UML系統(tǒng)分析與設計教程(第2版) 課件 第15章 嵌入式系統(tǒng)設計

UML系統(tǒng)分析與設計SystemAnalysis&Design冀振燕北京交通大學

第十五章嵌入式系統(tǒng)設計系統(tǒng)需求需求分析靜態(tài)結構模型動態(tài)行為模型物理模型UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi2系統(tǒng)需求便攜式心電記錄儀是一種消費電子儀器，用來實時記錄心臟病人的心電波形，心電記錄儀的顯示器還可以回放所記錄的心電波形。心電數(shù)據(jù)由心電記錄儀的傳感器采集后，轉變?yōu)閿?shù)字信號，然后存儲在記錄儀的存儲器中。用戶可以通過心電記錄儀的顯示器，在任何時候快速回放所存儲的任何一個時間段的心電波形。心電記錄儀應該具有體積小、重量輕、易使用、可省電（可以由電池提供電源）等特點。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi3系統(tǒng)需求按鈕“記錄”用來啟動心電信號記錄；按鈕“回放”用來回放所記錄的心電信號；按鈕“停止”用來停止系統(tǒng)的記錄或回放活動；按鈕“刪除”用來刪除所記錄的心電信號；按鈕“菜單”用來激活系統(tǒng)菜單，按鈕“上”、“下”、“左”、“右”用來選擇菜單項，按鈕“OK”用來確定選項。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi4系統(tǒng)需求主要功能可以存儲20個心電波（ECGWave），每個心電波的長度由內存的大小來決定。具有屏幕菜單，使用方便可以設置鬧鈴，提示用戶時間到。具有LCD顯示器可以顯示心電波形、心電波形的記錄時間和記錄日期、當前時間和當前日期。當前的時間和日期總是出現(xiàn)在顯示器上。顯示器還顯示電池使用情況指標。當電池電量不足時，系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲提醒用戶。具有待用模式（Stand-byMode），這樣可以節(jié)省能量。當不用時，系統(tǒng)關閉外設；當用戶隨便按一個按鈕時，系統(tǒng)激活，返回正常工作狀態(tài)。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi5需求分析識別參與者系統(tǒng)的參與者只有一個，即User（用戶）。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi6參與者“User”的描述需求分析識別用例記錄心電信號（RecordECG）。當用戶按下“記錄”按鈕，記錄儀開始記錄心電信號；用戶按下“停止”按鈕或者內存用完時，記錄儀停止記錄心電信號?；胤判碾娦盘枺≒laybackECG）。用戶可以從目錄表中選擇所要回放的心電信號，按下“回放”按鈕，心電信號片段開始在顯示器上回放，直到結束（或者當用戶按下“停止”按鈕時，回放停止）。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi7識別用例刪除心電信號（DeleteECG）。用戶可以從目錄表中選擇某個心電信號片段，然后按下“刪除”按鈕，則該心電信號片段從內存中被刪除，其所占用的內存空間被釋放。設置鬧鈴時間（SetAlarmTime）。用戶可以打開或關閉鬧鈴，并設置鬧鈴的時間。打開或關閉鬧鈴以及設置鬧鈴的時間是通過選擇系統(tǒng)菜單的不同選項進行的。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi8需求分析識別用例設置時鐘時間（SetClockTime）。用戶可以設置時鐘時間，或者調整時鐘的時間。顯示時間（DisplayTime）。系統(tǒng)在開機狀態(tài)下應該一直在顯示器上顯示當前的時間和日期，用戶可以查看當前時間和日期。顯示電池狀態(tài)（DisplayBatteryStatus）。系統(tǒng)在開機狀態(tài)下應該一直在顯示器上顯示電池狀態(tài)。當電量不足時，系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲，電池狀態(tài)則顯示為警告狀態(tài)。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi9需求分析系統(tǒng)的用例圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi10需求分析回放心電信號當用戶User按下“回放”按鈕，即發(fā)送消息“PlayECG”（回放心電信號）給系統(tǒng)時，系統(tǒng)System發(fā)送消息“StartplayingECG”（開始回放心電信號）給顯示器，系統(tǒng)通過顯示器回放心電信號，同時顯示回放進度給用戶（Showprogressindicator）。一秒過后（Nextsecond），系統(tǒng)更新顯示時間（Shownewtime），并繼續(xù)顯示回放進度（Showprogressindicator）。當用戶按下“停止”按鈕，即發(fā)送消息“Stop”（停止）給系統(tǒng)時，顯示器停止回放心電信號（StopplayingECG）。