《嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)》課件-第9章

第9章系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)9.1引言

9.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程和設(shè)計(jì)流程

9.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的形式化方法

9.4需求分析與規(guī)格說明

9.5系統(tǒng)分析與體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.6質(zhì)量保證

思考與練習(xí)題

9.1引言

多數(shù)真正的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際上是很復(fù)雜的，其功能要求非常詳細(xì)，且必須遵循許多其他要求，如成本、性能、功耗、質(zhì)量、開發(fā)周期等。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度使得無(wú)法由個(gè)人設(shè)計(jì)和完成，而必須在一個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)中相互協(xié)作來完成。這樣就使得開發(fā)人員必須遵循一定的設(shè)計(jì)過程，明確分工，相互交流并能達(dá)成一致。

設(shè)計(jì)過程還會(huì)受到內(nèi)在和外在因素的影響。外在影響包括如消費(fèi)者的變化、需求的變化、產(chǎn)品的變化以及元器件的變化等。內(nèi)在影響包括如工作的改進(jìn)、人員的變動(dòng)等。這些都要求嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須掌握一定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)。因此，本章我們將研究設(shè)計(jì)方法學(xué)方面的一些知識(shí)。9.2節(jié)介紹嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，內(nèi)容包括嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般過程和通常采用的一些設(shè)計(jì)流程。9.3節(jié)介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的形式化方法，首先簡(jiǎn)要介紹UML的一些基礎(chǔ)知識(shí)，?然后介紹如何利用UML進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述和行為描述。9.4節(jié)介紹系統(tǒng)定義過程中進(jìn)行需求分析和規(guī)格說明的方法。9.5節(jié)介紹在規(guī)格說明的基礎(chǔ)上如何進(jìn)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。9.6節(jié)討論關(guān)于質(zhì)量保證方面的一些問題。

9.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程和設(shè)計(jì)流程

9.2.1開發(fā)過程

嵌入式系統(tǒng)是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)行在特定的目標(biāo)環(huán)境中，需要同時(shí)滿足功能和性能等方面的要求。在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中，要考慮到實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性、可升級(jí)、可配置、易于操作、接口規(guī)范、抗干擾、物理尺寸、重量、功耗、成本、開發(fā)周期等多種因素。良好的設(shè)計(jì)方法在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中是必不可少的。首先，好的方法有助于規(guī)劃一個(gè)清晰的工作進(jìn)度，避免遺漏重要的工作，例如性能的優(yōu)化和可靠性測(cè)試對(duì)于一個(gè)合格的嵌入式產(chǎn)品而言是不可或缺的。其次，采用有效的方法可以將整個(gè)復(fù)雜的開發(fā)過程分解成若干可以控制的步驟，通過一些先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的輔助，我們可以按部就班、有條不紊地完成整個(gè)項(xiàng)目。最后，通過定義全面的設(shè)計(jì)過程，可以使整個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)的各個(gè)成員更好地理解自身的工作，方便成員之間相互交流與協(xié)作。在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中，團(tuán)隊(duì)的概念至關(guān)重要。

圖9-1是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般過程。圖9-1嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般過程

1．系統(tǒng)定義階段

系統(tǒng)定義階段需要確定系統(tǒng)開發(fā)最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的可行性、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)采用的策略、估計(jì)完成系統(tǒng)開發(fā)所需的資源和成本、制定工程進(jìn)度安排計(jì)劃。這一階段的工作主要包括了系統(tǒng)定義、可行性分析、需求分析和規(guī)格說明這四方面的內(nèi)容。其中，需求分析是指從用戶那里搜集系統(tǒng)的非形式描述。以此為基礎(chǔ)經(jīng)過進(jìn)一步提煉得到系統(tǒng)的規(guī)格說明，并以此來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)件。通常，用戶僅了解和關(guān)心實(shí)際使用問題和需要具備的功能，但是往往不能完整、準(zhǔn)確地表達(dá)這種需求，更不清楚怎樣利用計(jì)算機(jī)去實(shí)現(xiàn)所需的功能。為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤地定義，就要求開發(fā)人員和用戶之間充分交流，開發(fā)人員需要詳細(xì)考察，最終得出經(jīng)用戶確認(rèn)的、明確的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯模型。

