基于UML的軟硬件協(xié)同設(shè)計的模型分析方法

Vol.14,No.1?2003JournalofSoftware軟件學報1000-9825/2003/14(010103基于UML的軟硬件協(xié)同設(shè)計的模型分析方法?陳思功+,秦曉,章恒羽中(中國科學院軟件研究所,北京100080AUML-BasedModelAnalysisMethodinHardware-SoftwareCodesignCHENSi-Gong+,QINXiao,ZHANGHeng-Chong(InstituteofSoftware,TheChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China+Correspondingauthor:Phn:86-10-62570007ext626,E-mail:pchen@Received2001-08-13;Accepted2001-12-19ChenSG,QinX,ZhangHC.AUML-basedmodelanalysismethodinhardware-softwarecodesign.JournalofSoftware,2003,14(1:103~109.Abstract:Inthispaper,aUMLapproachappliedintheCBC(constraint-basedcodesignofembeddedsystems,whichispresentedbyChonlamethArpnikanondt,isanalyzed.Somedeficienciesofthemethodwhenitisappliedinthecomplicatedembeddedsystemscodesignareproposed.Accordingtothesedeficiencies,themeaningofconstraintisextended,andasolutionisproposedtoimprovetheefficiencyinhardware/softwarecodesignandisexplainedindetailwiththeexampleofmartphonesystem,whichisdevelopedbytheInstituteofSoftware,theChineseAcademyofSciences.Keywords:UML;CBC(constraint-basedcodesign;constraint;constraintweight摘要:詳細分析了ChonlamethArpnikanondt提出的基于UML約束的嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件協(xié)同設(shè)計方法(CBC/UML,并指出了它運用于復雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計時的不足.針對這些不足,擴展了約束的概念,提出了一套相應的改善方法.并利用中國科學院軟件研究所研制智能電話機的例子具體闡述了該解決方法.關(guān)鍵詞:UML;基于約束的協(xié)同設(shè)計;約束;約束權(quán)值中圖法分類號:TP311文獻標識碼:A隨著手機、PDA、智能家電等眾多嵌入式產(chǎn)品的廣泛應用,涉及軟件和硬件的嵌入式系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計近年來得到了廣泛的關(guān)注.軟硬件協(xié)同設(shè)計的過程通常包括選擇、劃分、規(guī)劃、通信這4個主要任務.“選擇”的目的是分析、選擇出實現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的功能模塊;“劃分”則劃分出這些功能模塊中哪些可以由軟件實現(xiàn),哪些可以用硬件實現(xiàn);“規(guī)劃”是合理地提煉功能模型,盡可能地避免各種時間響應沖突、硬件資源沖突;“通信”則是保證各個軟硬模塊之間合理的交互通信[1~3].在完成協(xié)同設(shè)計的任務時,開發(fā)者會留下許多的文檔,如設(shè)計說明文字、圖表等.這些文檔資料通常不是用正規(guī)的建模語言書寫的,不能夠充分體現(xiàn)HW/SW的協(xié)同設(shè)計的環(huán)境,特別是無法在選擇系統(tǒng)模型時提供正規(guī)化的分析方法.美國佐治亞理工學院Chonlameth等人提出在協(xié)同設(shè)計中基于約束的設(shè)計方法(constraint-based?