configurable operating system）.现在为了实现对某校园的远程监控，需要构建起嵌入式监控系统平台UML profile.平台构造过程中，需要用到各种通用平台建模处理器和设备驱动，并结合实际需要，添加<>构造型和<>构造型.在实现远程监控的过程中，系统需要通过网络实现快速交互，需要定义<>构造型，如图2所示：

在平台构造关系方面，利用<>来表示<>构造型与外部的关系，以表示对线程的具体操作.整体构造型如图3所示.

系统收发命令时的构造关系如图4所示，且在不同的构件之间存在一定的关系.例如，在构件sender和receiver之间，即存在<>关系.在接收到某一请求命令的时候，根据具体的要求，会向用户进行数据包返回，即产生数据之间的相关性.例如，如果接收到查询1号对象状态的命令，便按照相关要求进行查询操作，并将相关信息返回到用户处，这一过程中，便产生了一定的相关性.而操作系统eCos与sender、receiver之间则存在包含关系，即<>.也就是说，这些构件是被包含于系统eCos之中的.而嵌入式微处理器ARM7和操作系统之间则处于耦合状态.在使用嵌入式微处理器ARM7的时候，需要用到该操作系统.而在操作系统的具体使用过程中，也需要用到嵌入式微处理器ARM7.该耦合关系可以以<>进行表示.而且，在嵌入式系统中，还存在多种不同的耦合关系，嵌入式微处理器ARM7可以选择使用不同的操作系统，eCos系统也可以选择不同的处理器.因此，在二者之间存在的是<>，即弱耦合关系.

最终构建起的平台中，体系结构平台物理硬件为<>，平台API以<>进行表示，或者利用<>予以表示.<>表示的则是特定应用编程平台，所应用的领域也属于特点范围之内，可以用来对各种特定事件的发生予以记录.在具体的校园监控应用过程中，利用UML联合平台，构建嵌入式监控系统平台的profile，面向应机时间.有别于现在常用的控制方式，该系统可以通过对末端和主机同时监测，动态调节的方式，采用先进的控制理论与算法，实现计算机智能控制.在单独利用2DPCA和PCA方法进行特征提取的时候，将投影轴设定为前n个特征值对应的特征向量.

如果能量达到95%，

则可得：

2DPCA的n=16.

利用遗传算法结合2DPCA提取特征，n´=15.

假设最优个体为Amax，

则可得：

Amax=（0101000110000000101100000001101001101011）.

通过实验和计算可以发现，利用遗传算法结合2DPCA的人脸识别方法进行远程监控的时候，可以有效提高识别率，并减少特征空间维数难度，实现快速识别.PCA、2DPCA和2DPCA+GA的对比如表1所示.

系统还提供开放的标准软件接口和硬件接口，具有良好的兼容性和开放性，能够与任何支持OPC或MODBUS标准协议接口的系统实现集成，达到信息交流与资源共享.设计完成后经实践应用，通过能源管理平台可实现校园用能的实时在线分类、分项、分户监测和计量，自动化节能控制，能耗数据自动采集与存贮、数据统计与分析、数据远程传输、数据显示和打印、数据显示发布等，使学校能源管理部门对能源系统进行有效的监控与管理.为校园节能降耗研究、设计与改（建）造提供参考数据，对已实施节能改造的建筑提供节能效果真实数据.

3 结束语

嵌入式系统强大的功能具有较强的实用性，但也对实际的设计工作提出了较高的要求.而利用UML统一建模语言，则可以有效对整个分析过程予以直观表达，以更好的对设计予以协作.通过分析我们也发现，将UML应用于嵌入式系统设计之中，可以为实际的设计工作提供较大的便利.同时还要积极的依托各种开发平台，为之后的设计工作提供了平台模型，从而实现模型驱动式的嵌入式系统开发，显著的提高设计开发的工作效率.

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