需求可分為功能部分和非功能部分。非功能性需求包括了性能、價(jià)格、物理尺寸和重量、功耗等方面的因素。

確認(rèn)需求最好的方法是建立模型。模型可以使用原始數(shù)據(jù)來模擬功能，并可以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。模型還應(yīng)讓用戶了解系統(tǒng)是如何工作的，以及用戶如何與系統(tǒng)交互。通常，系統(tǒng)的非功能模型可以讓用戶了解系統(tǒng)的特性。對(duì)一個(gè)大型的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)定義和需求分析是一件繁瑣的工作，可以從先獲取相對(duì)少量的、簡(jiǎn)單的信息入手。表9-1演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的需求表格的樣本。表9-1需求表格樣本

2．總體設(shè)計(jì)階段

總體設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的第一步，其目的是描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)由系統(tǒng)定義規(guī)定的那些功能。它需要解決嵌入式系統(tǒng)的總體構(gòu)架，從功能實(shí)現(xiàn)上對(duì)軟硬件進(jìn)行劃分；在此基礎(chǔ)上，選定處理器和基本接口器件；根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度確定是否使用操作系統(tǒng)，以及選擇哪種操作系統(tǒng)；此外，還需要選擇系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。本階段應(yīng)提供系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)報(bào)告，推薦一個(gè)基本的軟硬件配置方案，包括系統(tǒng)中各模塊間的接口關(guān)系。確立總體方案時(shí)，要使用系統(tǒng)流程圖或其他工具，描述每一種可能的系統(tǒng)組成，估計(jì)每一種方案的成本和效益，最終使總體方案建立在充分權(quán)衡各種方案利弊的基礎(chǔ)上?？傮w設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的描述必須同時(shí)滿足功能上和非功能上的需求。一般地，功能約束在構(gòu)建系統(tǒng)總體框圖時(shí)集中考慮，而非功能約束在構(gòu)建硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)時(shí)考慮。在構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)非功能約束的估算部分來源于經(jīng)驗(yàn)，而建造一個(gè)簡(jiǎn)化的模型往往有助于做出更精確的估算。

3．構(gòu)件設(shè)計(jì)階段

構(gòu)件通常包括硬件和軟件兩部分。構(gòu)件設(shè)計(jì)使得構(gòu)件、體系結(jié)構(gòu)和規(guī)格說明相一致。

一些構(gòu)件是標(biāo)準(zhǔn)的，可以直接使用，如CPU和存儲(chǔ)器。如果采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，我們就可以用標(biāo)準(zhǔn)例程對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問。這些數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不僅使用預(yù)定義的格式，而且被高度壓縮以節(jié)省存儲(chǔ)空間。在這些訪問函數(shù)中使用標(biāo)準(zhǔn)軟件不僅節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，而且有可能較快地實(shí)現(xiàn)像數(shù)據(jù)解壓縮這樣的專用函數(shù)。

4．系統(tǒng)集成與性能測(cè)試階段

系統(tǒng)集成與性能測(cè)試階段的工作包括將測(cè)試完成的軟件系統(tǒng)裝入制作好的硬件系統(tǒng)中，進(jìn)行系統(tǒng)綜合測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)，各方面指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求，最后將正確無(wú)誤的軟件固化在目標(biāo)硬件中。在系統(tǒng)集成階段通常會(huì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。按階段構(gòu)建系統(tǒng)并正確運(yùn)行選好的測(cè)試，可以更容易地找出這些錯(cuò)誤。如果每次只對(duì)一部分模塊排錯(cuò)，則可以更容易地發(fā)現(xiàn)和識(shí)別較簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤。也只有在早期修正這些簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤，才能發(fā)現(xiàn)那些只有在系統(tǒng)高負(fù)荷時(shí)才能確定的、較復(fù)雜、較含混的錯(cuò)誤。因此，我們必須

確保在體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)件設(shè)計(jì)階段盡可能容易地按階段組裝系統(tǒng)和相對(duì)獨(dú)立地測(cè)試系統(tǒng)功能。9.2.2設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)流程是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間應(yīng)遵遁的一系列步驟，其中的一些步驟可以由工具軟件，如編譯程序或者CAD系統(tǒng)完成；其他的步驟只可用手工完成。本節(jié)將講述設(shè)計(jì)流程的基本特性。

