デプロイメント図とUMLスタereotypeを用いた組み込みシステムのモデリング

組み込みシステムとは何ですか？

組み込みシステムとは、より大きなシステムや製品内での専用機能またはタスクを実行するために設計された特殊なコンピュータシステムである。汎用コンピュータとは異なり、幅広いアプリケーションを実行できる柔軟性を持つが、組み込みシステムは特定の機能に特化しており、その指定されたアプリケーション分野において、性能、電力効率、信頼性の観点から最適化されていることが一般的である。

組み込みシステムの主な特徴には以下が含まれる：

1. 専用機能：組み込みシステムは、マイクロ波レンジの制御、自動車のエンジン管理、医療機器からのデータ処理、または温度調節器における温度制御など、一つまたは少数の特定のタスクを実行するために設計されている。
2. 統合：これらのシステムは、より大きな製品やシステムに統合されており、部品またはサブシステムとして機能する。しばしば「裏で」動作し、エンドユーザーには直接見えないことが多い。
3. ハードウェアとソフトウェア：組み込みシステムはハードウェアとソフトウェアの両方のコンポーネントを統合している。ハードウェアにはマイコン、マイクロプロセッサ、センサ、アクチュエータ、その他の専用コンポーネントが含まれる。ソフトウェアはしばしばファームウェアと呼ばれるもので、組み込みシステムの機能を実行する責任を負う。
4. リアルタイム動作：多くの組み込みシステムはリアルタイムで動作し、入力やイベントに対して特定の時間枠内に応答しなければ、システムの正常な機能を確保できない。リアルタイム組み込みシステムは、自動車制御、産業用自動化、ロボット工学などのアプリケーションで使用される。
5. リソース制約：組み込みシステムは、処理能力、メモリ、ストレージなど、限られた計算リソースを持つことが一般的である。これらの制約は、効率的なプログラミングと最適化の必要性を生み出す。
6. 信頼性：組み込みシステムは、医療機器や航空宇宙システムなど、障害が深刻な結果をもたらす可能性のある重要なアプリケーションで使用されるため、高い信頼性と安定性を備えるように設計されている。
7. 長寿命：組み込みシステムは通常、長寿命を期待されており、重大な変更や更新なしに何年も運用され続ける必要がある。

組み込みシステムの例は、消費者電子機器（スマートフォン、デジタルカメラ）、自動車（エンジン制御ユニット、インフォテインメントシステム）、産業用自動化（PLC：プログラマブルロジックコントローラ）、医療（医療機器、患者モニタリングシステム）など、さまざまな分野に存在する。

要するに、組み込みシステムとは、より大きな文脈内で特定の機能を実行するために設計された特殊なコンピューティングシステムであり、信頼性、リアルタイム動作、リソース最適化を重視している。

デプロイメント図を使用するタイミング：

1. 統合要件: 新しく導入されるシステムが、既存のどのシステムとやり取りするか、または統合する必要があるかを特定します。デプロイメント図は、これらの相互作用を視覚化するのに役立ちます。
2. システムの堅牢性: システムの堅牢性要件を評価し、障害発生時のシステム可用性を確保するために、ハードウェアの冗長性が必要かどうかを含めて検討します。
3. システムのステークホルダー: システムに接続または相互作用する人物やエンティティを特定し、相互作用の方法を定義します。
4. ミドルウェアとプロトコル: システムが通信やデータ転送に使用するミドルウェア、オペレー�ティングシステム、通信プロトコルを指定します。
5. ユーザーとの相互作用: ユーザーが直接操作するハードウェアやソフトウェアコンポーネント（PC、ネットワークコンピュータ、Webブラウザなど）を明確にします。
6. システム監視: システムをデプロイした後、その健全性とパフォーマンスを確保するために、どのように監視されるかを決定します。
7. セキュリティ対策: システムに必要なセキュリティレベルを定義し、ファイアウォール、物理的に安全なハードウェア、その他のセキュリティメカニズムの必要性を含めます。

デプロイメント図の目的：

1. 構造的表現: デプロイメント図は、システムの実行時構造を視覚的に表現し、使用されるハードウェア要素とそれらの相互接続を示します。
2. ハードウェアと通信のモデリング: これらは物理的なハードウェアコンポーネントとそれらの間の通信経路をモデル化し、システムアーキテクチャの理解を支援します。
3. 計画ツール: デプロイメント図は、システムのアーキテクチャを計画するのを支援し、ステークホルダーがハードウェアやソフトウェアの割り当てについて情報に基づいた意思決定を下すのを助けます。
4. 文書化: システム内のソフトウェアコンポーネントやノードのデプロイを文書化するのに価値があり、システムの文書化やコミュニケーションを支援します。

UMLデプロイメント図を用いた組み込みシステムのモデル化方法

組み込みシステムの構築は、単なるソフトウェア開発をはるかに超える課題を伴う。物理的な世界の複雑な管理を含み、摩耗や破損にさらされやすい可動部品、不安定な信号挙動、非線形特性が存在する。このようなシステムのモデルを構築する際には、現実世界との相互作用を考慮しなければならず、非標準的なデバイスやノードについても検討する必要がある。

デプロイメント図は、プロジェクトに従事するハードウェアエンジニアとソフトウェア開発者との間で効果的なコミュニケーションを促進する貴重なツールである。馴染み深いデバイスに類似した特徴を持つノードを使用することで、両者にとって共感を得やすい図を構築できる。これらのデプロイメント図は、ハードウェアとソフトウェアの相互作用について検討する上で中心的な役割を果たす。システムの背後にある多数の工学的決定事項を可視化し、説明し、構築し、記録する手段として機能する。

組み込みシステムを効果的にモデル化するには、以下の手順に従う。

1. システム固有の特別なデバイスやノードを特定する。
2. UMLの拡張機能を活用して、システム固有のスタereotypeと対応するアイコンを定義する。特に珍しいデバイスに対しては特に注意を払う。最低限、ソフトウェアコンポーネントを内包するプロセッサと、この抽象度では直接的なソフトウェア統合を持たないデバイスを区別する。
3. これらのプロセッサやデバイス間の関係を明確にするためにデプロイメント図を構築する。また、システムの実装視点におけるコンポーネントと、デプロイメント視点におけるノードとの間の接続を明示する。
4. 必要に応じて、インテリジェントデバイスについてより詳細なデプロイメント図を構築して、詳細を明確にする。

たとえば、下図に示すハードウェア構成を検討する。これは基本的な自律型ロボットを示している。この図では、プロセッサとして定義された単一のノード（Pentiumマザーボード）が中心に配置されている。このノードを取り囲むように8つのデバイスが配置されており、それぞれ「デバイス」とラベル付けされ、実世界の対応物を反映した明確な視覚的表現を持つアイコンで示されている。