圖中的注釋說明了響應時間的限制（響應時間的限制最好用兩個消息間的約束來描述，但由于本人所采用的UML建模軟件不支持消息間的約束，所以就用注釋來描述了），第一個“0.5s”表示按下“回放”按鈕和系統(tǒng)開始回放心電信號的間隔不超過0.5s；第二個“0.5s”表示按下“停止”按鈕和系統(tǒng)停止回放心電信號的間隔不超過0.5s。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi11“回放心電信號”順序圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi12需求分析進入待用模式和從待用模式蘇醒系統(tǒng)如果在2min內沒有任何活動，系統(tǒng)就關閉顯示器和揚聲器（Switchoff），從而進入待用模式。當有警報發(fā)生時（Alarm），系統(tǒng)就打開顯示器和揚聲器（Switchon），即系統(tǒng)從待用模式恢復，然后通過揚聲器報警（Playalarm）。1s過后（Nextsecond）或電池沒電（Nopower）時，系統(tǒng)停止通過揚聲器報警（Stopplayingalarm），系統(tǒng)重新關閉顯示器和揚聲器（Switchoff）。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi13“進入待用模式和從待用模式蘇醒”順序圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi14需求分析產生警報用戶發(fā)送消息“PlayECG”（回放心電信號）給系統(tǒng)System，系統(tǒng)發(fā)送“StartplayingECG”（開始回放心電信號）的消息給顯示器，系統(tǒng)通過顯示器回放心電信號，同時顯示回放進度給用戶（Showprogressindicator）。1s過后（Nextsecond），系統(tǒng)更新顯示時間（Shownewtime），并繼續(xù)顯示回放進度（Showprogressindicator）。這時有警報產生（Alarm），系統(tǒng)通過揚聲器報警（Playalarm），并顯示報警信號（Showalarmindicator），其中顯示報警信號和報警產生之間的間隔不超過0.5s。然后，用戶按下按鈕“停止”，即發(fā)送消息“Stop”（停止）給系統(tǒng)，顯示器停止回放心電信號（StopplayingECG），并停止報警（Stopplayingalarm）。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi15“產生警報”順序圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi16靜態(tài)結構模型識別出類可以從系統(tǒng)中抽象出以下主要的類，包括類Battery、類Alarmclock、類Keyboard、類Display、類GUI、類Controller、類ECGOutput、類ECGMemory、類ECGSegment、類ECGInput、類Sensor。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi17系統(tǒng)類圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi18系統(tǒng)包圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi19靜態(tài)結構模型下面分別對每個子系統(tǒng)進行詳細的介紹。（1）ECG子系統(tǒng)。由于每個心電波是由多個心電信號片段組成，因此在類ECGWave和類ECGSegment之間存在聚合關系，即ECGSegment是ECGWave的一部分，1個ECGWave可以由0個或多個ECGSegment組成，而1個ECGSegment只屬于1個ECGWave。另外，每個心電信號片段又由多個心電周期樣本組成，所以，類ECGSample與類ECGSegment之間存在聚合關系，ECGSample是ECGSegment的一部分，1個ECGSegment可以由0個或多個ECGSample組成，而1個ECGSample只屬于1個ECGSegment。為了節(jié)省內存空間，采集到的心電數(shù)據(jù)需要壓縮后存儲，壓縮后的心電周期抽象為類CompressedECGBlock，類CompressedECGBlock是類ECGSegment的子類。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi20ECG子系統(tǒng)的類圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi21靜態(tài)結構模型順序圖描述了回放心電信號過程中對象之間的交互作用。GUI的對象發(fā)送消息playECGWave()給Controller對象，Controller對象發(fā)送消息getECGSegment()給ECGWave的對象，ECGWave返回壓縮后的心電信號給Controller，然后Controller發(fā)送消息playCompressed-ECGSegment()給ECGOutput對象。