1．瀑布模型

圖9-2演示了瀑布模型，這是一個(gè)為軟件開發(fā)過程提出的模型。圖9-2軟件開發(fā)的瀑布模型

2．螺旋模型

圖9-3演示了螺旋模型。圖9-3軟件設(shè)計(jì)的螺旋模型

3．逐步求精

圖9-4演示了逐步求精的設(shè)計(jì)方法。圖9-4逐步求精開發(fā)模型

4．分層設(shè)計(jì)流程

許多復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)自身是由更多的小設(shè)計(jì)組成的。完整的系統(tǒng)可能需要有效的軟件構(gòu)件、專用的集成電路(ASIC)等，而且這些部件又可能由尚需設(shè)計(jì)的更小的部件組成。從最抽象的完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)到為個(gè)別部件的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程隨著系統(tǒng)中的抽象層次而變化。流程的實(shí)現(xiàn)階段從規(guī)格說明到測(cè)試，本身是一個(gè)完整的流程。在一個(gè)大項(xiàng)目中，每一個(gè)流程可能會(huì)由單獨(dú)的人或小組來完成，每個(gè)組必須依靠其他組的結(jié)果。各個(gè)分組從上級(jí)小組獲得要求，同時(shí)上級(jí)小組依靠各個(gè)分組的設(shè)計(jì)質(zhì)量和測(cè)試性能。充分交流在這樣的大項(xiàng)目中非常重要。其設(shè)計(jì)流程如圖9-5所示。圖9-5嵌入式系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)工作流程

5．并行工程

當(dāng)眾多的設(shè)計(jì)者一起設(shè)計(jì)一個(gè)大系統(tǒng)時(shí)，非常容易偏離完整的設(shè)計(jì)流程，導(dǎo)致每個(gè)設(shè)計(jì)者對(duì)自己在設(shè)計(jì)流程中的角色產(chǎn)生狹隘的看法。并行工程試圖采用一種更寬的方法，使整個(gè)流程優(yōu)化。對(duì)于并行工程而言，縮減設(shè)計(jì)時(shí)間是一個(gè)重要的目標(biāo)，它為設(shè)計(jì)流程的很多方面提供了捷徑，例如可靠性、性能、功耗等。特別需要指出的是，要從并行工程中獲得最多收益，通常需要消除設(shè)計(jì)和制造之間的隔閡。為了獲得最優(yōu)結(jié)果，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)交叉功能組應(yīng)包括來自不同學(xué)科的成員，包括制造業(yè)、硬件/軟件設(shè)計(jì)和市場(chǎng)營(yíng)銷等。

(2)并行產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程的活動(dòng)是并行工程的中心。同時(shí)做幾件事，例如同時(shí)設(shè)計(jì)幾個(gè)不同的子系統(tǒng)，減少設(shè)計(jì)時(shí)間是關(guān)鍵性的。

(3)遞增的信息共享和使用將有助于減少并行產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致意外的可能性。一旦新的信息可用，它就被共享并且集成到設(shè)計(jì)中。交叉功能組對(duì)于及時(shí)和高效的信息共享是很重要的。

(4)綜合的工程管理保證有人對(duì)整個(gè)工程負(fù)責(zé)，而且這種職責(zé)決不能在工程的某一方面一旦完成就放棄。

(5)提供商盡早地和不間斷地參與有助于充分利用提供商的能力。

(6)客戶盡早地和不間斷地關(guān)注有助于確保產(chǎn)品能最好地滿足其需要。

6．其他

軟件工程的方法直接影響到設(shè)計(jì)流程。目前，軟件開發(fā)過程結(jié)合了面向?qū)ο蟮姆椒ê偷谒拇ぞ?。該方法針?duì)嵌入式系統(tǒng)還在不斷完善。

在基于面向?qū)ο蟮拈_發(fā)過程中，開發(fā)組成員可以遵循并行過程的方法，并發(fā)地設(shè)計(jì)組件。

第四代軟件工具能夠根據(jù)較高級(jí)的設(shè)計(jì)規(guī)范生成代碼，例如自動(dòng)報(bào)表生成、自動(dòng)高級(jí)圖形生成、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)查詢以及在創(chuàng)建網(wǎng)站時(shí)自動(dòng)生成HTML代碼等。

總之，不斷改進(jìn)的模型，其過程生命周期是迭代的，直到進(jìn)行驗(yàn)證、確認(rèn)和交付或安裝到系統(tǒng)的ROM中為止。 9.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的形式化方法

