基于UML嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境的自動取款機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：倪紅軍 ， 趙紹剛 ， 朱美強(qiáng)

引言

隨著嵌入式應(yīng)用的不斷增長，嵌入式系統(tǒng)需求的復(fù)雜性、不確定性不斷提高，系統(tǒng)規(guī)模也逐步擴(kuò)大；而產(chǎn)品的研發(fā)周期又在很快地縮短，給嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來了新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，嵌入式軟件的開發(fā)者必須面對由于芯片性能的增長、嵌入式操作系統(tǒng)平臺等技術(shù)方面不斷變化所帶來的各種壓力。嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境的發(fā)展，使一直“深埋”于系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用軟件變得開放而易于開發(fā)，從而促進(jìn)了嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

1 基于UML的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境結(jié)構(gòu)

圖1所示為一種支持基于UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語言）的迭代式開發(fā)方法的開發(fā)環(huán)境的結(jié)構(gòu)，虛框部分為基于UML的軟件開發(fā)環(huán)境。

圖1 基于UML嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)用UML來描述，對系統(tǒng)建模；實(shí)現(xiàn)過程利用代碼自動生成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；測試過程將依賴于生成的代碼，通過在代碼中拆裝一些用于支持模型調(diào)試的調(diào)試信息來實(shí)現(xiàn)；而代碼的編譯、鏈接則采用目標(biāo)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境來完成，代碼的運(yùn)行與源程序級的調(diào)試仍然采用一般的嵌入式軟件調(diào)試環(huán)境。

Rhapsody是一個(gè)基于UML的面向嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)的集成、可視化環(huán)境。軟件開發(fā)者可以在這個(gè)環(huán)境里進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證。 Rhapsody支持基于模型的調(diào)試；提供專門為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的可執(zhí)行的框架，可以產(chǎn)生基于VxWorks、POS、OSE等多種操作系統(tǒng)的C語言、C++語言、Java語言的源程序。本文所給出的自動取款機(jī)系統(tǒng)的模型正是基于Rhapsody設(shè)計(jì)的。

2 自動取款機(jī)系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

我們設(shè)計(jì)的自動取款機(jī)系統(tǒng)要滿足如下要求：

在自動取款機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)顧客在自動取款機(jī)操作面板上插入信用卡并輸入密碼和現(xiàn)金支取數(shù)額（每次最多只能取一千元）后，由自動取款機(jī)讀取卡上的內(nèi)容，并把相應(yīng)信息傳送到銀行。銀行把自動取款機(jī)送來的信息與銀行帳號上的信息進(jìn)行比較，如果兩者一致，則銀行傳送確認(rèn)信息到自動取款機(jī)，由自動取款機(jī)輸出現(xiàn)金，然后顧客取出卡和現(xiàn)金；如果兩者不一致，則要求顧客再次輸入密碼和現(xiàn)金支取數(shù)額，然后重復(fù)上述操作；若密碼輸入三次不正確，自動取款機(jī)就會吞掉信用卡，顧客就不能取出信用卡和現(xiàn)金。

該自動取款機(jī)系統(tǒng)包括1個(gè)鍵盤（10個(gè)數(shù)字鍵、ENTER鍵和CANCEL鍵）、1個(gè)LCD液晶顯示屏、1個(gè)插卡孔和1個(gè)現(xiàn)金出口；通過雙絞線與銀行中的電腦進(jìn)行串行通信。該自動取款機(jī)系統(tǒng)不包括銀行中的電腦，只是通過軟件與銀行中的上位機(jī)進(jìn)行串行通信。

2.2 可視化建模

建模是面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)的核心，也是分析和設(shè)計(jì)過程中最基本和最關(guān)鍵的活動之一。UML不僅適用于以面向?qū)ο蠹夹g(shù)描述的任何類型的系統(tǒng)，而且適用于系統(tǒng)開發(fā)的不同階段。根據(jù)開發(fā)過程中不同階段的具體要求，利用UML不同類型的圖來描述系統(tǒng)的各種靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型和動態(tài)行為模型。下面介紹如何利用基于UML的面向嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)的集成可視化環(huán)境Rhapsody創(chuàng)建自動取款機(jī)系統(tǒng)的模型。