ECGOutput對象發(fā)送消息playSample()給顯示器Display，心電數(shù)據(jù)開始回放，心電片段由n個心電周期樣本組成，第一個片段回放后，對于Controller重復獲取心電片段并回放的行為，直到心電片段播放完畢或者用戶按“停止”按鈕時為止。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi22UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi23靜態(tài)結構模型（2）Memory子系統(tǒng)。類ECGMemory管理心電記錄儀的存儲空間，它保存了所記錄的所有心電波數(shù)據(jù)，并分配空間給新的心電波數(shù)據(jù)，還可以刪除某個心電波數(shù)據(jù)。Memory子系統(tǒng)的類圖如圖15.11所示。類ECGMemory是類Controller的一部分，它們之間存在著聚合關系，每個Controller對象有1個ECGMemory對象，每個ECGMemory只屬于1個Controller對象。類ECGSegment與類ECGMemory之間存在著關聯(lián)關系，每個ECGMemory可以存儲0個或n個ECGSegment，每個ECGSegment只屬于1個ECGMemory。類ECGWave與類ECGSegment之間也存在著聚合關系，每個ECGSegment只屬于1個ECGWave，1個ECGWave由0個或n個ECGSegment組成。類ECGWave與類ECGMemory之間也存在著關聯(lián)關系，每個ECGMemory最多可以存儲20個ECGWave，每個ECGWave只屬于1個ECGMemory。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi24Memory子系統(tǒng)的類圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi25靜態(tài)結構模型類GUI可以通過類ECGMemory來獲取所記錄的心電波列表，但類GUI不能修改它，只有類Controller可以通過類ECGMemory來修改所記錄的心電波。如果類GUI想刪除心電波，它需要調用類Controller的方法delECGWave()，而不是直接訪問對象ECGMemory。這樣做是為了防止在控制器回放或記錄心電波時，用戶界面刪除該心電波。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi26UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi27靜態(tài)結構模型（3）Alarm_Clock子系統(tǒng)。類AlarmClock可以提供系統(tǒng)當前的時間、日期和鬧鈴定時時間。類AlarmClock通過計時器Timer來計時，每過去1s，就使用方法nextSecond()更新一次時間的內部表示。當24h過去時，使用類Date的nextDay()方法更新日期。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi28Alarm_Clock子系統(tǒng)類圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi29靜態(tài)結構模型（4）UserInterface子系統(tǒng)。類GUI管理用戶與系統(tǒng)的交互。它接受用戶的鍵盤輸入，并通過顯示器反饋給用戶。類Keyboard是硬件鍵盤的軟件接口，類Display是硬件顯示器的軟件接口。在類GUI與類Keyboard之間存在關聯(lián)關系。類GraphicContext提供了圖形上下文，可以在顯示器上顯示點、線、字符串，以及各種圖形，每個圖形上下文都代表了顯示器的矩形區(qū)域。類GraphicContext與類Display之間也存在關聯(lián)關系。類View調用GraphicContext的方法，在顯示器上顯示時間、菜單等，類View和類GraphicContext是關聯(lián)關系。類View有3個子類，即類ClockView、類TaskView和類MenuView。類View又是類GUI的一部分，即在類View和類GUI之間存在著聚合關系，每個View都屬于1個GUI，每個GUI都可以有1個或多個View。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi30UserInterface子系統(tǒng)類圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi31動態(tài)行為模型狀態(tài)機圖（1）Controller（控制器）對象。Controller對象可以用來記錄心電信號、播放心電信號或報警。Controller對象有4個狀態(tài)。通常，Controller對象處于“Idle”（空閑）狀態(tài)，如果“記錄”按鈕被按下，則事件“record”（記錄）發(fā)生，對象進入“Recording”狀態(tài)，當事件“stop”（停止）發(fā)生，系統(tǒng)停止記錄，對象返回“Idle”狀態(tài)；如果“回放”按鈕被按下，事件“playback”（回放）發(fā)生，對象進入“Playing”（播放）狀態(tài)，當事件“stop”（停止）發(fā)生時，系統(tǒng)停止回放，對象返回“Idle”狀態(tài)；如果警報發(fā)生，即事件“alarm”（警報）發(fā)生時，對象進入“Alarming”狀態(tài)，當事件“stop”（停止）發(fā)生時，系統(tǒng)停止回放，對象返回“Idle”狀態(tài)。