第一作者簡介:陳思功(1978-,男,福建福州人,碩士,主要研究領(lǐng)域為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計,軟件工程.104JournalofSoftware軟件學報2003,14(1codesign里引入UnifiedModelingLanguage[4],給協(xié)同設(shè)計提供了一個良好的設(shè)計方法,非常有意義.但是,我們仔細研究了Chonlameth的CBC/UML方法之后,發(fā)現(xiàn)該方法依然有其不足之處,需要改進.主要不足之處有以下兩點:首先,Chonlanmeth在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中利用“用例”工具進行系統(tǒng)初步分析,轉(zhuǎn)化成活動圖,并在活動圖的每一步提煉過程中緊密接和約束的概念,體現(xiàn)了UML語言對于協(xié)同設(shè)計的優(yōu)點.但事實上,這個分析方法對于Chonlanmeth的例子而言是足夠的(在某些硬件的條件下,求出在Y=0時,方程Y=a*X2+b*X+c的解.但是,對于大多數(shù)較為復雜的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計,活動圖的作用就顯得不夠了.因為活動圖主要適用于表示串行流控制,不適合顯示對象間的合作并顯示對象在其生命周期里的運轉(zhuǎn)情況[5,6].活動圖雖然在描述嵌入式系統(tǒng)時也是有用的,但不如順序圖和合作圖能夠更好地反映嵌入式系統(tǒng)的特點.對于約束、活動圖、順序圖等UML中的重要概念,本文不再贅述,請讀者查閱UML白皮書(.另外,Chonlameth提出的CBC/UML方法,根據(jù)協(xié)同設(shè)計的特點,擴展了約束的概念,諸如硬件模塊、時鐘限制等都將作為系統(tǒng)的約束出現(xiàn).其不足之處在于,它沒有衡量不同約束對于系統(tǒng)實現(xiàn)的影響程度,而把各種約束看成是固定的、對系統(tǒng)實現(xiàn)的影響程度沒有差別.然而在協(xié)同設(shè)計的很多情況下,僅將硬件模塊看成約束并不合理,可能會約束開發(fā)者的設(shè)計思路.在嵌入式系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計的劃分/規(guī)劃過程里,一般會有3種可能的設(shè)計過程,如圖1所示[7].在圖1(b、(c兩種情況下,系統(tǒng)設(shè)計人員就需要時常根據(jù)各個約束對系統(tǒng)設(shè)計影響程度的不同來調(diào)整硬件模塊結(jié)構(gòu),因此硬件模塊就不可以簡單地看做是某種固定的約束.(a(b(cFig.1Possiblescenariosofthecodesignprocess圖1協(xié)同設(shè)計中可能的過程針對以上兩點,我們將對Chonlanmeth的CBC/UML方法作出相應的改進,并結(jié)合中國科學院軟件研究所研制智能電話的協(xié)同設(shè)計過程,詳細闡述我們的方法.特別是將改進后的方法應用到系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計中的一個重要步驟——系統(tǒng)模型的分析選擇——在實踐中收到了良好的效果.1CBC/UML方法在嵌入式系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計中引入UML語言的主要原因有以下幾點:(1UML已經(jīng)成為一個得到包括Compaq,IBM,Intel,Microsoft,Sun等眾多知名大公司在內(nèi)的廣泛接受的標準,被OMG組織強烈推薦為面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品研發(fā)過程中標準的建模語言.(2面向?qū)ο蟮?、圖形化的建模語言,“用例”等概念給系統(tǒng)的需求分析帶來便利.(3合作圖、順序圖、活動圖等概念,給實時的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計帶來便利.(4UML中的一個重要組成部分,對象約束語言(objectconstraintlanguage利用文字標記可以用來清晰、準確地描述UML基本圖例所無法說明的狀態(tài)屬性.CBC/UML方法的核心是利用UML中約束的概念,利用UML建立協(xié)同設(shè)計中各個時期的系統(tǒng)模型,同時利用約束來推動整個協(xié)同設(shè)計的進程.當所有的約束都用軟件模塊或硬件模塊實現(xiàn)的時候,就完成了協(xié)同設(shè)計[4].