UML嵌入式系统开发实例.docx
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UML嵌入式系统开发实例
讲义名称：
UML嵌入式系统开发实例
本讲义内容包括：
1.录音程式（Recorder）---p.2
2.单晶片嵌入式软体介面设计---p.2
---以8051控制四位数七节LED灯为例
本文引自高焕堂所着的“物件导向ANSI-C”和
“物件导向KeilC51”两书
UML嵌入式系统开发实例之二
如何实现
嵌入式介面设计
---以四位数七节LED灯为例
----情境：
LED显示灯控制
----建模：
SysML/UML
----语言：
物件导向KeilC51
----CPU：
8051
----平台：
无OS单晶片
介面用途：
从硬体的PnP谈起
硬体埠（Port）就是介面
8051硬体的埠（Port）其实就是介面，透过介面可以连接到LED、蜂鸣器、及键盘（Keyboard）等等。
如下图：
硬体的介面
有了像P0、P1等介面，ㄧ个8051单晶片就可以随时与LED显示器分合自如，也就俗称的PnP（PlugandPlay）。
日常生活中的介面
上述的介面观念并不是电脑硬体才有。
在一般生活上已经存在非常久远了。
例如：
例如家中墙壁上的插头介面：
日常生活中的「插头/插座」介面
上图里，X、Y、Z牌的电器皆提供双脚插头。
而A、B皆为双孔插座。
透过介面能带来许多方便，例如Z可插在A上，也可将Z拔出来换插在B上﹔X可随时插到A或B。
所以共可有XA、XB、YA、YB、ZA、ZB六种搭配，极具弹性。
X、Y、Z三者具有共同介面。
A、B具有共同介面。
双方介面能相容合作，就创造出极大弹性了。
插头与插座两个族群能各自发展，只要介面一致，就能相辅相成。
例如电器业者可以推出更多种的电器，则电器体系就会无限成长了，如下图所示。
「插头」体系之扩充
由于Ym、Yn及K与X、Y、Z的介面是一致的，都提供双脚插头。
所以皆可买回家插在A或B牌插座上。
同理，插座族群亦能扩充如下图所示：
「插座」体系之扩充
这两族群在独立成长的过程中，其介面维持不变，保持其相容性。
所以新型电器如Ym，可插在新型的C电脑桌之插座上。
当然，新旧也仍可搭配，如X可插在D餐桌之插座上，以上是带给消费者之利益；此外，也带给生产者好处：
电器设计者（如声宝家电）不必考虑到插座背后的电源构造（及其可能之变化），只要介面一致（两脚插头搭配双孔插座）就行了。
另一方面，插座背后电源结构之设计者（如水电设计师）也不必费心去了解电器之构造，只要提供一致介面（两脚插头搭配双孔插座）就行了。
因此，消费者、电器制造者、及水电设计师三方皆获得益处。
如此，系统不只追求一时的连结，更要追求持久的和谐与成长。
为了达成这个目标，系统的新陈代谢必须顺畅，也就是，系统内之物件必须能随时迅速汰旧换新、分合自如（即PnP）。
汽车轮盘就是介面
为了实现PnP，我们必须进行介面设计，就如同汽车的轮胎能随时抽换（PnP），其依赖标准的轮盘（即介面）设计。
也是因为能随时抽换轮胎（即分合自如），所以汽车能持久保持整体的和谐。
PnP（即分合自如）是目的，而介面是手段。
介面设计之优劣关系到PnP之效果。
例如上述的汽车轮胎坏了，只要从介面（如轮盘）卸下坏轮胎，换上新轮胎就让汽车恢复了。
轮盘介面之存在价值就在于：
汽车的部份（如轮胎）受损了，只要PnP、迅速换上新轮胎，就不牵累了整部汽车，避免汽车瘫痪。
就轮胎的角度而言，汽车是轮胎的Client，它正使用轮胎，接受轮胎的服务。
当NISSAN汽车能以一视同仁的态度来对待不同厂牌的轮胎（如固特异轮胎、南港轮胎）时，也就是不同厂牌的轮胎，只要合乎轮盘介面，就能PnP到汽车上，这就是多形性了。
所以多形性与PnP的涵意是一致，都意味着：
做好介面设计，促进物件之分合自如，让系统不会因某部份改变而造成瘫痪，反而新陈代谢顺畅、生生不息。
介面代表一个空间
轮盘介面，代表一个虚的空间，凡是符合此介面的物件（包括未来可能会出现的新品牌轮胎），皆属于该空间的元素。
此空间内的元件会生生不息、推陈出新、更新版本，就是所有过去、现在、未来的多形性物件的集合，就是此空间。
