Co to jest system wbudowany?
System wbudowany to specjalizowany system komputerowy zaprojektowany do wykonywania określonych funkcji lub zadań w większym systemie lub produkcie. W przeciwieństwie do komputerów ogólnego przeznaczenia, które są uniwersalne i mogą uruchamiać szeroki zakres aplikacji, systemy wbudowane są dostosowane do konkretnych zadań i zazwyczaj optymalizowane pod kątem wydajności, efektywności energetycznej i niezawodności w swoim zdefiniowanym dziedzinie zastosowania.
Kluczowe cechy systemów wbudowanych obejmują:
- Specjalizowana funkcjonalność: Systemy wbudowane są konstruowane specjalnie do wykonywania jednego lub kilku określonych zadań, takich jak sterowanie piekarnikiem mikrofalowym, zarządzanie silnikiem samochodu, przetwarzanie danych z urządzenia medycznego lub regulacja temperatury w termostacie.
- Integracja: Te systemy są zintegrowane w większym produkcie lub systemie, gdzie działają jako komponent lub podsystem. Często działają „na tle” i nie są bezpośrednio widoczne dla użytkownika końcowego.
- Sprzęt i oprogramowanie: Systemy wbudowane łączą zarówno komponenty sprzętowe, jak i programowe. Sprzęt obejmuje mikrokontrolery, procesory, czujniki, aktuatory i inne specjalistyczne elementy. Oprogramowanie, często nazywane firmwarem, odpowiada za wykonywanie funkcji systemu wbudowanego.
- Działanie w czasie rzeczywistym: Wiele systemów wbudowanych działa w czasie rzeczywistym, co oznacza, że muszą reagować na dane wejściowe lub zdarzenia w określonym czasie, aby zapewnić poprawną funkcjonalność systemu. Systemy wbudowane w czasie rzeczywistym są wykorzystywane w aplikacjach takich jak sterowanie w pojazdach, automatyka przemysłowa i robotyka.
- Ograniczenia zasobów: Systemy wbudowane często mają ograniczone zasoby obliczeniowe, w tym moc obliczeniową, pamięć i miejsce na przechowywanie danych. Te ograniczenia wymagają efektywnego programowania i optymalizacji.
- Niezawodność: Systemy wbudowane są projektowane pod kątem wysokiej niezawodności i stabilności, ponieważ są wykorzystywane w krytycznych aplikacjach, gdzie awaria może mieć poważne konsekwencje, np. w urządzeniach medycznych lub systemach kosmicznych.
- Długa żywotność: Systemy wbudowane zazwyczaj są oczekiwane do długiej żywotności i mogą działać przez wiele lat bez istotnych zmian lub aktualizacji.
Przykłady systemów wbudowanych można znaleźć w różnych dziedzinach, w tym elektronice konsumenckiej (telefony komórkowe, aparaty cyfrowe), motoryzacji (jednostki sterowania silnikiem, systemy rozrywki), automatyce przemysłowej (PLC – programowalne sterowniki logiczne), medycynie (urządzenia medyczne, systemy monitorowania pacjentów) i wielu innych dziedzinach.
W skrócie, system wbudowany to specjalizowany system komputerowy zaprojektowany do wykonywania określonych funkcji w większym kontekście, z naciskiem na niezawodność, działanie w czasie rzeczywistym i optymalizację zasobów.
Co to jest diagram wdrożenia w UML?
Diagram wdrożenia w języku modelowania jednolitym (UML) to rodzaj diagramu używany do przedstawienia fizycznego wdrożenia komponentów oprogramowania i węzłów sprzętowych w systemie. Ilustruje, jak artefakty oprogramowania (takie jak programy wykonywalne, biblioteki i komponenty) są przypisywane do węzłów sprzętowych (takich jak serwery, komputery lub urządzenia) w rzeczywistym środowisku obliczeniowym.
Oto kluczowe elementy i koncepcje związane z diagramami wdrożenia w UML:
- Węzły: Węzły reprezentują elementy sprzętowe lub urządzenia w diagramie wdrożenia. Mogą to być serwery, stacje robocze, routery, przełączniki, laptopy i inne. Każdy węzeł zwykle ma nazwę i może zawierać dodatkowe informacje o jego właściwościach.
- Artefakty: Artefakty reprezentują komponenty lub moduły oprogramowania. Mogą to być pliki wykonywalne, biblioteki, schematy baz danych, pliki konfiguracyjne lub inne elementy związane z oprogramowaniem. Artefakty są powiązane z węzłami, aby pokazać, gdzie są wdrażane.
- Połączenia: Połączenia lub łącza między węzłami i artefaktami reprezentują relacje wdrożenia. Te połączenia wskazują, że konkretny komponent oprogramowania jest wdrażany na konkretnym węźle sprzętowym. Połączenia mogą mieć etykiety lub stereotypy, aby opisać rodzaj wdrożenia (np. „uruchamia się na”, „hostuje”, „łączy się z”).
