什么是嵌入式系统？
嵌入式系统是一种专门设计用于在更大系统或产品中执行特定功能或任务的计算机系统。与能够运行各种应用程序的通用计算机不同，嵌入式系统针对特定功能进行定制，通常在其指定的应用领域内优化性能、功耗效率和可靠性。
嵌入式系统的关键特性包括：
- 专用功能：嵌入式系统是专为执行一个或少数几个特定任务而设计的，例如控制微波炉、管理汽车发动机、处理医疗设备的数据，或调节恒温器的温度。
- 集成：这些系统被集成到更大的产品或系统中，作为组件或子系统运行。它们通常在幕后运行，对最终用户不可见。
- 硬件与软件：嵌入式系统结合了硬件和软件组件。硬件包括微控制器、微处理器、传感器、执行器和其他专用组件。软件通常称为固件，负责执行嵌入式系统功能。
- 实时运行：许多嵌入式系统以实时方式运行，这意味着它们必须在特定时间范围内响应输入或事件，以确保系统功能正常。实时嵌入式系统用于汽车控制、工业自动化和机器人等应用。
- 资源限制：嵌入式系统通常具有有限的计算资源，包括处理能力、内存和存储空间。这些限制促使需要高效编程和优化。
- 可靠性：嵌入式系统设计为具有高可靠性和稳定性，因为它们用于关键应用，一旦失效可能造成严重后果，例如在医疗设备或航空航天系统中。
- 长期生命周期：嵌入式系统通常预期具有长期生命周期，可能需要在多年内无需重大更改或更新的情况下持续运行。
嵌入式系统的例子可以在多个领域找到，包括消费电子（智能手机、数码相机）、汽车（发动机控制单元、信息娱乐系统）、工业自动化（可编程逻辑控制器PLC）、医疗保健（医疗设备、患者监护系统）以及其他许多领域。
简而言之，嵌入式系统是一种专门设计用于在更大背景下执行特定功能的计算系统，强调可靠性、实时运行和资源优化。
UML中的部署图是什么？
统一建模语言（UML）中的部署图是一种用于描绘系统中软件组件和硬件节点物理部署的图表。它展示了软件构件（如可执行程序、库和组件）在现实计算环境中如何分配到硬件节点（如服务器、计算机或设备）上。
以下是UML中与部署图相关的关键元素和概念：
- 节点：节点在部署图中表示硬件元素或设备。这些可以包括服务器、工作站、路由器、交换机、笔记本电脑等。每个节点通常都有名称，并可能包含其属性的其他详细信息。
- 构件：构件表示软件组件或模块。这些可以包括可执行文件、库、数据库模式、配置文件或其他任何与软件相关的项目。构件与节点相关联，以显示它们被部署的位置。
- 关联：节点与构件之间的关联或连接器表示部署关系。这些关联表明某个特定的软件组件被部署在某个特定的硬件节点上。关联可以带有标签或构造型来描述部署类型（例如，“运行在”、“托管于”、“连接到”）。
- 依赖关系: 在某些情况下，您可以包含构件之间的依赖关系，以显示它们之间的相互依赖关系。例如，一个应用程序可能依赖于数据库服务器或Web服务器。
- 通信路径: 部署图还可以包含节点之间的通信路径，以显示它们如何相互交互。这对于理解分布式系统中的网络通信或数据流非常重要。
部署图在需要理解并沟通系统物理架构的情况下尤其有用，尤其是在运行在多个服务器或设备上的复杂软件应用程序中。它们有助于利益相关者可视化软件组件如何分布在硬件节点上，以及这些节点如何相互连接。
在现实环境中规划、实施和管理软件系统的部署时，部署图是系统架构师、软件开发人员和系统管理员的宝贵工具。
何时使用部署图：
- 集成需求: 确定新引入的系统需要与哪些现有系统进行交互或集成。部署图有助于可视化这些交互。
- 系统健壮性: 评估系统的健壮性需求，包括是否需要硬件冗余以确保在发生故障时系统仍能保持可用。
- 系统利益相关者: 识别将连接到或与系统交互的人员和实体，并定义交互方式。
- 中间件和协议: 指定系统用于通信和数据传输的中间件、操作系统和通信协议。
- 用户交互: 明确用户将直接交互的硬件和软件组件，例如个人电脑、网络计算机或Web浏览器。
- 系统监控: 确定系统部署后如何进行监控，以确保其健康状况和性能。
- 安全措施: 定义系统所需的安全级别，包括防火墙、物理安全硬件或其他安全机制的需求。