陳思功等:基于UML的軟硬件協(xié)同設(shè)計的模型分析方法1052智能電話設(shè)計中的模型分析2.1系統(tǒng)簡介智能電話是綜合運用現(xiàn)有的較為成熟的數(shù)字通信技術(shù)、PDA技術(shù)、CTI技術(shù)、Internet技術(shù)而開發(fā)的新一代電話產(chǎn)品,意在填補當前市場的空白.習慣使用臺式程控電話的用戶通過該產(chǎn)品,不僅可以自動撥打電話,自動記錄來電、本地錄音和電話留言,同時也可以處理個人信息,并可以通過內(nèi)嵌的MODEM撥號上網(wǎng).2.2系統(tǒng)分析在系統(tǒng)分析這一階段,我們依照Chonlanmeth的方法畫出該系統(tǒng)的用例圖,同時初步給出系統(tǒng)的約束,如圖2所示.InternetserviceFig.2Smartphonesystemanalysiswithusecase圖2智能電話系統(tǒng)用例分析當前市場個人信息管理的技術(shù)基本上可以說是相當成熟,而對于嵌入式設(shè)備的Internet接入功能,多家的OS也有相應的支持,如我們挑選分析中的UNCLUS,內(nèi)嵌有SNMP,PPP,TCP/IP等協(xié)議.本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)個人信息管理系統(tǒng)對電話資源的控制及管理(如來電、去電、留言、錄音等.在該系統(tǒng)中,重要的系統(tǒng)硬件資源有個人信息管理系統(tǒng)主芯片(MPU、程控電話主芯片(MCU、調(diào)制解調(diào)器,三者必須得到合理的調(diào)度.另外一個重要的獨占式硬件資源是電話線路(對于一般用戶而言,一條電話線只有一個號碼.我們可以利用UML中類的概念來體現(xiàn)這些重要資源,其他相關(guān)的硬件資源還有RS232接口、總線、內(nèi)存等.從現(xiàn)有的技術(shù)角度,我們提出了3種解決模型:模型A、模型B和模型C,如圖3所示.2.2.1模型分析方法及相關(guān)概念在模型A中,PDA和電話是個相對獨立的模塊,不能滿足我們的要求,較早地被排除了,我們將在模型B和模型C上分析系統(tǒng)的功能.我們利用UML技術(shù)中的協(xié)作圖的概念來完成這個工作.協(xié)作圖描述了系統(tǒng)中對象的上下文(一組對象及對象間的關(guān)系和對象間的交互,說明對象間如何通過協(xié)作來完成某一任務,能夠說明參與交互的活動對象和靜態(tài)對象的結(jié)構(gòu)[5,6].硬件模型是否適合滿足系統(tǒng)需求的標準:硬件模塊不在作大規(guī)模調(diào)整的情況下(主要考慮到價格因素,基本能夠?qū)崿F(xiàn)軟件模塊功能.由于UML建模使用了大量的圖形化工具,雖然可以十分形象地表述系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),但是圖形化的標記會隨著系統(tǒng)設(shè)計的深入,迅速變得相當復雜.即使使用了OCL語言的文字標記,系統(tǒng)設(shè)計人員依然容易陷入大量的圖表、標記之中.這種建模及分析方法不能在系統(tǒng)設(shè)計人員選擇模型時提供有效的判斷標準.因此在這里,我們引入軟約束(softconstraint、硬約束(hardconstraint、約束權(quán)值(constraintweight這3個概念.軟約束是指可以用某種軟件106JournalofSoftware軟件學報2003,14(1模塊實現(xiàn)解決的約束;硬約束則是指需要對硬件模塊進行調(diào)整才能夠解決;約束權(quán)值用來量化單個約束對系統(tǒng)實現(xiàn)的影響,約束權(quán)值越大,該約束對系統(tǒng)實現(xiàn)的影響就越大.Phoneline(bModelB(b模型BSwitchModemPDAPhoneSerialinterfacePhonelineAnalogPhoneModemPDASerialinterface(aModelA(a模型AMPU-MCUcommunicationinterfacePhonelineModemPhone(cModelC(c模型CPDASerialinterfaceFig.3Threemodelsofthesmartphone圖3智能電話的3種模型當然,權(quán)值的科學而準確的量化,對于模型分析是非常重要的.