第一步：根據(jù)要求建立用例圖。

圖2所示為用例圖。圖中給出了自動取款機(jī)系統(tǒng)的主要用途，并表明由誰使用自動取款機(jī)系統(tǒng)。有一個(gè)主要成員——顧客。一個(gè)用例圖應(yīng)該具有這樣的系統(tǒng)功能：對操作者而言，它返回可觀察的結(jié)果但并不顯示系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。

圖2 自動取款機(jī)系統(tǒng)的用例圖

自動取款機(jī)系統(tǒng)的主要用途是“取出現(xiàn)金” 用例。顧客參與其中的兩個(gè)實(shí)例是“輸入密碼”和“取出現(xiàn)金”。這兩個(gè)實(shí)例都包含了另一個(gè)用例“讀取卡上內(nèi)容并驗(yàn)證”。對每一個(gè)用例而言，我們都可以增加文本描述。假如需要的話，這些用例能夠被細(xì)化成另一張更多用例的圖。這些用例并沒有顯示任何內(nèi)在的結(jié)構(gòu)，僅是一個(gè)功能性的視圖。

第二步：設(shè)計(jì)黑匣子場景。

建立了一個(gè)用例圖后，下一步便是細(xì)化用例，即設(shè)計(jì)一些黑匣子場景。這些黑匣子場景的主要作用是表明模型和對象之間的相互關(guān)系。把整個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)整體，對 “取出現(xiàn)金” 用例，我們細(xì)化為圖3所示的場景。（由于每次最多只能取一千元，所以最多只需要按鍵4次。）

圖3 取出現(xiàn)金的黑匣子場景

圖3所示的場景能被MSD（消息序列表）捕獲，用來描述在顧客和自動取款機(jī)系統(tǒng)之間的通信行為。當(dāng)創(chuàng)建這樣的圖表時(shí)，關(guān)于系統(tǒng)的更多細(xì)節(jié)被隱藏了；同時(shí)，這些場景幫助我們更好地理解使用者如何使用報(bào)警系統(tǒng)以及需要做哪些事情?？偠灾恳挥美加泻芏嗟膱鼍靶枰东@，每一個(gè)場景都是用例的一個(gè)有效的實(shí)例。

第三步：設(shè)計(jì)子系統(tǒng)圖。

下一步是如何把模型分割成子系統(tǒng)。在UML中，一個(gè)子系統(tǒng)作為一個(gè)封裝顯示，即主要是一個(gè)類的集合。圖4的子系統(tǒng)圖表明自動取款機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)被分解成兩個(gè)基本的部分：自動柜員機(jī)封裝（AtmerPkg）和硬件封裝（HardharePkg）。同時(shí)也表明：自動柜員機(jī)封裝是完全獨(dú)立于實(shí)際的硬件和硬件封裝的，并且實(shí)現(xiàn)了Ihardware接口能夠用于連接自動柜員機(jī)封裝。接口類Ihardware描述了對自動柜員機(jī)封裝的所有必需的操作，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與硬件環(huán)境的隔離。

圖4 自動取款機(jī)系統(tǒng)的子系統(tǒng)

一旦在自動柜員機(jī)封裝和硬件封裝之間定義了接口類，每一個(gè)子系統(tǒng)就能同步和獨(dú)立地細(xì)化為更多的子系統(tǒng)。每一個(gè)子系統(tǒng)都知道它和其它子系統(tǒng)之間的接口。例如，我們可以開始分析自動柜員機(jī)子系統(tǒng)圖，而不需要知道關(guān)于硬件的更多情況。

第四步：設(shè)計(jì)對象模型圖。

對自動柜員機(jī)封裝而言，我們設(shè)想有一個(gè)AtmerController類，其中包含Keypad類、Card類、LCD類和Cash類，這些類表示如圖5所示。