- Relacje zależności: W niektórych przypadkach możesz uwzględnić relacje zależności między artefaktami, aby pokazać, jak na siebie zależą. Na przykład aplikacja może zależeć od serwera bazy danych lub serwera internetowego.
- Ścieżki komunikacji: Diagramy wdrożenia mogą również zawierać ścieżki komunikacji między węzłami, aby pokazać, jak na siebie oddziałują. Może to być ważne dla zrozumienia komunikacji sieciowej lub przepływu danych w systemie rozproszonym.
Diagramy wdrożenia są szczególnie przydatne w sytuacjach, w których trzeba zrozumieć i przekazać architekturę fizyczną systemu, szczególnie w złożonych aplikacjach oprogramowania działających na wielu serwerach lub urządzeniach. Pomagają stakeholderom wizualizować, jak komponenty oprogramowania są rozłożone na węzłach sprzętowych i jak te węzły są ze sobą połączone.
Diagramy wdrożenia są cennym narzędziem dla architektów systemów, programistów oprogramowania i administratorów systemów podczas planowania, wdrażania i zarządzania wdrożeniem systemów oprogramowania w środowisku rzeczywistym.
Kiedy wykorzystać diagramy wdrożenia:
- Wymagania integracji: Określ, z jakimi istniejącymi systemami nowo wprowadzony system musi się komunikować lub zintegrować. Diagramy wdrożenia pomagają wizualizować te interakcje.
- Wytrzymałość systemu: Ocenić wymagania dotyczące wytrzymałości, w tym czy konieczna jest nadmiarowość sprzętu, aby zapewnić dostępność systemu w przypadku awarii.
- Stakeholderzy systemu: Zidentyfikuj, kto i jakie jednostki będą się podłączać do systemu lub z nim interagować, oraz określ metody tej interakcji.
- Środowisko pośredniczące i protokoły: Określ środowisko pośredniczące, system operacyjny i protokoły komunikacji, które system będzie wykorzystywał do komunikacji i przesyłania danych.
- Interakcja użytkownika: Ustal, z jakimi komponentami sprzętowymi i programowymi użytkownicy będą bezpośrednio się komunikować, np. komputerami stacjonarnymi, komputerami sieciowymi lub przeglądarkami internetowymi.
- Monitorowanie systemu: Określ, jak system będzie monitorowany po wdrożeniu, aby zapewnić jego zdrowie i wydajność.
- Ochrona systemu: Określ poziom bezpieczeństwa wymaganego dla systemu, w tym potrzebę zapory ogniowej, fizycznie zabezpieczonego sprzętu lub innych mechanizmów ochrony.
Cel diagramów wdrożenia:
- Reprezentacja strukturalna: Diagramy wdrożenia zapewniają wizualną reprezentację struktury uruchomionej systemu, ilustrując używane elementy sprzętowe i ich połączenia.
- Modelowanie sprzętu i komunikacji: Modelują fizyczne komponenty sprzętowe oraz ścieżki komunikacji między nimi, wspomagając zrozumienie architektury systemu.
- Narzędzie planowania: Diagramy wdrożenia pomagają w planowaniu architektury systemu, wspomagając stakeholderów w podejmowaniu świadomych decyzji dotyczących przydziału sprzętu i oprogramowania.
- Dokumentacja: Są wartościowe przy dokumentowaniu wdrożenia komponentów oprogramowania lub węzłów w systemie, wspomagając dokumentację i komunikację w systemie.
Jak modelować system wbudowany za pomocą diagramu wdrożenia UML
Tworzenie systemu wbudowanego wiąże się z wyzwaniami, które wykraczają poza zwykłą opracowanie oprogramowania. Dotyczy ono złożitego zarządzania światem fizycznym, pełnym elementów podatnych na zużycie, niestabilnego zachowania sygnałów i nieliniowych cech. Podczas tworzenia modelu takiego systemu należy uwzględnić jego interakcję z światem rzeczywistym, co wymaga rozważenia niekonwencjonalnych urządzeń i węzłów.
Diagramy wdrożenia są nieocenionymi narzędziami wspomagającymi skuteczną komunikację między inżynierami sprzętu i programistami oprogramowania uczestniczącymi w Twoim projekcie. Wykorzystując węzły o charakterystycznych cechach przypominających znane urządzenia, możesz tworzyć diagramy, które będą zrozumiałe dla obu grup. Diagramy wdrożenia odgrywają również kluczową rolę w rozważaniach dotyczących wzajemnego oddziaływania sprzętu i oprogramowania. Są one narzędziem do wizualizacji, wyrażania, budowania i dokumentowania licznych decyzji inżynierskich leżących u podstaw Twojego systemu.
Aby skutecznie zamodelować system wbudowany, postępuj zgodnie z poniższymi krokami:
- Zidentyfikuj unikalne urządzenia i węzły charakterystyczne dla Twojego systemu.