这个空间是跨时间的，也是跨空间的。
透过介面空间容纳更多别人未来的元件，不但整合了别人的元件，也整合别人源源不绝的设计智慧，让自己成长更快。
此外，也整合别人过去、现在、未来所设计的产品。
如此，一方面让自己的系统生生不息；另一方面让别人的物件拥有更多用途和历练、品质更加精美；回过头来，更促进我们系统的品质与生命力，构成Win-Win-Win.....的繁荣景象。
因之，介面是系统分析与设计的关键、是追求系统品质的尚方宝剑。
软体介面
在8051硬体组件里含有嵌入式软体，如下图：
图嵌入式软体的角色
如果软体也有埠可连结硬体埠时，如下图：
软体物件的介面
LED物件的data_port连接到8051硬体组件P0时，其关系就相当于硬体组件P0连接到LED显示器之关系。
基于这个相对应关系可得到效果：
●你已经理解：
8051硬体组件很容易将LED显示器PnP掉。
●同理可知道：
LED软体物件很容易将8051硬体组件PnP掉。
当我们从8051硬体组件PnP掉LED显示器时，意味着：
8051硬体组件（如同车体）的重用（Reuse）；而不是LED显示器（如同轮胎）的重用。
许多人误解为介面设计是在追求小物件的重用，其实是不对的。
想一想，当您的台灯灯管坏了，把坏灯管拔掉，换上新灯管，结果是：
重用了整个台灯，而不是重用灯管。
在想一想，一部Benz轿车轮胎坏掉了，把坏轮胎抽换掉，整部汽车恢复完好，所以重用「整部汽车」了。
当然，轮胎也有其重用之价值，只是其价值不高；反而重用整部汽车的价值非常高。
为了让您更深刻体会这个真谛，兹举StevenVogel在他的书----猫掌与弹弓里所说的：
「对人类来说，….系统功能要达到整齐划一，通常得凭藉建造过程的持续一贯，零件（物件）要能够彼此互换也需要高度的一贯性。
自然界确正好相反，不仅对于零件互相交换毫无兴趣，甚至还积极反对它。
（例如免疫系统排斥心脏移植）。
」
所以，介面设计之意义，并非要不断重用它来获利；而是追求能低成本换掉坏元件，然后装上新元件；就等于重用整个系统里的其它好物件，以及该新物件。
所以：
●轮胎（物件）是要换掉的，不要想去Reuse轮胎，其价值很低。
●换掉坏轮胎，等于再生（Renew）一部汽车，等于重用整部汽车的其它好物件，价值极大。
●换掉坏轮胎，而装上新轮胎，等于使用（UseorReuse）未来所有潜在可用的物件。
积极换掉旧物件，等于积极重用未来潜在的新元件。
重用既有元件是有意义，但是价值不高，若因之而必须调整整个系统的其他好物件（即牵一发动全身），就得不偿失了！
最后，请您看看世界知名软体专家Cheesman&Daniels的书----UMLComponents:
ASimpleProcessforSpecifyingComponent_BasedSoftware里所说的：
“Thismaysurprisesomepeople.Manythinktheprimaryobjectiveofcomponentsisreuse.Theywanttodesignsomethingonceanduseitoverandoveragainindifferentcontexts,therebyrealizinglargeproductivitygains,takingadvantageofbest-in-classsolutions,theconsequentimprovedquality,andsoforth.Theseareadmirableobjectives,butthemaindrivertodayisthatthingskeepchanging,andoften----aswithbusiness-to-businesselectroniccommerce----thereisnolongeranyhopethatcentralizedcontrolcannotbeexerted.Insuchanenvironmentoneoftheprimaryobjectivesofacomponentisthatitmustbeeasilyreplaceable….”