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi32動態(tài)行為模型Controller對象的狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi33動態(tài)行為模型（2）ECGInput（心電輸入）對象。ECGInput對象控制心電輸入通道，該對象通過Sensor（傳感器）對象來記錄心電數(shù)據(jù)。值得注意的是，采樣得到的心電數(shù)據(jù)要經過壓縮再存儲。ECGInput對象有3個狀態(tài)。通常，ECGInput對象處于“Idle”（空閑）狀態(tài)，如果事件“recordCompressedECGSegment（ecg:ECGSegment）”（獲取壓縮心電數(shù)據(jù)）發(fā)生，對象進入“Record”狀態(tài)，開始記錄心電數(shù)據(jù)，在進入該狀態(tài)時，需執(zhí)行入口動作“StartDMA”（啟動DMA）協(xié)助記錄。當事件“DMAEndOfTransfer”（數(shù)據(jù)傳輸結束）發(fā)生時，對象進入“Compress”狀態(tài)，壓縮心電數(shù)據(jù)，壓縮完成后，ECGInput對象返回“Idle”狀態(tài)。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi34動態(tài)行為模型ECGInput對象的狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi35動態(tài)行為模型（3）ECGOutput（心電輸出）對象。ECGOutput對象控制心電輸出通道，它可以通過顯示器來回放心電數(shù)據(jù)。ECGOutput對象有3個狀態(tài)，通常ECGOutput對象處于“Idle”（空閑）狀態(tài)，如果事件“PlayCompressedECGSegment(ecg:ECGSegment)”（回放壓縮的心電數(shù)據(jù)）發(fā)生，對象進入“Expand”（展開）狀態(tài)，開始對心電數(shù)據(jù)解壓縮，在進入該狀態(tài)時，需執(zhí)行入口動作“StartDMA”（啟動DMA）協(xié)助回放。解壓縮完成后，ECGOutput對象進入“Play”（回放）狀態(tài)，回放心電數(shù)據(jù)，回放結束后，ECGOutput對象返回“Idle”狀態(tài)。如果在ECGOutput對象處于“Idle”狀態(tài)時，事件“PlayECGSegment(ecg:ECGSegment)”（回放心電數(shù)據(jù)）發(fā)生，則ECGOutput對象直接進入“Play”狀態(tài)，回放心電數(shù)據(jù)，回放結束后，ECGOutput對象返回“Idle”狀態(tài)。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi36動態(tài)行為模型

ECGOutput對象的狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi37動態(tài)行為模型（4）Sensor（傳感器）對象。Sensor對象是物理傳感器的接口。傳感器可以采集數(shù)據(jù)。當SwichOn發(fā)生（打開電源）后，Sensor對象進入“Idle”（空閑）狀態(tài)，如果事件“startsampling”（開始采樣）發(fā)生，對象進入“Sampling”（采樣）狀態(tài)，對心電數(shù)據(jù)進行采樣，事件“intervalpassed”（采樣間隔時間過去）引起的躍遷是自躍遷，在事件發(fā)生時，執(zhí)行動作getSample()進行采樣。如果事件“stopsampling”（停止采樣）發(fā)生，對象返回“Idle”狀態(tài)。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi38動態(tài)行為模型Sensor對象的狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi39動態(tài)行為模型（5）Display（顯示器）對象。Display對象是物理顯示器的軟件接口。當SwichOn發(fā)生（電源開通）后，Display對象進入“Idle”（空閑）狀態(tài)，如果事件“PlayECG”（播放心電圖）發(fā)生，對象進入“PlayingECGWave”狀態(tài)，顯示器播放心電圖。如果事件“StopPlay”（停止播放）發(fā)生，對象返回“Idle”狀態(tài)。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi40動態(tài)行為模型Display對象的狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi41動態(tài)行為模型（6）Speaker（揚聲器）對象。