由于各個不同的嵌入式系統(tǒng)的約束不具有有效的可比性,因此約束權(quán)值的大小完全可以由特定的系統(tǒng)設(shè)計者根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)者對軟件、硬件設(shè)計的熟悉程度以及實現(xiàn)的成本(自主開發(fā)或委托開發(fā)的時間、費用等因素來確定.本文為了重點介紹方法的思想,這里進行較為簡單的定義:軟約束權(quán)值大小為1,硬約束權(quán)值為2(事實上,在具體的系統(tǒng)設(shè)計中,不同的軟、硬約束的權(quán)值,其大小差異是很大的.對于整個模型分析而言,約束權(quán)值之和=軟約束權(quán)值之和+硬約束權(quán)值之和.顯而易見,系統(tǒng)設(shè)計者最終將選用約束權(quán)值和最小的模型.我們利用數(shù)學工具加以表述.對于系統(tǒng)的某種約束i,如果i是“軟約束”,表示為Si;如果i是“硬約束”,表示為Hi;約束i的權(quán)值表示為Wi;軟約束權(quán)值之和用表示;硬約束權(quán)值之和用∑SW∑HW表示;系統(tǒng)約束權(quán)值之和用表示.由上面的分析,我們可以得出以下公式:∑W∑W=+=+.∑SW∑HW∑軟約束總量iWiSi*∑硬約束總量iWiHi*2.2.2分析過程及結(jié)論從模型B中我們可以清楚地知道,該模型必須充分利用語音MODEM的數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)化功能.我們對一款嵌入式MODEM進行分析(它具有V9.0語音MODEM的一般結(jié)構(gòu).MODEM結(jié)構(gòu)如圖4所示.對于習慣使用程控電話機的用戶而言,希望通過電話機話筒/聽筒進行通話.為了達到這個效果,要求連結(jié)Modem的通話設(shè)備必須完全替代語音MODEM上的麥克/和耳機的功能.因此,對于該模型,系統(tǒng)約束有:?必須設(shè)計一個轉(zhuǎn)接電路,使通話設(shè)備完全替代語音MODEM的麥克和耳機的功能.該約束為硬約束.?語音數(shù)據(jù)保存在MODEM的SDROM中,PDA必須對語音數(shù)據(jù)進行管理,因此必須設(shè)計PDA上外圍存陳思功等:基于UML的軟硬件協(xié)同設(shè)計的模型分析方法107儲器文件管理系統(tǒng).該約束為軟約束.?目前,MODEM不具有顯示來電號碼的功能,必須在MODEM里添加來電號碼顯示的模塊.該約束為硬約束.利用UML的約束標記,該模型下的系統(tǒng)協(xié)作圖可以表示成圖5.模型B的約束權(quán)值之和為∑W=∑SW+∑HW=+=1*1+2*2=5.∑軟約束總量iWiSi*∑硬約束總量iWiHi*Fig.4Sketchframeofmodem圖4Modem結(jié)構(gòu)示意圖圖5模型B的系統(tǒng)協(xié)作圖模型C充分利用現(xiàn)有電話所具有的錄音、留言、來電顯示等技術(shù),將電話機看做是PDA的一個外設(shè)終端,而MODEM專門用于Internet接入.該模塊需要解決的問題包括:?電話和PDA之間信息的傳遞可以在電話的SPI和PDA的串口之間利用RS232協(xié)議來實現(xiàn),但是必須定義MCU(電話主芯片-MPU(PDA主芯片之間通信的數(shù)據(jù)格式(包括電話號碼等數(shù)據(jù)信息以及撥號等指令.該108約束為軟約束.JournalofSoftware軟件學報2003,14(1?PDA端需要利用C語言設(shè)計實現(xiàn)常駐內(nèi)存的通信服務程序,實時監(jiān)聽電話端的響應.該約束為軟約束.?同理,PHONE端需要利用VHDL語言編制通信服務模塊.該約束為軟約束.這樣,該模型下的系統(tǒng)協(xié)作圖可以表示成圖6.模型C約束權(quán)值之和為∑W=∑SW+∑HW=∑Si*Wi+∑Hi*Wi=3*1+0*2=3.ii軟約束總量硬約束總量:User(1AutoDial(ATcommand(2RecorderVoice(:PDA:Phone{DesignandimplementofcommunicationprotocolofPDA,PHONE(MCU-MPU}{CommunicationcomponentinPDA,implementedwithC}{CommunicationcomponentinPHONE,implementedwithVHDL}(3WebBrowse((4:MODEM(5(6:Line:ResponserIncludingISPFig.6CollaborationdiagramofmodelC圖6模型C的系統(tǒng)協(xié)作圖利用我們的方法就可以得到確定的答案:模型C的約束權(quán)值之和最小,因此模型C為最佳方案.