9.3.1UML簡(jiǎn)介

在上一節(jié)我們將嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程劃分為四個(gè)階段，在不同的設(shè)計(jì)階段將按照不同層次的抽象完成許多不同的設(shè)計(jì)任務(wù)。在實(shí)際工作中，隨著設(shè)計(jì)過程的延伸，很可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，即每到一個(gè)新的抽象層次可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)重新考慮設(shè)計(jì)。這種情況的發(fā)生主要是由于我們沒有在設(shè)計(jì)工作的起始就為系統(tǒng)建立一個(gè)合適的模型而引起的。我們希望的設(shè)計(jì)過程是一種逐步求精的過程，即隨著設(shè)計(jì)過程的延伸逐漸在設(shè)計(jì)中加入新的細(xì)節(jié)而不是徹底推翻原先的設(shè)計(jì)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就需要用到一種建模語(yǔ)言，以幫助我們不會(huì)偏離設(shè)計(jì)的主線。統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML是一種面向?qū)ο蟮目梢暬Z(yǔ)言，它可以用圖表的方式概念化這些不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，顯然這對(duì)于設(shè)計(jì)過程中的多層抽象非常有用。

面向?qū)ο蟮囊?guī)格說明可以看成互補(bǔ)的兩個(gè)方面：

(1)面向?qū)ο蟮囊?guī)格說明允許用精確地模擬真實(shí)世界的對(duì)象和它們之間的交互方式來描述系統(tǒng)。

(2)面向?qū)ο蟮囊?guī)格說明提供一個(gè)基本的原語(yǔ)集，可以用特殊屬性來描述系統(tǒng)，而不管系統(tǒng)構(gòu)件和真實(shí)世界對(duì)象的關(guān)系如何。

1．UML基本元素

UML最基本的元素是對(duì)象和類，對(duì)象是類的實(shí)例。另外，對(duì)象和類之間可能存在著各種不同的關(guān)系。類具有屬性和行為?；钴S類是能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制線程的類。對(duì)象可能有被賦予特定的值的屬性。匿名對(duì)象屬于某一個(gè)類但沒有標(biāo)識(shí)名。程序包是系統(tǒng)的組織單元，可能包括類定義、對(duì)象等。狀態(tài)在狀態(tài)圖中描述行為。物理處理器是硬件部件。構(gòu)件是實(shí)現(xiàn)一組接口的系統(tǒng)的物理組成部分。

我們常常發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)對(duì)象或類中會(huì)多次用到一些元素的特定組合。我們可以對(duì)這些組合命名，這樣的一個(gè)定義在UML中稱為模板(stereotype)。

表9-2列出了UML的基本元素。圖9-6給出了這些基本元素的表示。表9-2UML基本元素圖9-6UML基本元素

2．UML圖

UML的基本元素可以通過多種方式組合到一起。使用圖形組可以完成以下建模任務(wù)：軟件可視化、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、軟件說明書、軟件開發(fā)過程、工業(yè)過程等。表9-3列出了幾種基本的UML圖。圖9-7給出了這些圖的示例。表9-3UML圖圖9-7UML圖示例9.3.2結(jié)構(gòu)描述

結(jié)構(gòu)描述用于定義系統(tǒng)的基本構(gòu)件。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的首要構(gòu)件自然是對(duì)象。一個(gè)對(duì)象包括定義其內(nèi)部狀態(tài)的屬性集。當(dāng)使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些屬性通常是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的變量或常量。有時(shí)，我們會(huì)在屬性名后加上類型聲明，但不總是對(duì)屬性指定類型。圖9-8說明了一個(gè)用UML符號(hào)表示的描述顯示器(如CRT屏幕)的對(duì)象。折角頁(yè)狀圖標(biāo)中的文字是注釋，它不對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中的對(duì)象。在這里，屬性是保存顯示器內(nèi)容的像素?cái)?shù)組。對(duì)象有兩個(gè)特征：它有唯一的標(biāo)識(shí)名以及它是一個(gè)類的成員。圖9-8UML表示法中的對(duì)象

1．類

類是類型定義的一種形式——從同一個(gè)類導(dǎo)出的所有對(duì)象盡管其屬性可能有不同的值，但它們都有相同的性質(zhì)。類定義了對(duì)象可能有的屬性，也定義了對(duì)象與外界交互的操作。?使用編程語(yǔ)言，操作將變成用來控制對(duì)象的一小段代碼。圖9-9所示是Display類的UML描述。Display類定義了對(duì)象中的pixels屬性。當(dāng)對(duì)象將一個(gè)類實(shí)例化時(shí)，對(duì)象就有了自己的存儲(chǔ)空間，以便同一個(gè)類的不同對(duì)象有自己的屬性值。其他的類能檢查和修改類的屬性。圖9-9UML表示法中的類

