Что такое встраиваемая система?
Встраиваемая система — это специализированная компьютерная система, предназначенная для выполнения определенных функций или задач в рамках более крупной системы или продукта. В отличие от универсальных компьютеров, которые универсальны и могут запускать широкий спектр приложений, встраиваемые системы настроены на выполнение конкретных функций и, как правило, оптимизированы для производительности, энергоэффективности и надежности в рамках своей области применения.
Ключевые характеристики встраиваемых систем включают:
- Специализированная функциональность: Встраиваемые системы создаются специально для выполнения одной или нескольких конкретных задач, таких как управление микроволновой печью, управление двигателем автомобиля, обработка данных с медицинского устройства или регулирование температуры в термостате.
- Интеграция: Эти системы интегрируются в более крупный продукт или систему, где они работают как компонент или подсистема. Они часто функционируют «за кадром» и не видны напрямую конечному пользователю.
- Аппаратное и программное обеспечение: Встраиваемые системы объединяют аппаратные и программные компоненты. Аппаратная часть включает микроконтроллеры, микропроцессоры, датчики, исполнительные механизмы и другие специализированные компоненты. Программное обеспечение, часто называемое прошивкой, отвечает за выполнение функций встраиваемой системы.
- Работа в реальном времени: Многие встраиваемые системы работают в реальном времени, что означает, что они должны реагировать на входные данные или события в определённый временной интервал, чтобы обеспечить правильную работу системы. Встраиваемые системы в реальном времени используются в приложениях, таких как управление автомобилем, промышленная автоматизация и робототехника.
- Ограничения ресурсов: Встраиваемые системы часто имеют ограниченные вычислительные ресурсы, включая вычислительную мощность, память и хранилище. Эти ограничения обуславливают необходимость эффективного программирования и оптимизации.
- Надежность: Встраиваемые системы разрабатываются с высокой надежностью и стабильностью, поскольку используются в критически важных приложениях, где сбой может иметь серьёзные последствия, например, в медицинских устройствах или аэрокосмических системах.
- Долгий срок службы: Встраиваемые системы, как правило, предполагают длительный срок службы, и они могут функционировать в течение многих лет без значительных изменений или обновлений.
Примеры встраиваемых систем можно найти во многих областях, включая потребительскую электронику (смартфоны, цифровые камеры), автомобилестроение (блоки управления двигателем, системы развлечения), промышленная автоматизация (ПЛК — программируемые логические контроллеры), здравоохранение (медицинские устройства, системы мониторинга пациентов) и многие другие области.
Коротко говоря, встраиваемая система — это специализированная вычислительная система, предназначенная для выполнения конкретных функций в более широком контексте, с акцентом на надежность, работу в реальном времени и оптимизацию ресурсов.
Что такое диаграмма развертывания в UML?
Диаграмма развертывания в языке унифицированного моделирования (UML) — это тип диаграммы, используемый для отображения физического развертывания программных компонентов и аппаратных узлов в системе. Она показывает, как программные артефакты (например, исполняемые программы, библиотеки и компоненты) распределяются по аппаратным узлам (например, серверам, компьютерам или устройствам) в реальной вычислительной среде.
Вот основные элементы и понятия, связанные с диаграммами развертывания в UML:
- Узлы: Узлы представляют аппаратные элементы или устройства на диаграмме развертывания. К ним могут относиться серверы, рабочие станции, маршрутизаторы, коммутаторы, ноутбуки и другие. Каждый узел обычно имеет имя и может содержать дополнительные сведения о его характеристиках.
- Артефакты: Артефакты представляют программные компоненты или модули. К ним могут относиться исполняемые файлы, библиотеки, схемы баз данных, конфигурационные файлы или любые другие программные элементы. Артефакты связаны с узлами, чтобы показать, где они развернуты.
- Связи: Связи или соединители между узлами и артефактами представляют отношения развертывания. Эти связи указывают, что конкретный программный компонент развернут на определённом аппаратном узле. Связи могут иметь метки или стереотипы для описания типа развертывания (например, «работает на», «хостит», «подключается к»).
- Зависимости: В некоторых случаях вы можете включить зависимости между артефактами, чтобы показать, как они зависят друг от друга. Например, приложение может зависеть от сервера базы данных или веб-сервера.