部署图的目的：
- 结构化表示: 部署图提供了系统运行时结构的可视化表示，展示了所使用的硬件元素及其相互连接。
- 硬件与通信建模: 它们对物理硬件组件以及它们之间的通信路径进行建模，有助于理解系统架构。
- 规划工具: 部署图有助于规划系统架构，帮助利益相关者就硬件和软件分配做出明智决策。
- 文档: 它们对于记录系统内软件组件或节点的部署具有重要价值，有助于系统文档编制和沟通。
如何使用UML部署图对嵌入式系统进行建模
创建嵌入式系统所带来的挑战远不止软件开发本身。它涉及对物理领域的复杂管理，其中包含易受磨损和损耗的运动部件、信号行为不稳定以及非线性特性。在为这类系统构建模型时，必须考虑其与现实世界的交互，这需要对非传统设备和节点进行深入思考。
部署图是促进项目中硬件工程师与软件开发人员之间有效沟通的宝贵工具。通过使用具有典型特征、类似于常见设备的节点，你可以构建出对双方都具有共鸣的图表。这些部署图在探讨软硬件相互作用方面也起着关键作用。它们作为可视化、阐述、构建和记录支撑系统各项工程决策的手段。
为了有效建模嵌入式系统，请遵循以下步骤：
- 识别你的系统特有的独特设备和节点。
- 利用UML的可扩展性功能，为特定系统创建带有相应图标的系统专用构造型，尤其是针对不常见的设备。至少应区分处理器（承载软件组件）和设备（在此抽象层次上不具有直接软件集成）。
- 构建一个部署图，以明确这些处理器和设备之间的关系。同样，明确系统实现视角中的组件与系统部署视角中的节点之间的连接关系。
- 如有需要，通过开发更详细的部署图来进一步阐述任何智能设备。
例如，考虑下图所示的硬件配置，它展示了一个基本的自主机器人。在这幅图中，你会看到一个被标记为处理器的单一节点，即Pentium主板。该节点周围有八个设备，每个都标记为“设备”，并用图标表示，这些图标提供了与其实体对应物相匹配的鲜明视觉呈现。
为什么嵌入式系统最适合通过UML部署图进行建模？
- 物理映射：嵌入式系统涉及将软件组件部署到特定的硬件节点上。UML部署图专为表示软件工件在硬件上的物理映射而设计，因此是建模嵌入式系统中软硬件交互的理想选择。
- 现实世界背景：嵌入式系统在包含各种硬件设备、传感器、执行器和通信接口的现实世界环境中运行。部署图使你能够直观地捕捉这些物理元素与它们所交互的软件组件之间的关系。
- 可视化清晰度：UML部署图使用图形化符号，以清晰且直观的方式表示硬件节点、软件组件及其连接关系。这种清晰性有助于理解嵌入式系统的架构与部署。
- 沟通：部署图有助于促进嵌入式系统开发过程中不同利益相关者之间的有效沟通，包括软件开发人员、硬件工程师、系统架构师和项目经理。它们提供了一种共同的视觉语言，用于讨论与部署相关的问题。
- 资源分配：嵌入式系统通常面临资源限制，例如处理能力、内存或能源有限。部署图有助于在考虑这些限制的前提下，将软件组件分配到可用的硬件节点上。
- 验证与确认：使用UML对嵌入式系统的部署进行建模，有助于在实现前尽早进行架构的验证与确认。这有助于在早期发现潜在问题或瓶颈，从而构建出更可靠、更高效的系统。
- 文档：部署图是系统物理架构的宝贵文档。它们记录了软件组件在硬件节点上的分布情况，这对于维护、故障排查和系统演进至关重要。
- 可扩展性与复杂性：嵌入式系统可以从简单的设备扩展到复杂的分布式系统。UML部署图能够适应表示小型和大型嵌入式系统，因此在建模不同复杂程度的系统时具有高度的灵活性。
- 与其他UML图的集成：UML部署图可以与其他UML图（如类图、时序图和组件图）集成，以提供嵌入式系统的整体视图。这种集成有助于同时捕捉系统的结构和行为特征。
总结
UML部署图非常适合用于建模嵌入式系统，因为它们提供了一种系统化且可视化的手段来表示软件与硬件之间的相互作用，从而在嵌入式系统开发过程中实现有效的沟通、资源分配和文档记录。
参考文献
- UML用户指南，格雷迪·布鲁奇、詹姆斯·鲁姆鲍格、伊瓦尔·雅各布森著，阿德森·威利，1999年
- 什么是部署图？