2．選擇合適的界面

顯然，選擇界面是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中非常重要的決策。正確的界面必須提供訪問對(duì)象狀態(tài)的方法(因?yàn)閷傩圆荒苤苯釉L問)和更新狀態(tài)的方法。對(duì)象的界面必須通用，以充分利用它的性能。然而，過分通用會(huì)使對(duì)象龐大而緩慢。大而復(fù)雜的界面同樣會(huì)使定義類的工作對(duì)于設(shè)計(jì)者來說難以理解和使用。

對(duì)象和類之間存在若干種類型的關(guān)系：

關(guān)聯(lián)——發(fā)生在彼此通信但沒有從屬關(guān)系的對(duì)象間。

聚集——描述由較小的對(duì)象組成的復(fù)雜對(duì)象。

組合——是一種聚集類型，其中所有者不允許訪問構(gòu)件對(duì)象。

泛化——允許我們通過其他類定義類。

3．類和對(duì)象的軟件實(shí)現(xiàn)

因?yàn)閁ML用于設(shè)計(jì)的很多階段，所以它不是一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。因此，它的概念有時(shí)看起來很抽象。它有助于在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中使用類和對(duì)象前理解其抽象概念。首先，我

們用直接支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)的C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)Display類和d1對(duì)象。下面是Display類的定義：

4．派生類

像大多數(shù)面向?qū)ο笳Z(yǔ)言一樣，UML允許根據(jù)其他的類來定義一個(gè)類。如圖9-10所示的例子中，派生了兩種特殊的顯示器類型：一個(gè)是BW_display，描述黑白顯示器，不需要增加新的屬性和操作，但可以規(guī)定其以每像素一位的方式工作；另一個(gè)是Color_map_display，使用稱為顏色映射表的圖形設(shè)備，允許用戶即使在每像素只有很少幾位時(shí)，也可以從大量現(xiàn)有顏色中選擇。這個(gè)類定義了color_map屬性，該屬性決定如何把像素值映射到顯示顏色。一個(gè)派生類從它的基類繼承所有的屬性和操作。圖9-10UML中派生類作為泛化的一種形式

5．泛化和繼承

UML認(rèn)為繼承是泛化的一種形式。泛化關(guān)系在UML圖中用空心箭頭顯示。BW_display和Color_map_display都是Display的特定版本，因此Display泛化了它的兩個(gè)版本。UML允許多重繼承，即一個(gè)類繼承不止一個(gè)基類(大部分面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言都支持多重繼承)。圖9-11所示是一個(gè)多重繼承的例子，為了簡(jiǎn)便起見，我們忽略類的屬性和操作的細(xì)節(jié)。在此，將Display類和處理聲音的Speaker類合并建立了Multimedia_display類，該類繼承兩個(gè)基類Display和Speaker的所有屬性和操作。多重繼承會(huì)導(dǎo)致屬性集的大小迅速增加和操作的迅速增多，因此須小心使用。圖9-11UML中的多重繼承一個(gè)鏈接描述對(duì)象間的關(guān)系。關(guān)聯(lián)與鏈接的關(guān)系就像類與對(duì)象的關(guān)系，需要鏈接是因?yàn)閷?duì)象通常不是孤立的，關(guān)聯(lián)使我們獲得這些鏈接的類型信息。圖9-12顯示了鏈接和一個(gè)關(guān)聯(lián)的例子。圖9-12鏈接和關(guān)聯(lián)9.3.3行為描述