為了體現(xiàn)各個功能模塊時間約束的相互影響,順序圖是一個更為有效的分析工具.如果使用順序圖進行分析,那么硬件模型是否適合系統(tǒng)需求的標準就是系統(tǒng)模型里的各模塊時間沖突發(fā)生的數(shù)量以及時鐘響應的速度.同理,利用本文的方法可以確定不同模型相應時間的約束權(quán)值之和.限于文章篇幅,這里我們不再贅述,在最終選擇系統(tǒng)模型時要同時考慮兩者的約束權(quán)值之和,才可以得出有效的結(jié)論.3相關(guān)工作分析和總結(jié)本文研究了將廣泛接受的標準建模語言UML運用到嵌入式系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計中的方法,在Chonlameth提出的CBC/UML方法的基礎(chǔ)上進行完善性的研究.本文針對CBC/UML方法在對系統(tǒng)模型進行提煉選擇方面的不足,引入UML中協(xié)作圖、順序圖的概念,利用約束權(quán)值的數(shù)學工具,使基于UML的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法可以應用于較為復雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計.該方法為嵌入式系統(tǒng)模型選擇提供了合理的參考.本文闡述的方法已經(jīng)在中國科學院軟件研究所的智能電話系統(tǒng)的研制工程中得以應用,收到了良好的效果.其最顯著的優(yōu)點是縮短了硬件平臺方案選擇的時間,加快了整個項目的進程;而且,利用Rational公司的建模工具RationalROSE,使設(shè)計文檔更為標準,更加清晰化.在協(xié)同設(shè)計的研究領(lǐng)域還有許多問題需要解決,如協(xié)同設(shè)計中系統(tǒng)說明、軟硬件模塊接口定義等.在這些方面如何引入標準建模語言,是值得廣泛關(guān)注的問題,為此,還要進行許多研究工作.我們將另文進行論述,本文不再加以討論.陳思功等:基于UML的軟硬件協(xié)同設(shè)計的模型分析方法References:[1][2][3][4]109o’NiljM.Hardware/SoftwarePartitioningofTelecommunicationSystems.1996.http://www.ele.kth.se/ESD/doc/ar96/mattias/thesis.pdf.o’NiljM.CommunicationinHardware/SoftwareEmbeddedSystems.1997.http://www.ele.kth.se/ESD/doc/ar97/mattias/matt.pdf.GongJ,GajskiDD,BakshiS.Modelrefinementforhardware-softwarecodesign.ACMTransactionsonDesignAutomationofElectronicSystems,1997,2(1:22~41.ArpnikanodtC,MadisettiVK.Constraint-Basedcodesignofembeddedsystems:theUMLapproach.TechnicalReport,#:YES-TR-99-01,CenterforSignalandImageProcessing,SchoolofElectricalandComputerEngineering,GeorgiaInstituteofTechnology,1999.[5][6][7]PriestleyM.PracticalObject-OrientedDesignwithUML.Beijing:TsinghuaUniversityPress,2000.LiuC,ZhangL.Object-OrientedVisualizedModeling.Beijing:BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsPress,1999(inChinese.KnudsenPV,MadsenJ.Integratingcommunicationprotocolselectionwithhardware/softwarecodesign.IEEETransactionsonCADofIntegratedCircuitsandSystems,1999,18(8:1077~1095.附中文參考文獻:[6]劉超,張莉.可視化面向?qū)ο蠼＜夹g(shù).北京:北京航空航天大學出版社,1999.第3屆SPIE多譜圖