- Каналы связи: Диаграммы развертывания также могут включать каналы связи между узлами, чтобы показать, как они взаимодействуют друг с другом. Это может быть важно для понимания сетевого взаимодействия или потока данных в распределенной системе.
Диаграммы развертывания особенно полезны в сценариях, когда необходимо понять и передать физическую архитектуру системы, особенно в сложных программных приложениях, работающих на нескольких серверах или устройствах. Они помогают заинтересованным сторонам визуализировать, как программные компоненты распределены по аппаратным узлам и как эти узлы взаимосвязаны.
Диаграммы развертывания являются ценным инструментом для архитекторов систем, разработчиков программного обеспечения и системных администраторов при планировании, реализации и управлении развертыванием программных систем в реальной среде.
Когда использовать диаграммы развертывания:
- Требования интеграции: Определите, с какими существующими системами новый вводимый систем должен взаимодействовать или интегрироваться. Диаграммы развертывания помогают визуализировать эти взаимодействия.
- Надежность системы: Оцените требования к надежности, включая необходимость резервирования аппаратных средств для обеспечения доступности системы в случае сбоя.
- Заинтересованные стороны системы: Определите, кто и какие сущности будут подключаться к системе или взаимодействовать с ней, и определите методы взаимодействия.
- Промежуточное программное обеспечение и протоколы: Укажите промежуточное программное обеспечение, операционную систему и протоколы связи, которые система будет использовать для обмена данными и передачи информации.
- Взаимодействие с пользователем: Уточните, с какими аппаратными и программными компонентами пользователи будут напрямую взаимодействовать, например, ПК, сетевые компьютеры или веб-браузеры.
- Мониторинг системы: Определите, как система будет мониториться после развертывания, чтобы обеспечить ее работоспособность и производительность.
- Меры безопасности: Определите уровень безопасности, необходимый для системы, включая необходимость использования брандмауэров, аппаратно защищенных устройств или других механизмов безопасности.
Цель диаграмм развертывания:
- Структурное представление: Диаграммы развертывания предоставляют визуальное представление структуры системы в режиме выполнения, иллюстрируя используемые аппаратные элементы и их взаимосвязи.
- Моделирование аппаратных средств и связи: Они моделируют физические аппаратные компоненты и каналы связи между ними, что способствует пониманию архитектуры системы.
- Инструмент планирования: Диаграммы развертывания помогают в планировании архитектуры системы, помогая заинтересованным сторонам принимать обоснованные решения о распределении аппаратных и программных ресурсов.
- Документирование: Они полезны для документирования развертывания программных компонентов или узлов в системе, способствуя документированию и коммуникации в системе.
Как моделировать встроенную систему с помощью диаграммы развертывания UML
Создание встраиваемой системы сопряжено с вызовами, выходящими за рамки простой разработки программного обеспечения. Это включает в себя сложное управление физическим миром, наполненным движущимися частями, подверженными износу и повреждениям, непредсказуемым поведением сигналов и нелинейными характеристиками. При создании модели такой системы необходимо учитывать её взаимодействие с реальным миром, что требует рассмотрения нестандартных устройств и узлов.
Диаграммы развертывания служат бесценными инструментами для эффективной коммуникации между инженерами-hardware и разработчиками программного обеспечения, участвующими в вашем проекте. Используя узлы, которые имеют стереотипные сходства с знакомыми устройствами, вы можете создавать диаграммы, понятные обеим группам. Эти диаграммы развертывания также играют ключевую роль в обсуждении взаимодействия между аппаратным и программным обеспечением. Они служат средством визуализации, формулирования, построения и документирования множества инженерных решений, лежащих в основе вашей системы.
Чтобы эффективно моделировать встраиваемую систему, следуйте этим шагам:
- Определите уникальные устройства и узлы, характерные для вашей системы.
- Используйте возможности расширяемости UML для создания специфичных для системы стереотипов с соответствующими значками, особенно для редких устройств. По крайней мере, различайте процессоры (в которых размещаются компоненты программного обеспечения) и устройства (которые на данном уровне абстракции не имеют прямой интеграции с программным обеспечением).