行為描述用來規(guī)定系統(tǒng)的行為和結(jié)構(gòu)。規(guī)定操作的行為采用的一種方法是狀態(tài)機(jī)。圖9-13表示UML狀態(tài)，兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換用箭頭表示。圖9-13UML中的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換這些狀態(tài)機(jī)不依賴硬件時(shí)鐘的操作，一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由事件觸發(fā)。事件是某一種動(dòng)作，可能來自系統(tǒng)外部，如用戶按了一個(gè)按鈕；也可能來自系統(tǒng)內(nèi)部，如一個(gè)例程完成計(jì)算并將結(jié)果傳送到另一個(gè)例程。下面將集中討論圖9-14中顯示的用UML定義的三種類型的事件。圖9-14UML中的信號(hào)、調(diào)用和定時(shí)器事件考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)規(guī)則來理解UML狀態(tài)機(jī)的語(yǔ)義。圖9-15展示了顯示操作的狀態(tài)機(jī)。開始和結(jié)束狀態(tài)是特殊的狀態(tài)，它有助于組織狀態(tài)機(jī)的流程。狀態(tài)機(jī)中的狀態(tài)代表了不同的概念性的操作。某些情況下，根據(jù)輸入或狀態(tài)中的計(jì)算結(jié)果，我們采用狀態(tài)條件轉(zhuǎn)移，其他情況下都無(wú)條件轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)。條件轉(zhuǎn)移和無(wú)條件轉(zhuǎn)移都使用調(diào)用事件。將復(fù)雜操作分解成幾個(gè)狀態(tài)有助于證明需求的步驟，類似于使用子例程來構(gòu)建代碼。圖9-15UML中的狀態(tài)機(jī)規(guī)格說明有時(shí)給出隨時(shí)間的操作順序是很有用的，特別是在涉及許多對(duì)象時(shí)。在這種情況下，可以建立一個(gè)順序圖，就像圖9-16顯示的鼠標(biāo)單擊事件一樣。順序圖有時(shí)與硬件時(shí)序圖很相似(雖然時(shí)間流在順序圖中是垂直的而在時(shí)序圖中是水平的)。設(shè)計(jì)順序圖來顯示特定情景或事件的選擇，這不便于顯示互斥可能性的多寡。圖9-16UML中的順序圖 9.4需求分析與規(guī)格說明

9.4.1需求分析

創(chuàng)建一個(gè)需求文檔的目的是使用戶和設(shè)計(jì)者可以有效地交流。設(shè)計(jì)者應(yīng)該知道用戶期望他們?cè)O(shè)計(jì)什么，而用戶應(yīng)該明白他們將得到什么。

需求有兩種類型：功能性需求和非功能性需求。一個(gè)功能性需求說明了這個(gè)系統(tǒng)必須做什么，例如FFT運(yùn)算。一個(gè)非功能性需求可以是其他屬性中的一些性質(zhì)，包括物理尺寸、價(jià)格、功耗、開發(fā)周期、可靠性等。一套好的需求分析應(yīng)該滿足以下測(cè)試要求：

(1)正確性——需求不能錯(cuò)誤地描述用戶的要求。正確性還包括應(yīng)該避免超出需要的需求，需求不應(yīng)該加上那些不必要的條件。

(2)無(wú)二義性——需求文檔應(yīng)該清晰，并且只用一種明確的語(yǔ)言解釋。

(3)完整性——所有的需求都應(yīng)該被包括。

(4)可檢驗(yàn)性——應(yīng)該有一個(gè)有效的方法來確保最后的產(chǎn)品滿足每一種需求。例如，在不符合“吸引力”定義的情況下，一個(gè)想使系統(tǒng)組裝吸引人的需求是很難驗(yàn)證的。

(5)一致性——一個(gè)需求不能和另一個(gè)需求相矛盾。

(6)可修改性——需求文檔應(yīng)結(jié)構(gòu)化，以便在不影響一致性、可檢驗(yàn)性等情況下可以被修改以適應(yīng)變化的需求。

(7)可追蹤性——每個(gè)需求應(yīng)滿足以下可追蹤性：

——可以追蹤需求知道每個(gè)需求存在的價(jià)值。

——可以追蹤需求之前創(chuàng)建的文檔來理解它們?nèi)绾闻c最終的需求相關(guān)聯(lián)。

——可以向前追蹤來理解每個(gè)需求在實(shí)現(xiàn)中如何被滿足。

——可以向后追蹤以便知道哪一個(gè)需求是用戶滿意的。9.4.2規(guī)格說明

1．SDL

使用狀態(tài)機(jī)可以確定UML中的控制。SDL(SystemDescriptiveLanguage，系統(tǒng)描述語(yǔ)言)是一種廣泛使用狀態(tài)機(jī)的規(guī)格說明語(yǔ)言，這種語(yǔ)言是通信產(chǎn)業(yè)為通信協(xié)議、電話系統(tǒng)等開發(fā)的。如圖9-17所示，SDL規(guī)格說明包括狀態(tài)、操作以及狀態(tài)間有條件的和非條件的轉(zhuǎn)換。SDL是一個(gè)面向事件的狀態(tài)機(jī)模型，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換由內(nèi)部或外部事件引發(fā)。圖9-17SDL規(guī)格說明語(yǔ)言