（这可能会让您很惊讶！
许多人认为元件的主要目标是重用元件。
其希望只要设计一次元件，就能一再地在不同场合里反覆使用它，因而提高人员产能，运用最好的解决方案，然后改善品质等等。
但是，今天问题的根源在于一切事情都快速变迁----尤其是跨企业的电子商务----中央集权机制已无用武之地。
在此环境里，软体元件设计的首要目标就是：
能轻易把它换掉。
）
能以极低的成本换掉坏元件，就能带给软体系统弹性、灵活及生命力，其元件的新陈代谢极为顺畅。
元件（物件）就如同壁虎的尾巴，当壁虎的尾巴被猫咬住时，会立即断尾逃生。
壁虎迅速干净例落地丢弃旧物件，重用没有被咬住的身体，再生出新尾巴（物件），恢复（Renew）成一只活生生的完整壁虎。
如果壁虎不能轻易弃尾（抛弃物件）逃生，这个已经不能正常运作的尾巴（坏物件）就会拖累整只壁虎。
软体介面的范例之一
分析与设计
现在我们使用KeilC来逐步实作上图15-7的软体介面。
从下图可知LED类别需要定义两个埠，如下图：
图15-8规划LED物件的介面
以LW_OOPC定义LED类别如下：
CLASS（LED）
{
void（*data_port）（char）;
void（*scan_port）（char）;
……
};
接下来，设计两个channel（可呈现为物件或函数）。
例如，
staticvoidchannel_0（chary）{
P0=y;
}
staticvoidchannel_1（charx）{
P1=x;
}
其中，channel_0已经连接到P0，而channel_1已经连接到P1。
现在就拿channel_0连接到LED物件的data_port。
同时也拿channel_1连接到LED物件的scan_port上。
其指令写法为：
LED*t;
………
t->data_port=channel_0;
t->scan_port=channel_1;
于是就将LED物件与8051硬体组件连接起来了，如下图：
图15-9以channel连接软体物件与硬体组件
分析与设计
上述图15-8和15-9都不是UML标准图示，兹以StarUML工具绘制UML的组合结构图（Composite-StructureDiagram）如下：
图15-10UML的组合结构图
以KeilC实作软体介面
首先撰写LED类别的定义：
/*EX15-led.h*/
#ifndefLED_H
#defineLED_H
CLASS（LED）
{
void（*data_port）（char）;
void（*scan_port）（char）;
void（*run）（LED*）;
};
#endif
定义了data_port和scan_port两个函数来实现LED物件对外的埠。
接着定义一般软体内部函数run（）来处理物件内部的事务。
如下述程式码：
/*EX15-led.c*/
#include
#include"lw_oopc_kc.h"
#include"ex15-led.h"
voidg_delay（unsignedlongms）{
longi,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<120;j++）;
}
staticunsignedcharSEGTAB[]={0xC0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x83,0xf8,0x80,0x98};
staticunsignedcharSCANLINE[]={0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};
staticvoidchannel_1（charx）{
P1=x;
}
staticvoidchannel_0（chary）{
P0=y;
}
staticvoidrun（LED*t）{
unsignedcharch,sc;
t->data_port=channel_0;
t->scan_port=channel_1;
/*--------------------*/
P0=0xf0;
ch=SEGTAB[0];
sc=SCANLINE[0];
t->scan_port（0xff）;
t->data_port（ch）;
t->scan_port（sc）;
g_delay（20000）;
/*--------------------*/
ch=SEGTAB[9];
sc=SCANLINE[1];
t->scan_port（0xff）;
t->data_port（ch）;
t->scan_port（sc）;
g_delay（20000）;
}
CTOR（LED）
FUNCTION_SETTING（run,run）
END_CTOR
执行run（）函数里的指令：
t->data_port=channel_0;
t->scan_port=channel_1;
就把channel_0（）和channel_1（）连接到LED物件的两个埠上。
接下来的指令：
ch=SEGTAB[0];//取得'0'这个数字的data_code
sc=SCANLINE[0];//取得显示在第0个位置的scan_code
t->scan_port（0xff）;//清除
t->data_port（ch）;//送出data_code到P0
t->scan_port（sc）;//送出scan_code到P1
于是LED显示器的第1位数出现'0'。
再来的指令：
ch=SEGTAB[9];//取得'9'这个数字的data_code
sc=SCANLINE[1];//取得显示在第1个位置的scan_code
t->scan_port（0xff）;//清除
t->data_port（ch）;//送出data_code到P0
t->scan_port（sc）;//送出scan_code到P1
于是LED显示器的第2位数出现'9'。
最后撰写main（）函数：
/*EX15-ap-1.c*/
#include
#include"lw_oopc_kc.h"
#include"ex15-led.h"
externvoid*LEDNew（）;
charxdataMemPool[1024];
voidmain（void）{
LED*led;
init_mempool（MemPool,sizeof（MemPool））;
/*--------------------------*/
led=LEDNew（）;
led->run（led）;
}
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