Speaker對象是物理揚聲器的軟件接口。當SwichOn發(fā)生（電源開通）后，Speaker對象進入“Idle”（空閑）狀態(tài)，如果事件“AlarmHappen”（警報發(fā)生）發(fā)生，對象進入“PlayingAlarm”（播放警報）狀態(tài)，揚聲器播放警報。如果事件“AlarmIsOver”（警報結束或停止）發(fā)生，對象返回“Idle”狀態(tài)。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi42動態(tài)行為模型Speaker對象的狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi43動態(tài)行為模型（7）Timer（計時器）對象。Timer對象是物理計時器的軟件接口。Timer對象只有1個狀態(tài)“Timing”（計時狀態(tài)），事件“HardwareTimerInterrupt”（硬件時鐘中斷）引起的躍遷是自躍遷。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi44動態(tài)行為模型（8）用戶界面。MenuUserMode（菜單用戶模式）對象。MenuUserMode是用戶界面的主要用戶模式。用戶可以通過“上”、“下”、“左”、“右”4個按鈕來遍歷菜單項，以選擇所想要的選項?！吧稀?、“下”按鈕可以用來選擇上一個菜單選項或下一個菜單選項，“OK”按鈕用來選中所需要的選項，而“左”、“右”按鈕用來選中前一個菜單或下一個菜單。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi45MenuUserMode對象的狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi46動態(tài)行為模型SettingTimeUserMode（設置時鐘用戶模式）對象。設置時鐘用戶模式用于改變當前時間或鬧鈴時間。其中，“左”、“右”按鈕用來切換激活代表秒、分鐘和小時的域，“上”、“下”按鈕用來修改激活域的值。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi47SettingTimeUserMode對象狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi48動態(tài)行為模型SettingDateUserMode（設置日期用戶模式）對象。設置日期用戶模式用于改變當前的日期。其中，“左”、“右”按鈕用來切換激活代表日、月、年的域，“上”、“下”按鈕用來修改激活域的值。SettingDateUserMode對象的狀態(tài)機圖如圖15.25所示。首先，SettingDateUserMode對象處于“Idle”（空閑）狀態(tài)，當日期用戶模式被激活時，對象進入“ActiveSettingDateUserMode”狀態(tài)，即日期用戶模式激活狀態(tài)。SettingDateUserMode對象的“ActiveSettingDateUserMode”狀態(tài)是一個組合狀態(tài)，它含有3個子狀態(tài)。對象開始進入“ModifyDay”（修改日期）狀態(tài)，即“日期”域激活。當對象SettingDateUserMode處于“ModifyDay”狀態(tài)時，單擊“上”按鈕時，即事件“press(Up)”發(fā)生，日期增加，該事件每發(fā)生1次，日期增加1天；單擊“下”按鈕時，即事件“press(Down)”發(fā)生，日期減少，該事件每發(fā)生1次，日期減少1天；單擊“右”按鈕時，即事件“press(Right)”發(fā)生，對象進入“ModifyMonth”（修改月份）狀態(tài)，即激活域切換到“月”域。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi49SettingDateUserMode對象狀態(tài)機圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi50動態(tài)行為模型通信圖如下頁圖所示通信圖描述了Scheduler對象與它的客戶之間的協(xié)作。Scheduler對象為依賴于時間的對象（例如，對象AlarmClock）提供了準確的計時和調度。對象AlarmClock“預訂”了對象Scheduler的事件，即時間每過去一秒，對象Scheduler都會通知對象AlarmClock一秒鐘過去了。UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi51定期喚醒對象的通信圖UML系統(tǒng)分析與設計第2版ZhenyanJi52動態(tài)行為模型幻燈片54頁圖所示的通信圖描述了SettingTimeUserMode對象、AlarmClock對象、Keyboard對象、ClockView對象等之間的協(xié)作，該協(xié)作用來設置便攜式心電記錄儀的時間?；脽羝?5頁圖所示的通信圖描述了GUI對象、Controller對象、ECGOutput對象、ECGWave對象等之間的協(xié)作，該協(xié)作用來描述回放心電波的過程?；脽羝?6