2．狀態(tài)圖表

狀態(tài)圖表是一種常用的基于狀態(tài)的規(guī)格說明的方法，它基于一種事件驅(qū)動(dòng)模型建立。狀態(tài)圖表允許狀態(tài)被組合在一起表示普通的功能。兩種基本的組合是OR(或)和AND(與)。圖9-18通過用OR狀態(tài)描述的狀態(tài)圖表與傳統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的比較演示了一個(gè)OR狀態(tài)的例子。圖9-18狀態(tài)圖表中的OR狀態(tài)圖9-19通過與傳統(tǒng)狀態(tài)機(jī)模型的比較演示了用狀態(tài)圖表符號(hào)表示的AND狀態(tài)。傳統(tǒng)的模型中，狀態(tài)間有大量的轉(zhuǎn)換，并且一組狀態(tài)中只有一個(gè)入口點(diǎn)和一個(gè)出口點(diǎn)。圖9-19狀態(tài)圖表中的AND狀態(tài)

3．AND/OR表

圖9-20演示了一個(gè)AND/OR表的例子及其所描述的布爾表達(dá)式。AND/OR表中的每一行用表達(dá)式中的基本變量標(biāo)記。每一列相當(dāng)于表達(dá)式中的一個(gè)AND項(xiàng)。例如，AND項(xiàng)(條件2與非條件3)在第二列中用使條件2為真、條件3為假、條件1忽略來表示，這就相當(dāng)于AND條件要為真時(shí)，必須有條件2為真且條件3為假。我們用這種表來估計(jì)一個(gè)給定的條件在系統(tǒng)中是否有效。變量的當(dāng)前狀態(tài)與表中的元素相比較，如果所有當(dāng)前變量的值與該列中給定的要求的值相等，則該列的值就為真。當(dāng)我們期望一個(gè)AND/OR表達(dá)時(shí)，若列中任一值為真，則這個(gè)表為真。這個(gè)符號(hào)表和狀態(tài)圖表最大的不同在于“否”的情況在表中明確地表示了出來。實(shí)踐證明，這樣的表示對(duì)在一個(gè)規(guī)格說明表中尋找問題有很大幫助。圖9-20AND/OR表

9.5系統(tǒng)分析與體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

把一個(gè)規(guī)格說明變成一種體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這對(duì)于理解一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)是一種非常有用的方法。

CRC卡方法是幫助分析一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種普遍、實(shí)用的方法。由于它支持封裝數(shù)據(jù)和功能，因此特別適用于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)。

縮寫CRC代表此方法所要確認(rèn)的以下三個(gè)主要項(xiàng)目：

類(Class)——定義了數(shù)據(jù)和功能的邏輯分組。

責(zé)任(Responsibility)——描述類所要做的工作。

協(xié)作者(Collaborator)——與給定類相關(guān)的其他類。

CRC卡的命名源自人們習(xí)慣于將此方法寫在標(biāo)簽上，在其空白處填寫類的名字、責(zé)任、協(xié)作者以及其他的相關(guān)信息。CRC卡方法的實(shí)質(zhì)是要人們填寫這些卡片，討論并更新卡片內(nèi)容，直到獲得自己滿意的結(jié)果。圖9-21所示為CRC卡的示意圖。圖9-21CRC卡示意圖用CRC卡分析系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該按下列步驟進(jìn)行：