- Wykorzystaj możliwości rozszerzalności UML w celu stworzenia specyficznych dla systemu stereotypów z odpowiednimi ikonami, szczególnie dla rzadkich urządzeń. Na minimum rozróżnij procesory (zawierające komponenty oprogramowania) i urządzenia (które na tym poziomie abstrakcji nie mają bezpośredniej integracji z oprogramowaniem).
- Stwórz diagram wdrożenia, aby wyodrębnić relacje między tymi procesorami i urządzeniami. Podobnie określ połączenie między komponentami z perspektywy implementacji systemu a węzłami z perspektywy wdrożenia systemu.
- W razie potrzeby rozszerz opis dowolnych urządzeń inteligentnych, tworząc bardziej szczegółowy diagram wdrożenia.
Na przykład rozważ konfigurację sprzętu przedstawioną na poniższym rysunku, ilustrującą podstawowego robota autonomicznego. W tym przedstawieniu znajdziesz jeden węzeł, oznaczony jako procesor i oznaczony jako płyta główna Pentium. Wokół tego węzła znajdują się osiem urządzeń, każde oznaczone jako „urządzenie” i przedstawione za pomocą ikony, która daje wyraźne wizualne odzwierciedlenie ich odpowiednika w świecie rzeczywistym.
Dlaczego systemy wbudowane są najwłaściwiej modelowane za pomocą diagramu wdrożenia UML?
- Mapowanie fizyczne: Systemy wbudowane obejmują wdrażanie komponentów oprogramowania na określonych węzłach sprzętowych. Diagram wdrożenia UML został zaprojektowany w celu przedstawienia mapowania fizycznego artefaktów oprogramowania na sprzęt, co czyni go idealnym wyborem do modelowania interakcji między oprogramowaniem a sprzętem w systemach wbudowanych.
- Kontekst rzeczywisty: Systemy wbudowane działają w kontekście rzeczywistym z różnymi urządzeniami sprzętowymi, czujnikami, aktuatorami i interfejsami komunikacyjnymi. Diagramy wdrożenia pozwalają na wizualne odzwierciedlenie relacji między tymi elementami fizycznymi a komponentami oprogramowania, z którymi się komunikują.
- Jasność wizualizacji: Diagramy wdrożenia UML wykorzystują notację graficzną, która zapewnia jasny i intuicyjny sposób przedstawiania węzłów sprzętowych, komponentów oprogramowania i ich połączeń. Ta jasność pomaga w zrozumieniu architektury i wdrożenia systemu wbudowanego.
- Komunikacja: Diagramy wdrożenia wspomagają skuteczną komunikację między różnymi stakeholderami uczestniczącymi w rozwoju systemów wbudowanych, w tym programistami oprogramowania, inżynierami sprzętu, architektami systemów i menedżerami projektów. Stanowią one wspólny język wizualny do omawiania aspektów związanych z wdrożeniem.
- Przydział zasobów: Systemy wbudowane często mają ograniczenia zasobów, takie jak ograniczona moc obliczeniowa, pamięć lub energia. Diagramy wdrożenia pomagają w przydzielaniu komponentów oprogramowania do dostępnych węzłów sprzętowych z uwzględnieniem tych ograniczeń.
- Weryfikacja i walidacja: Modelowanie wdrożenia systemu wbudowanego za pomocą UML pozwala na wczesną weryfikację i walidację architektury systemu. Może pomóc w wykryciu potencjalnych problemów lub węzłów zapchanych przed wdrożeniem, co prowadzi do bardziej niezawodnych i efektywnych systemów.
- Dokumentacja: Diagramy wdrożenia stanowią cenną dokumentację architektury fizycznej systemu. Dokumentują, jak komponenty oprogramowania są rozprowadzane na węzłach sprzętowych, co może być kluczowe dla utrzymania, diagnozowania i ewolucji systemu.
- Skalowalność i złożoność: Systemy wbudowane mogą sięgać od prostych urządzeń po złożone, rozproszone systemy. Diagramy wdrożenia UML mogą być skalowane w celu przedstawienia zarówno systemów małoskalowych, jak i dużoskalowych, co czyni je elastycznymi narzędziami do modelowania różnych poziomów złożoności.
- Integracja z innymi diagramami UML: Diagramy wdrożenia UML mogą być zintegrowane z innymi diagramami UML, takimi jak diagramy klas, diagramy sekwencji i diagramy komponentów, aby zapewnić kompleksowy obraz systemu wbudowanego. Ta integracja pomaga w odzwierciedleniu zarówno aspektów strukturalnych, jak i behawioralnych.
Podsumowanie
Diagramy wdrożenia UML są idealnie przystosowane do modelowania systemów wbudowanych, ponieważ oferują systematyczny i wizualny sposób przedstawiania wzajemnego oddziaływania oprogramowania i sprzętu, umożliwiając skuteczną komunikację, przydział zasobów i dokumentację w kontekście rozwoju systemów wbudowanych.
Bibliografia
- Podręcznik użytkownika UML, Grady Booch, James Rumbaugh, Ivar Jacobson, Addison Wesley, 1999
- Co to jest diagram wdrożenia?