- Создайте диаграмму развертывания для четкого определения взаимосвязей между этими процессорами и устройствами. Аналогично укажите связь между компонентами в перспективе реализации вашей системы и узлами в перспективе развертывания вашей системы.
- По мере необходимости уточните любые умные устройства, разработав более подробную диаграмму развертывания.
Например, рассмотрим конфигурацию аппаратного обеспечения, изображённую на приведённом ниже рисунке, иллюстрирующую базового автономного робота. В этом изображении вы увидите один узел, стереотипно обозначенный как процессор, обозначенный как материнская плата Pentium. Вокруг этого узла расположены восемь устройств, каждое из которых обозначено как «устройство» и представлено значком, дающим яркое визуальное представление, отражающее его реальный аналог.
Почему встраиваемые системы наиболее подходят для моделирования с помощью диаграммы развертывания UML?
- Физическое отображение: Встраиваемые системы включают развертывание компонентов программного обеспечения на конкретных аппаратных узлах. Диаграмма развертывания UML предназначена для представления физического отображения программных артефактов на аппаратных средствах, что делает её идеальным выбором для моделирования взаимодействия программного и аппаратного обеспечения в встраиваемых системах.
- Реальный контекст: Встраиваемые системы функционируют в реальном мире, включающем различные аппаратные устройства, датчики, исполнительные механизмы и интерфейсы связи. Диаграммы развертывания позволяют визуально зафиксировать взаимосвязи между этими физическими элементами и компонентами программного обеспечения, с которыми они взаимодействуют.
- Чёткость визуализации: Диаграммы развертывания UML используют графические обозначения, которые обеспечивают чёткий и интуитивно понятный способ представления аппаратных узлов, компонентов программного обеспечения и их соединений. Эта чёткость способствует пониманию архитектуры и развертывания встраиваемой системы.
- Коммуникация: Диаграммы развертывания способствуют эффективной коммуникации между различными заинтересованными сторонами, участвующими в разработке встраиваемых систем, включая разработчиков программного обеспечения, инженеров-аппаратчиков, архитекторов систем и менеджеров проектов. Они предоставляют общую визуальную основу для обсуждения аспектов развертывания.
- Распределение ресурсов: Встраиваемые системы часто сталкиваются с ограничениями ресурсов, такими как ограниченная вычислительная мощность, память или энергопотребление. Диаграммы развертывания помогают распределять компоненты программного обеспечения по доступным аппаратным узлам с учётом этих ограничений.
- Проверка и валидация: Моделирование развертывания встраиваемой системы с помощью UML позволяет проводить раннюю проверку и валидацию архитектуры системы. Это может помочь выявить потенциальные проблемы или узкие места до начала реализации, что приводит к более надёжным и эффективным системам.
- Документирование: Диаграммы развертывания служат ценным документом для физической архитектуры системы. Они фиксируют, как компоненты программного обеспечения распределены по аппаратным узлам, что может быть критически важно для обслуживания, устранения неисправностей и эволюции системы.
- Масштабируемость и сложность: Встраиваемые системы могут варьироваться от простых устройств до сложных распределённых систем. Диаграммы развертывания UML могут масштабироваться для представления как маломасштабных, так и крупномасштабных встраиваемых систем, что делает их универсальными для моделирования различных уровней сложности.
- Интеграция с другими диаграммами UML: Диаграммы развертывания UML могут интегрироваться с другими диаграммами UML, такими как диаграммы классов, последовательностей и компонентов, чтобы обеспечить всесторонний взгляд на встраиваемую систему. Эта интеграция помогает зафиксировать как структурные, так и поведенческие аспекты.
Обобщение
Диаграммы развертывания UML хорошо подходят для моделирования встраиваемых систем, поскольку они предлагают системный и визуальный подход к представлению взаимодействия между программным и аппаратным обеспечением, позволяя эффективно коммуницировать, распределять ресурсы и документировать процессы разработки встраиваемых систем.
Ссылки
- Руководство по использованию UML, Грейди Буч, Джеймс Румбаugh, Ивар Якобсон, Аддисон-Уэсли, 1999
- Что такое диаграмма развертывания?