(1)設(shè)計(jì)類的初始清單。

(2)書寫責(zé)任和協(xié)作者初始清單。

(3)創(chuàng)建一些使用腳本。

(4)預(yù)演腳本。

(5)求精類、責(zé)任、協(xié)作者。

(6)添加類之間的關(guān)系。 9.6質(zhì)量保證

產(chǎn)品或服務(wù)的質(zhì)量可以用滿足其功能的程度來判斷。造成產(chǎn)品質(zhì)量低下的原因有很多，如粗制濫造、元件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、體系結(jié)構(gòu)構(gòu)思不合理、沒有正確理解產(chǎn)品的需求，等等。質(zhì)量必須作為設(shè)計(jì)的一部分。質(zhì)量保證(QA)過程對(duì)提交一個(gè)令人滿意的系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的，而對(duì)質(zhì)量的追求貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)流程中。本節(jié)我們將集中討論旨在改進(jìn)最終系統(tǒng)的質(zhì)量的方法學(xué)部分的內(nèi)容。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了ISO9000系列質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。ISO9000在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括但不限于嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件。針對(duì)某一特定產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可以制定適應(yīng)該產(chǎn)品的特殊的、具體的規(guī)范，但是涉及范圍廣泛的標(biāo)準(zhǔn)不可能對(duì)工業(yè)中的每一領(lǐng)域都面面俱到。所以，ISO9000重在規(guī)范產(chǎn)品制造和服務(wù)的過程。滿足ISO9000的生產(chǎn)過程將對(duì)整個(gè)組織以及設(shè)計(jì)和制造過程中的每一步產(chǎn)生影響。可用來驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)并確保質(zhì)量的技術(shù)有許多種，包括手工的和基于工具的?；诠ぞ叩尿?yàn)證有助于妥善地管理在復(fù)雜設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的大量信息。驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)必須適合整個(gè)軟件開發(fā)過程，這一過程的具體內(nèi)容將取決于多個(gè)因素，包括正在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的類型、要生產(chǎn)的單元的數(shù)量和設(shè)計(jì)允許的時(shí)間、公司中業(yè)已存在的規(guī)則慣例以及其他一些因素。

檢測(cè)組織軟件開發(fā)過程質(zhì)量的一個(gè)眾所周知的方法是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所提出的能力成熟度評(píng)價(jià)模型(CMM)。CMM提供了一個(gè)判斷組織成熟度的模型，該模型將組織的成熟度定義為5個(gè)等級(jí)。

(1)初始級(jí)(Initial)：開發(fā)過程的組織工作雜亂無(wú)章，缺乏定義良好的軟件開發(fā)過程。項(xiàng)目的成功完全依賴于個(gè)人的努力，與組織自身無(wú)關(guān)。

(2)可重復(fù)級(jí)(Repeatable)：提供了跟蹤機(jī)制，使管理人員可以了解軟件開發(fā)的費(fèi)用、調(diào)度、正在開發(fā)系統(tǒng)與目標(biāo)相符的程度等。

(3)定義級(jí)(Defined)：管理和開發(fā)過程均已實(shí)現(xiàn)文檔化和標(biāo)準(zhǔn)化。所有項(xiàng)目均使用文檔化的并且核準(zhǔn)了的標(biāo)準(zhǔn)方法。

(4)管理級(jí)(Managed)：可對(duì)開發(fā)過程和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量。

(5)優(yōu)化級(jí)(Optimizing)：CMM的最高級(jí)別，利用詳細(xì)的測(cè)量反饋資料來不斷地完善、提高組織的軟件開發(fā)過程。

1．需求驗(yàn)證

驗(yàn)證需求可以采取許多措施來保證客戶和起草需求的人相互交流。原型是一個(gè)與最終用戶溝通的非常有用的工具。與只是用廣泛的技術(shù)術(shù)語(yǔ)向用戶描述系統(tǒng)不同的是，原型至少可使客戶聽到、看到、感受到系統(tǒng)的一些重要方面。當(dāng)然，原型不可能完成系統(tǒng)的所有功能，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工作還沒有做。但是，特殊的用戶界面可用于建立原型和用戶測(cè)試?？梢杂妙A(yù)先設(shè)定的或隨機(jī)的數(shù)據(jù)來仿真系統(tǒng)的內(nèi)部操作。原型有助于最終用戶判斷許多功能上的和非功能上的需求，如數(shù)據(jù)顯示、操作速度、大小、重量，等等。

2．規(guī)格說明驗(yàn)證

用于驗(yàn)證需求的工具和方法如建立原型、規(guī)格說明語(yǔ)言和參照已存系統(tǒng)，對(duì)驗(yàn)證規(guī)格說明的正確性同樣有用。審計(jì)工具可用于檢驗(yàn)一致性、完整性等。使用腳本可幫助設(shè)計(jì)者完成規(guī)格說明的細(xì)節(jié)工作，并確保其完整性和正確性。在某種情況下，形式化技術(shù)(即使用數(shù)學(xué)證明的設(shè)計(jì)技術(shù)，證明可手工完成或自動(dòng)完成)可能也很有效。某些復(fù)雜系統(tǒng)說明起來可能很簡(jiǎn)單，但整個(gè)時(shí)間序