圖5 AtmerController類的對象模型

圖5表明：AtmerController類作為一個(gè)聚合類，包含了其它類的實(shí)例。我們也能看出，我們能選擇顯示“Keypad”類的不同的操作和屬性。在上面的例子中，假如一個(gè)實(shí)例被AtmerControlle類創(chuàng)建，那么它將創(chuàng)建Keypad類的一個(gè)實(shí)例theKeypad、LCD類的一個(gè)實(shí)例theLCD、Cash類的一個(gè)實(shí)例theCash以及Card類的一個(gè)實(shí)例theCard。假如AtmerController類的實(shí)例被刪除，這些包含的實(shí)例也同時(shí)被刪除。

Ihardware類也有一些純虛函數(shù)，所以為了測試AtmerController類，必須忽略這些操作。圖6表示：ATM包含了 AtmerController類的一個(gè)實(shí)例和從Ihardware類繼承并忽略了其操作的Hw類的一個(gè)實(shí)例。

圖6 ATM對象模型圖

第五步：生成白匣子場景。

生成了一個(gè)新類AtmerController后，就可以開始為每一個(gè)黑匣子場景生成白匣子場景。消息序列表將用于獲取以上不同場景的類的實(shí)例之間的通信行為。例如，圖7消息序列描述了顧客輸入支取現(xiàn)金數(shù)額并取出現(xiàn)金的場景。

圖7 顧客輸入支取現(xiàn)金數(shù)額并取出現(xiàn)金的場景

消息通常對應(yīng)于對象模型中操作和操作的返回值。消息值對應(yīng)于類的屬性或是類操作的返回值。消息可以是同步的，也可以是異步的。從圖中可以看出，這些類都有動態(tài)行為：它們正在處理定時(shí)事件；調(diào)用其它類的操作；接受事件。對UML來說，這些動態(tài)行為都可以用一個(gè)狀態(tài)圖來表示。

第六步：創(chuàng)建狀態(tài)圖。

以顧客輸入密碼過程為例，創(chuàng)建狀態(tài)圖，如圖8所示。通常，當(dāng)一個(gè)問題很復(fù)雜時(shí)，它往往被分解成一些簡單的問題，這也正是對顧客輸入密碼過程要做的事情。圖8所示的狀態(tài)圖描述了顧客輸入密碼過程中的行為。

圖8 顧客輸入密碼過程的狀態(tài)圖

2.3 屬性、操作和事件

屬性來源于需求文檔中定義的數(shù)據(jù)，應(yīng)該簡單，不考慮設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。每個(gè)類都可能有定義在其上的事件和操作。事件對應(yīng)于明確的瞬時(shí)發(fā)生的影響類的動態(tài)行為。操作對應(yīng)于類的服務(wù)和功能。Rhapsody中有3種事件。

① 信號事件：對應(yīng)于實(shí)例間的異步通信。

② 時(shí)間事件：這種事件在進(jìn)入一個(gè)狀態(tài)并且經(jīng)過一個(gè)指定的時(shí)間后觸發(fā)。

③ 觸發(fā)操作：觸發(fā)操作是同步的操作，通過能夠迅速得到響應(yīng)的事件得到執(zhí)行。觸發(fā)操作沒有實(shí)現(xiàn)代碼，卻可以作為類的狀態(tài)圖轉(zhuǎn)移的觸發(fā)器。當(dāng)調(diào)用觸發(fā)操作時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)的事件。

2.4 生成代碼

一般嵌入式應(yīng)用中有60%~90%的代碼用于內(nèi)務(wù)處理（如狀態(tài)圖的實(shí)現(xiàn)、任務(wù)間的通信等），這些代碼在設(shè)計(jì)新的系統(tǒng)時(shí)一般都可以重用。這種重用一般是通過實(shí)時(shí)框架來實(shí)現(xiàn)的。Rhapsody就提供了這樣一個(gè)實(shí)時(shí)框架，它提供了一套嵌入式和實(shí)時(shí)應(yīng)用專門選擇和優(yōu)化的設(shè)計(jì)模板。嵌入式應(yīng)用程序一般都運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)的平臺上，而實(shí)時(shí)框架就是一個(gè)在操作系統(tǒng)之上應(yīng)用程序之下的中間件。應(yīng)用程序的編寫或自動產(chǎn)生都基于有統(tǒng)一接口的實(shí)時(shí)框架，這樣就使應(yīng)用軟件的開發(fā)與具體的平臺無關(guān)，解決了嵌入式應(yīng)用軟件的移植問題。

一旦畫出其余的圖表并創(chuàng)建好不同類的實(shí)例后，就能進(jìn)行代碼的生成和模型的測試工作。在Rhapsody中，需要進(jìn)行一些配置，以告訴 Rhapsody從哪些類生成代碼及使用什么樣的環(huán)境。首先，使用Microsoft環(huán)境（Windows操作環(huán)境和Visual C++編譯器）。然后，代碼在Rhapsody中生成和編譯，以產(chǎn)生可執(zhí)行程序。

2.5 使UML模型有效

Rhapsody能使用自動生成的代碼，所以，當(dāng)實(shí)際的代碼運(yùn)行時(shí)，它能返回一些信息給調(diào)試工具，以便Rhapsody進(jìn)行模型的測試。通過模型級調(diào)試、驗(yàn)證，可以盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)錯誤或缺陷，從而較早地確定或降低項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 測試模型

一旦自動柜員機(jī)封裝被手工產(chǎn)生的事件測試通過并觀察發(fā)生的情況后，就可以利用如微軟的Visual C++產(chǎn)生一個(gè)GUI。用于創(chuàng)建GUI的類從Ihardware類繼承而來，選中set選項(xiàng)，當(dāng)按鈕被按下時(shí)，調(diào)用ON操作。GUI也能促使模型在模型級再次被調(diào)試。

3 在VxWorks上運(yùn)行

模型是系統(tǒng)整體的抽象。軟件開發(fā)的最終形式必須生成程序代碼，模型畢竟是一些漂亮的藍(lán)圖。雖然它對軟件的設(shè)計(jì)有很大的作用，但用戶的最終目的是希望得到可執(zhí)行的程序。對于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，代碼與系統(tǒng)要求（時(shí)間約束、資源的限制等）是緊密聯(lián)系的，用最終形式的源程序驗(yàn)證系統(tǒng)的模型更準(zhǔn)確。

Rhapsody可利用軟件自動生成技術(shù)的成果，根據(jù)模型可以自動生成具有產(chǎn)品質(zhì)量的代碼。這種代碼既可以作為系統(tǒng)模型驗(yàn)證的代碼，也是系統(tǒng)最后提交的代碼。所以產(chǎn)生的代碼是基于某個(gè)具體平臺的代碼，通過編譯即可運(yùn)行在該平臺上。本文采用的是美國 Wind River System 公司推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks。它是一個(gè)運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

一旦自動取款機(jī)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測試后，它就能在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks上實(shí)現(xiàn)。1個(gè)鍵盤、1個(gè)LCD液晶顯示屏、1個(gè)插卡孔、1 根與銀行的上位機(jī)相連的雙絞線和1個(gè)輸出現(xiàn)金口經(jīng)由I/O板連接到1個(gè)目標(biāo)板上。

從Ihardware類繼承而來并選中set選項(xiàng)而創(chuàng)建新類HwIrq。這些操作的實(shí)例可以被寫進(jìn)Rhapsody中。為了寫到I/O板中，使用VxWorks系統(tǒng)的操作sysOutByte。

HwIrq類已經(jīng)被設(shè)置成一個(gè)活動類，所以它能在自己的線程運(yùn)行，線程的參數(shù)被配置如下：線程名為tRhpHw，堆棧長度為4096字節(jié)，優(yōu)先級為180。

HwIrq.cpp的部分程序見本文附件。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用基于UML的嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境Rhapsody來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自動取款機(jī)系統(tǒng)的模型。與傳統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)方法相比，具有明顯的優(yōu)勢。它大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，解決了嵌入式應(yīng)用軟件的移植問題，使軟件的開發(fā)工作主要集中在高層的建模和模型的測試及驗(yàn)證上，從而使軟件開發(fā)工作的焦點(diǎn)從編碼轉(zhuǎn)到了設(shè)計(jì)上。

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